斷路器合閘操作過(guò)電壓限制方法研究

闕東睿

中國(guó)醫(yī)科大學(xué),沈陽(yáng) 110011

斷路器合閘操作過(guò)電壓限制方法研究

闕東睿

中國(guó)醫(yī)科大學(xué),沈陽(yáng) 110011

空載長(zhǎng)線合閘操作過(guò)電壓是特高壓與超高壓電網(wǎng)中最嚴(yán)重的過(guò)電壓[1]。本文采用ATP-EMTP軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某550kV變電站合閘操作過(guò)電壓進(jìn)行仿真，對(duì)采用合閘電阻、無(wú)任何限制措施及采用避雷器三種情況下，線路上的過(guò)電壓進(jìn)行比對(duì)分析。在沒(méi)有任何限制措施的情況下，線路過(guò)電壓幅值達(dá)到1.95p.u.，采用合閘電阻可將線路過(guò)電壓幅值限制到1.20p.u.以下，采用避雷器可將線路過(guò)電壓限制到1.70p.u.以下。

斷路器；合閘電阻；避雷器；合閘過(guò)電壓

概述

空載長(zhǎng)線合閘過(guò)電壓是選擇特高壓與超高壓電力系統(tǒng)絕緣水平起決定作用的因素[2]，對(duì)這種過(guò)電壓的限制，一般有兩種做法：一種是將斷路器并聯(lián)合閘電阻；另一種是僅僅利用避雷器來(lái)限制合閘過(guò)電壓[3]。合閘電阻限制合閘過(guò)電壓效果比較好，但是它是斷路器中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。隨著避雷器制造技術(shù)的進(jìn)步，具有較大吸收能力的金屬氧化物避雷器(MOA)已在超高壓電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[4]。國(guó)內(nèi)某些工程為降低設(shè)備造價(jià)，已取消了斷路器合閘電阻，僅用MOA限制500kV電網(wǎng)操作過(guò)電壓[5]。

本文從可靠性出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)某變電站斷路器取消合閘電阻的可行性進(jìn)行了研究，對(duì)該變電站操作過(guò)電壓進(jìn)行分析研究，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，比較了采用斷路器合閘電阻與避雷器對(duì)合閘過(guò)電壓的限制效果及兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 合閘過(guò)電壓仿真計(jì)算

本文采用EMTP為仿真工具對(duì)該變電站中裝有合閘電阻的斷路器合閘時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算，然后在仿真等值電路中去掉合閘電阻，并在線路末端裝設(shè)避雷器限制合閘過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算，將兩種方式的過(guò)電壓限制效果進(jìn)行比較。

1.1 等效參數(shù)

1.1.1 母線排。母線排側(cè)連接的是電源端，因此將其等效為一個(gè)幅值為1p.u.（450kV），頻率為50Hz的電源。

1.1.2 斷路器。本文涉及的斷路器為雙斷口斷路器，每個(gè)斷口的極間電容為700pF，雙斷口串聯(lián)電容為350pF。

1.1.3 輸電線路。輸電線路波阻抗為300Ω，波速為3*108m/s，長(zhǎng)度為286. 34km。

1.1.4 高壓電抗器。高壓電抗器抗的容量為3*70MVar，高抗值為1444.7Ω，中性點(diǎn)小抗為1300Ω。

1.1.5 避雷器。本文中避雷器等效為非線性電阻，額定電壓為444kV。

進(jìn)行合閘操作過(guò)電壓理論計(jì)算時(shí)，假定斷路器三相完全同期操作，這時(shí)線路上三相的強(qiáng)制分量、暫態(tài)分量之和均為零，過(guò)渡過(guò)程的電壓只取決于正序參數(shù)，即可用單相回路進(jìn)行分析。

在斷路器合閘時(shí)，存在合閘相角的問(wèn)題，在電磁暫態(tài)程序的斷路器模型中將開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)過(guò)程理想化，采用時(shí)控開(kāi)關(guān)模型，考慮合閘在最苛刻的工作條件下，將開(kāi)關(guān)設(shè)置在峰值合閘?？紤]到線路中可能產(chǎn)生過(guò)高的過(guò)電壓，這里將線路分成7段，并分別測(cè)量其過(guò)電壓幅值。

本文在計(jì)算過(guò)程中時(shí)間步長(zhǎng)取10μs，仿真時(shí)間為0.1s。

1.2 采用合閘電阻的操作過(guò)電壓仿真計(jì)算

斷路器并聯(lián)合閘電阻是限制操作過(guò)電壓的最主要措施之一[6]。概括地說(shuō)，整個(gè)合閘過(guò)程分成兩個(gè)階段：第一階段是接入合閘電阻，第二階段是短接合閘電阻。第一階段中由于合閘電阻對(duì)過(guò)渡過(guò)程起阻尼作用，所以希望其值較大，合閘電阻值越大，過(guò)電壓就越低；第二階段中合閘電阻值越大，閉合主觸頭時(shí)過(guò)渡過(guò)程越劇烈，過(guò)電壓也就越高，所以希望合閘電阻值越小越好。所以要選擇合適的阻值。這里取合閘電阻為425Ω。

本文中的斷路器有兩個(gè)主斷口開(kāi)關(guān)K1、K2和一個(gè)輔助斷口開(kāi)關(guān)K3。斷路器合閘時(shí)，主斷口開(kāi)關(guān)K1、K2同時(shí)閉合，將合閘電阻接入，10ms后輔助斷口開(kāi)關(guān)K3閉合，將合閘電阻短接。

在對(duì)操作過(guò)電壓計(jì)算時(shí)，計(jì)算了線路上各節(jié)點(diǎn)的過(guò)電壓幅值，如表1所示。

斷路器并聯(lián)合閘電阻將線路上過(guò)電壓限制到1.20 p.u.以下，合閘操作過(guò)電壓沿線分布呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，限制效果比較明顯。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得合閘電阻產(chǎn)生的熱量約為224kJ。合閘電阻受熱容量限制，接入時(shí)間一般不能超過(guò)10ms，故需規(guī)定熱容量和接入時(shí)間。若超過(guò)規(guī)定熱容量或不能及時(shí)短接合閘電阻，合閘電阻就會(huì)發(fā)生爆炸，損壞斷路器和周圍設(shè)備。

當(dāng)合閘電阻 時(shí)，即去掉合閘電阻，操作過(guò)電壓無(wú)任何限制措施時(shí)，計(jì)算了線路上各點(diǎn)的過(guò)電壓幅值，如表2所示。這時(shí)，線路上各點(diǎn)的過(guò)電壓幅值比較大，線路末端最大，達(dá)到1.95 p.u.。

1.3 采用避雷器的操作過(guò)電壓仿真計(jì)算

避雷器是一種保護(hù)電器，用來(lái)限制電器設(shè)備上承受的過(guò)電壓?，F(xiàn)代避雷器除限制雷電過(guò)電壓外，還能限制一部分操作過(guò)電壓。隨著金屬氧化物避雷器(Metal Oxide Surge Arrester，以下簡(jiǎn)稱MOA)質(zhì)量的不斷提高，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于限制各種操作過(guò)電壓。

在輸電線路首端和末端加設(shè)避雷器限制合閘過(guò)電壓，計(jì)算線路上各點(diǎn)的過(guò)電壓幅值，如表3所示。

從表3中可以看出，在節(jié)點(diǎn)7出有沿線過(guò)電壓最大值1.70p.u.，距離線路首端約240km處。合閘操作過(guò)電壓沿線分布呈現(xiàn)兩端低、中間高的弓形，限制效果不如采用合閘電阻效果明顯，可限制在1.70 p. u.以下。

2 結(jié)論

對(duì)比兩種限制措施下的合閘過(guò)電壓，可以得出以下結(jié)論：

2.1 在斷口并聯(lián)合閘電阻的方式對(duì)限制操作過(guò)電壓起到很好的作用，可以將線路過(guò)電壓限制在1.20p.u.以下，使線路過(guò)電壓降低了43.6%，采用合閘電阻的效果要優(yōu)于采用避雷器的效果。

2.2 裝設(shè)避雷器也可限制線路上過(guò)電壓，合閘操作過(guò)電壓沿線分布呈現(xiàn)兩端低、中間高的弓形，限制效果不如采用合閘電阻效果明顯，可限制在1.70p.u.以下，使線路中部和末端過(guò)電壓分別降低了12.8%和13.8%。如果取消合閘電阻采用避雷器限制線路過(guò)電壓仍能滿足限制合閘過(guò)電壓的要求，那么取消合閘電阻不僅可提高斷路器本身的可靠性，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性，而且可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]杜澍春.500kV電網(wǎng)線路斷路器取消合閘電阻的可行性研究，電網(wǎng)技術(shù)[J]，1995，11（19）：30-34

[2]潘錫芒，王曉林，王秉鈞.500kV斷路器取消合閘電阻問(wèn)題的探討，西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)[J]，2000，9（3）：187-193

[3]楊鵬程，陳水明，周宗川，張爽，黃永寧.避雷器代替750 kV線路合閘電阻.高電壓技術(shù)[J]，2008，6（34）：1105-1108

[4]谷定燮，李國(guó)興，周沛洪，梁志勇.取消500kV斷路器合閘電阻有關(guān)問(wèn)題的研究，中國(guó)電力[J]，1996，6（29）：28-31

[5]潘錫芒，王曉林，王秉鈞.取消500kV電力系統(tǒng)線路側(cè)斷路器合閘電阻判據(jù)及分析，電氣開(kāi)關(guān)[J]，2000（4）：24-30

[6]王志剛，蘇平.神頭二電廠500 kV升壓站線路斷路器取消合閘電阻可行性論證分析，山西電力[J]，2005，12（6）：4-11

表1 采用合閘電阻的沿線路過(guò)電壓幅值

表2 無(wú)限制措施的沿線過(guò)電壓幅值

表3 采用避雷器的沿線過(guò)電壓幅值

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.073