基于ATP真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器過電壓仿真研究

唐錦 堯楊磊

摘? 要：本文真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器產(chǎn)生過電壓，在ATP中建立過電壓仿真模型，仿真結(jié)果表明，電抗器首端過電壓幅值受斷路器重燃次數(shù)的影響，重燃次數(shù)越多，幅值累積越高。斷路器重燃原因為斷路器兩端電壓大于絕緣強度，在分閘過程中表現(xiàn)為暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率大于介質(zhì)絕緣強度恢復(fù)速率。重燃過程中的電流頻率很高，所以導(dǎo)致重燃過電壓幅值大、頻率高。

關(guān)鍵詞：真空斷路器;并聯(lián)電抗器;ATP，重燃過電壓

1、仿真模型的建立

1.1 基于現(xiàn)場重燃試驗的斷路器仿真模型

真空狀態(tài)下電壓擊穿場強不變，所以斷路器擊穿電壓大小與觸頭間的距離緊密相關(guān)，當(dāng)斷路器剛分閘時，觸頭間的距離很小，觸頭間的暫態(tài)恢復(fù)電壓TRV（transient recovery voltage）大于擊穿電壓，從而引發(fā)觸頭間的重燃，當(dāng)電流自然過零時熄滅，之后，恢復(fù)電壓再次大于擊穿電壓發(fā)生重燃，當(dāng)電流自然過零時熄滅。從而發(fā)生頻繁的電流重燃熄弧，并伴隨產(chǎn)生幅值搞、頻率大的過電壓。在分閘后期，觸頭間距離距已足夠大，觸頭間的恢復(fù)電壓小于擊穿電壓，真空絕緣不再擊穿，從而不再發(fā)生重燃現(xiàn)象，此時就的狀態(tài)為斷路器分閘功成狀態(tài)。因此本文主要研究斷路器在小開距情況下的熄弧重燃?；贖elmer模型，考慮截流值、介質(zhì)動態(tài)絕緣強度以及高頻熄弧能力3個因素，在仿真中搭建斷路器分閘初期的電弧重燃模型。

根據(jù)運行經(jīng)驗，10kV真空斷路器的截流值一般為4A～6A，再通過對比本項目現(xiàn)場試驗中分閘操作三相電流的截流值大小4.8A、5.3A，5.1A，確定本次仿真試驗中截流值取5A。根據(jù)2.2節(jié)中現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)采集分析，對重燃過電壓的波形進行分析，選取重燃過電壓的幅值頂點進行連接，并對該曲線進行擬合。最后將擬合曲線編寫進ATPdraw圖形輸入程序中斷路器分合閘條件，從而模擬實際狀態(tài)中并聯(lián)電抗器連續(xù)電弧重燃與熄滅機理模型。

最終得到如圖1所示的斷路器熄弧重燃仿真模塊，包括3個輸入量Isi、Usi和ULi，1個輸出量Ki。其中Isi為流經(jīng)斷路器的電流，Usi為斷路器電源側(cè)電壓，ULi為斷路器負載側(cè)電壓，Ki是輸出變量，決定開關(guān)的狀態(tài)。考慮到斷口的雜散參數(shù)和損耗，在斷路器兩側(cè)并聯(lián)上0.8nF電容和0.1Ω電阻。

2 基于運行變電站的電路仿真模型

根據(jù)實際的變電站中的設(shè)備參數(shù)及系統(tǒng)連接方式在ATP中建立仿真模型，如圖2所示，根據(jù)變電站設(shè)計數(shù)據(jù)，結(jié)合線路電感、寄生電容、斷路器開斷后的等效電感電容、電抗器本身電容及電阻等，并聯(lián)電抗器電感值為40.9mH，電抗器兩端雜散電容值0.003uF，電感電阻值設(shè)定為96kΩ，線路電感設(shè)定為10μH，電抗器與斷路器連接電纜長度80m，站用變與斷路器連接電纜長度20m，型號均為ZRB-YJV22-8.7/15-3×240，電源電壓設(shè)定為10.5kV，并設(shè)定斷路器分閘時間節(jié)點為0.02s，分析電抗器分閘過程中重燃過電壓對電抗器、母線、站用變、PT過電壓的影響。

其中，主變壓器型號為SFSZ10-240000/220，額定容量為180MVA，額定電壓為230kV，高、中、低繞組容量分配為180/180/90，空載損耗為86.273kW，空載電流百分數(shù)為0.068%，變壓器中性點經(jīng)放電間隙并聯(lián)避雷器接地。

并聯(lián)電抗器型號為BKK-2667/10，其單相額定容量為2667Mvar，額定電壓： ，額定電流：462A，星形連接，中性點不接地接線方式，三相電抗分別為12.85、12.61、12.83，電感值分別為40.9mH、40.14mH、40.84mH。并聯(lián)電抗器單相入口等效電容取為3nF。

站用變型號為DKSC400/10，額定容量為400kW。

連接電抗器和斷路器以及連接站用變和母線所使用的10kV三芯電纜型號均為ZRB-YJV22-8.7/15-3×240，電抗器與斷路器連接電纜長度80m，站用變與斷路器連接電纜長度20m。該電纜的單位長度電容值約為0.2603nF/m，單位長度電感值約為0.36μH/m，單位交流電阻約為0.153Ω/km。

3 仿真結(jié)果

3. 1 重燃過電壓狀態(tài)下電流仿真

采用以上參數(shù)和模型進行10kV真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器的仿真，真空斷路器重燃過電壓狀態(tài)下電流波形圖如圖3所示，其中A、B、C三相顏色分別為藍、紅、綠。由圖3可知，在20ms（設(shè)定開斷時間點）后，通過斷路器的電流急劇震蕩，產(chǎn)生高幅值 、高頻率震蕩波，后逐漸減小至0，通過暫態(tài)放大圖（如圖3-4所示）可以看到，約在20ms到20.3ms時間中發(fā)生重燃。

3.2 重燃過電壓狀態(tài)下電壓仿真

對電抗器首端電位進行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示，在斷路器開斷時，電抗器首端電壓發(fā)生劇烈震蕩，產(chǎn)生高頻、高幅值震蕩波，其過電壓最大值為48.86kV，與現(xiàn)場試驗47.458kV接近。對比圖4及圖6，可以以看到，在重燃過程中，電抗器首端過電壓波形呈無規(guī)則的高頻震蕩，在斷路器完全斷開后呈現(xiàn)震蕩衰減。

對站用變首端電壓進行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。在斷路器開斷時，站用變首端電壓發(fā)生劇烈震蕩，產(chǎn)生高頻、高幅值震蕩波，其過電壓最大值為40.79kV。

由圖可知其過電壓最大值為48.86kV，與現(xiàn)場試驗過電壓47.458kV接近，站用變首端過電壓為40.79kV，現(xiàn)場試驗檢測數(shù)據(jù)為44.56kV，驗證了本文中計算模型的有效性。

4總結(jié)

（1）基于現(xiàn)場重燃過電壓測量波形，擬合出斷路器重燃熄滅模型，利用ATP仿真程序?qū)ψ冸娬局兄厝歼^電壓進行模擬仿真。

（2）將仿真重燃過電壓波形圖與現(xiàn)場實際重燃過電壓進行對比，過電壓波形大致相同，電抗器處過電壓幅值基本一致，設(shè)定的仿真模型能有效的反映現(xiàn)場實際運行情況。

（3）測量圖斷路器在進行分閘操作時，電流和電壓都要經(jīng)過一個暫態(tài)過程之后，才能進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，暫態(tài)過程主要表現(xiàn)為震蕩衰減形式。

（4）電抗器首端過電壓幅值受斷路器重燃次數(shù)的影響，重燃次數(shù)越多，幅值累積越高。斷路器重燃原因為斷路器兩端電壓大于絕緣強度，在分閘過程中表現(xiàn)為暫態(tài)恢復(fù)電壓上升率大于介質(zhì)絕緣強度恢復(fù)速率。重燃過程中的電流頻率很高，所以導(dǎo)致重燃過電壓幅值大、頻率高。

（5）站用變處過電壓幅值收斷路器母線側(cè)電壓的影響，由母線側(cè)過電壓通過母線和電纜傳導(dǎo)，所站用變處過電壓和母線過電壓波形相似。

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項目名稱：真空斷路器投切并聯(lián)電抗器暫態(tài)過電壓抑制方法研究.

項目編號：031900KK52190001