550kV斷路器合閘操作過電壓限制方法的研究

陳航宇

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

關(guān)鍵詞：斷路器；合閘電阻；避雷器；合閘過電壓

一、概述

空載長線合閘過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]，對這種過電壓的限制，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限制合閘過電壓[3]。合閘電阻限制合閘過電壓效果比較好，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]。國內(nèi)某些工程為降低設(shè)備造價，已取消了斷路器合閘電阻，僅用MOA限制500kV電網(wǎng)操作過電壓[5]。

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

二、合閘過電壓仿真計算

本文采用EMTP為仿真工具對該變電站中裝有合閘電阻的斷路器合閘時產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行計算，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)避雷器限制合閘過電壓進(jìn)行計算，將兩種方式的過電壓限制效果進(jìn)行比較。

我國某變電站系統(tǒng)的電氣接線示意圖如圖1所示。

（一）等效參數(shù)

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幅值為1p.u.（450kV），頻率為50Hz的電源。

2、斷路器

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

3、輸電線路

輸電線路波阻抗為300Ω，波速為3*108m/s，長度為286.34km。

4、高壓電抗器

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

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)行合閘操作過電壓理論計算時，假定斷路器三相完全同期操作，這時線路上三相的強制分量、暫態(tài)分量之和均為零，過渡過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，存在合閘相角的問題，在電磁暫態(tài)程序的斷路器模型中將開關(guān)的閉合和斷開過程理想化，采用時控開關(guān)模型，考慮合閘在最苛刻的工作條件下，將開關(guān)設(shè)置在峰值合閘?？紤]到線路中可能產(chǎn)生過高的過電壓，這里將線路分成7段，并分別測量其過電壓幅值。

本文在計算過程中時間步長取10μs，仿真時間為0.1s。

（二）采用合閘電阻的操作過電壓仿真計算

斷路器并聯(lián)合閘電阻是限制操作過電壓的最主要措施之一[6]。概括地說，整個合閘過程分成兩個階段：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過渡過程起阻尼作用，所以希望其值較大，合閘電阻值越大，過電壓就越低；第二階段中合閘電阻值越大，閉合主觸頭時過渡過程越劇烈，過電壓也就越高，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主斷口開關(guān)K1、K2和一個輔助斷口開關(guān)K3。斷路器合閘時，主斷口開關(guān)K1、K2同時閉合，將合閘電阻接入，10ms后輔助斷口開關(guān)K3閉合，將合閘電阻短接。

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

合閘電阻在合閘過程中產(chǎn)生熱量，根據(jù)公式計算出熱量曲線，如圖2所示。

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

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

（三）采用避雷器的操作過電壓仿真計算

避雷器是一種保護(hù)電器，用來限制電器設(shè)備上承受的過電壓?，F(xiàn)代避雷器除限制雷電過電壓外，還能限制一部分操作過電壓。隨著金屬氧化物避雷器（Metal Oxide Surge Arrester，以下簡稱MOA）質(zhì)量的不斷提高，越來越廣泛的應(yīng)用于限制各種操作過電壓[7]。

本文中避雷器等效為非線性電阻，額定電壓為444kV，伏安特性曲線如圖3所示。

從表3中可以看出，在節(jié)點7出有沿線過電壓最大值1.70p.u.，距離線路首端約240km處。合閘操作過電壓沿線分布呈現(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。

通過以上計算可以得到這三種情況下，各節(jié)點的過電壓幅值，如圖4所示。

三、結(jié)論

對比兩種限制措施下的合閘過電壓，可以得出以下結(jié)論：

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

2、裝設(shè)避雷器也可限制線路上過電壓，合閘操作過電壓沿線分布呈現(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，使線路中部和末端過電壓分別降低了12.8%和13.8%。如果取消合閘電阻采用避雷器限制線路過電壓仍能滿足限制合閘過電壓的要求，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。

參考文獻(xiàn)：

[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題的探討，西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報[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，李國興，周沛洪，梁志勇.取消500kV斷路器合閘電阻有關(guān)問題的研究，中國電力[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

[7]林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M].北京，機械工業(yè)出版社，2002.