開(kāi)斷并聯(lián)電抗器過(guò)電壓機(jī)理分析及應(yīng)對(duì)措施

王馳宇，方 圓，秦 天，孟 毅

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司，湖北 武漢 430019；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，以及線路電纜化率的提高，電力系統(tǒng)在負(fù)荷低谷期間對(duì)感性無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨笤诓粩嘣龃螅?-4］。并聯(lián)電抗器作為電力系統(tǒng)中的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置，在維持系統(tǒng)穩(wěn)定性、優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和提高線路輸電容量等方面起到了積極作用［5-9］。因此在典型變電站設(shè)計(jì)規(guī)劃中，通常在主變35 kV側(cè)或10 kV側(cè)安裝并聯(lián)電抗器來(lái)改善線路上的功率因素，提高運(yùn)行電壓質(zhì)量［10-12］。

在真空斷路器斷開(kāi)并聯(lián)電抗器時(shí)，極易在電抗器側(cè)和母線側(cè)產(chǎn)生過(guò)電壓，可能引發(fā)電抗器燒毀、開(kāi)關(guān)柜爆炸、母線絕緣擊穿等事故［13-19］。本文通過(guò)一起實(shí)際故障案例分析、理論分析以及仿真模擬提出避免此類故障的應(yīng)對(duì)措施，為今后并聯(lián)電抗器設(shè)備安裝及改造設(shè)計(jì)提供參考。

1 故障情況簡(jiǎn)述

2021年4月27日，某220 kV變電站1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，1號(hào)主變110 kV側(cè)開(kāi)關(guān)、35 kV側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行方式，1號(hào)主變220 kV側(cè)開(kāi)關(guān)為檢修狀態(tài)），同一時(shí)刻該變電站1號(hào)電抗器斷路器有分閘記錄。

1號(hào)主變縱差比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作差流為2.83Ie，制動(dòng)電流為1.27Ie，根據(jù)計(jì)算公式，保護(hù)差動(dòng)電流在制動(dòng)電流折線上方，滿足動(dòng)作條件，動(dòng)作時(shí)間12 ms，保護(hù)動(dòng)作正確。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)1號(hào)主變35 kV側(cè)設(shè)備逐一進(jìn)行了外觀檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，主變低壓側(cè)進(jìn)線柜至主變低壓側(cè)母線橋母排A、B、C相及柜體有明顯放電痕跡。1號(hào)電抗器避雷器計(jì)數(shù)器現(xiàn)場(chǎng)檢查累計(jì)動(dòng)作次數(shù)分別為4、3、4次，本次故障中A、C相各動(dòng)作1次。

1號(hào)主變中壓側(cè)和低壓側(cè)電壓波形見(jiàn)圖1，中壓側(cè)電流波形見(jiàn)圖2。由于故障點(diǎn)位于主變與主變低壓測(cè)電流互感器之間，因此故障錄波器未采集到低壓側(cè)故障電流波形。

圖1 主變故錄中壓側(cè)及低壓側(cè)母線電壓波形Fig.1 Main transformer fault recording medium and low voltage side bus voltage waveform

圖2 主變故錄中壓側(cè)電流波形Fig.2 Fault recording of medium voltage side current waveform of main transformer

綜合保護(hù)動(dòng)作報(bào)告和故障錄波信息，分析判斷1號(hào)主變低壓側(cè)首先發(fā)生AB相間短路（此時(shí)A、B相電壓瞬時(shí)值基本相等），持續(xù)約10 ms；之后，由AB相間短路發(fā)展為A、B相接地短路（此時(shí)A、B相電壓為0），持續(xù)約7.5 ms；最后，發(fā)展為三相接地短路，直至低壓側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘，持續(xù)約37.5 ms。短路故障整體時(shí)間持續(xù)為55 ms，最大短路電流10.1 kA。

通過(guò)上述分析可以看出，故障錄波與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的故障點(diǎn)以及放電形式基本吻合，保護(hù)動(dòng)作邏輯及時(shí)序正確，但是從電壓波形上未能發(fā)現(xiàn)明顯的過(guò)電壓錄波，該現(xiàn)象可能是由于開(kāi)斷電抗器過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓頻率較高，錄波裝置無(wú)法正確采樣導(dǎo)致的，接下來(lái)將通過(guò)理論分析以及仿真模擬的手段對(duì)故障引發(fā)的過(guò)程以及原因進(jìn)行分析。

2 過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理分析

真空斷路器在開(kāi)斷感性負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)狀態(tài)的變化導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電容和電感間的電磁能量相互轉(zhuǎn)換，造成振蕩，產(chǎn)生操作過(guò)電壓。當(dāng)電弧電流小，斷路器滅弧能力強(qiáng)，強(qiáng)制熄弧時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生截流過(guò)電壓。同時(shí)真空斷路器開(kāi)斷過(guò)程中，觸頭兩端的恢復(fù)電壓為母線側(cè)工頻電壓和負(fù)載側(cè)高頻振蕩電壓疊加形成，若斷路器介質(zhì)動(dòng)態(tài)絕緣強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致斷路器再次擊穿，上述過(guò)程在開(kāi)斷過(guò)程中反復(fù)發(fā)生，多次電弧重燃會(huì)造成電壓級(jí)升，會(huì)在斷路器觸頭兩端疊加產(chǎn)生極高的恢復(fù)過(guò)電壓，即重燃過(guò)電壓［20-24］。

2.1 截流過(guò)電壓

根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化等值電路如圖3。

圖3 斷路器開(kāi)斷電感電路的等值電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of circuit breaker breaking inductance circuit

圖3中，e為系統(tǒng)電源，Cs為母線上其它線路對(duì)地等效電容，Lt為電抗器間隔的負(fù)載電感，Ct為電抗器間隔的負(fù)載電容，QF為電抗器間隔的真空斷路器。設(shè)截流值為I0，則當(dāng)截流發(fā)生時(shí)，電抗器側(cè)產(chǎn)生的截流過(guò)電壓UL為：

由式（1）可以推導(dǎo)該情況下截流過(guò)電壓最高值為：

震蕩頻率為：

通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論：

1）截流值越大，截流過(guò)電壓則越高，越容易導(dǎo)致斷路器觸頭間的擊穿重燃。

2）由于在該模型中Ct遠(yuǎn)小于Lt，因此根據(jù)截流值的大小，可以產(chǎn)生數(shù)倍于額定電壓的截流過(guò)電壓。

3）截流過(guò)電壓具有高幅值、高頻率、極陡的特點(diǎn)。通過(guò)式（2）可知，高截流值、小雜散電容會(huì)產(chǎn)出高截流電壓，因此降低斷路器截流值可以作為降低截流過(guò)電壓的技術(shù)手段。

2.2 重燃過(guò)電壓

真空斷路器在進(jìn)行開(kāi)斷動(dòng)作時(shí)，若斷口處絕緣強(qiáng)度回復(fù)能力低于斷口處工頻額定電壓與截流過(guò)電壓的電壓差，就會(huì)在斷口處發(fā)生擊穿造成電弧重燃，此時(shí)QF相當(dāng)于閉合狀態(tài)，電路中Lt，Ct，Cs構(gòu)成震蕩電路，在母線側(cè)產(chǎn)生過(guò)電壓。

通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論：

1）相對(duì)于截流過(guò)電壓而言，重燃過(guò)電壓的頻率更高、陡度更大，且會(huì)造成母線側(cè)過(guò)電壓，具有更大的危害性。

2）通過(guò)式（1）可知，若該母線上出線間隔較多，線路對(duì)地等效電容Cs較大時(shí)，對(duì)于過(guò)電壓會(huì)起到明顯的抑制作用。

3）難以持續(xù)燃弧的小電流回路在開(kāi)斷過(guò)程中易發(fā)生多次重燃，形成多次重燃過(guò)電壓，對(duì)回路中的電力設(shè)備帶來(lái)極大的危害。

3 仿真分析

3.1 仿真目的

計(jì)算1號(hào)電抗器開(kāi)關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備用過(guò)程中的母線側(cè)過(guò)電壓，需考慮真空斷路器電弧重燃的情況［25-27］。

3.2 計(jì)算條件

本次仿真計(jì)算范圍如圖4所示，1號(hào)電抗器斷路器在分閘過(guò)程中，考慮截流過(guò)電壓與因電弧重燃而導(dǎo)致的重燃弧過(guò)電壓情況下，1號(hào)電抗器側(cè)的過(guò)電壓與母線側(cè)相間過(guò)電壓。

圖4 建模區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of modeling area

相間過(guò)電壓計(jì)算基準(zhǔn)值Uref=57.28 kV，其中Um為35 kV系統(tǒng)最高相間電壓40.5 kV。

計(jì)算初態(tài)時(shí)（即t=0 s時(shí)），1號(hào)主變主變帶電，1號(hào)電抗器斷路器閉合。為計(jì)算最大可能的過(guò)電壓，設(shè)置1號(hào)電抗器斷路器動(dòng)作時(shí)間t=0.15 s-0.25 s這半個(gè)周期內(nèi)取多個(gè)時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的過(guò)電壓，并取其最大值。

3.3 設(shè)備參數(shù)

模型中包含1號(hào)電抗器、斷路器、二者之間的電纜3個(gè)設(shè)備，計(jì)算中所需參數(shù)如下。

3.3.1 電抗器

電抗器參數(shù)為：額定電壓37.5 kV；額定電抗142.05Ω；額定電感452.0 mH；額定電流154 A；額定容量10 000 kVar；額定損耗8.5 kW。

3.3.2 斷路器

斷路器參數(shù)為：合閘時(shí)間52.96～53.54 ms，分閘時(shí)間22.48～22.74 ms。

3.3.3 電抗器電力電纜

電抗器電力電纜型號(hào)為YJV22-26/35 3*120，額定電壓40.5 kV，長(zhǎng)度135 m，絕緣介質(zhì)交聯(lián)聚乙烯（相對(duì)介電常數(shù)2.5）。

3.4 計(jì)算模型

計(jì)算模型如圖5所示，采用Simulink軟件建模。其中，1號(hào)電抗器、斷路器、電纜參數(shù)如上節(jié)所示。

圖5 重燃弧計(jì)算模型圖Fig.5 Calculation model diagram of reburning arc

重燃弧過(guò)電壓計(jì)算方式為：對(duì)于計(jì)算斷路器分閘過(guò)程中的每個(gè)時(shí)刻，比較斷路器斷口間的絕緣恢復(fù)強(qiáng)度是否小于此時(shí)斷口兩側(cè)電壓瞬時(shí)值，若小于則認(rèn)為斷口處電弧重燃。

3.5 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在本次切除電抗器過(guò)程中，母線側(cè)的相間最大過(guò)電壓值在t=20.0 ms時(shí)取得。繪制出該種情況下的波形圖如圖6所示。其中，圖6上圖為1號(hào)電抗器側(cè)的相間過(guò)電壓波形，最大瞬態(tài)電壓255.24 kV，過(guò)電壓4.47 p.u.；圖6下圖為母線側(cè)的相間過(guò)電壓波形，最大瞬態(tài)電壓253.80 kV，過(guò)電壓4.43 p.u.。

圖6 過(guò)電壓仿真計(jì)算結(jié)果Fig.6 Overvoltage simulation results

另外，電弧重燃時(shí)間從21.7 ms到30.6 ms，持續(xù)約8.9 ms。

4 故障原因分析

真空斷路器切并聯(lián)電抗器出現(xiàn)重燃時(shí)，最易出現(xiàn)首開(kāi)相重燃過(guò)電壓，其產(chǎn)生的高頻暫態(tài)電流在三相間的耦合作用明顯，暫態(tài)電流同時(shí)疊加在后兩相工頻電流上，可能引起非首開(kāi)相出現(xiàn)暫態(tài)高頻過(guò)零點(diǎn)，進(jìn)而出現(xiàn)等效截流過(guò)電壓。由于后兩相負(fù)載電流大小相等、方向相反，引起的等效截流過(guò)電壓極性也相反，不但會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的相對(duì)地過(guò)電壓，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的相間過(guò)電壓。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下切除電抗器過(guò)程中，真空斷路器發(fā)生重燃，母線側(cè)最大重燃過(guò)電壓可達(dá)253.80 kV，1號(hào)主變低壓側(cè)母線橋柜內(nèi)B相母排存在裸露金屬孔、金屬凸起和毛刺，此處首先與臨近的A相母排發(fā)生相間短路，逐漸發(fā)展為A、B相對(duì)地短路，最后發(fā)展為三相對(duì)地短路。

5 應(yīng)對(duì)措施分析

真空斷路器切空母線上的并聯(lián)電抗器時(shí)，出現(xiàn)重燃的概率很高，過(guò)電壓的最大值可達(dá)4.43 p.u.，已超過(guò)規(guī)程允許值，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)極高，應(yīng)進(jìn)行改造。帶總長(zhǎng)度25 km以上出線的母線，由于線路對(duì)地等效電容對(duì)過(guò)電壓的抑制作用，風(fēng)險(xiǎn)有所降低，但仍需及時(shí)關(guān)注避雷器動(dòng)作情況［28-30］。相應(yīng)的改造策略建議如下。

5.1 采用相控?cái)嗦菲鏖_(kāi)斷并抗

相控?cái)嗦菲魍ㄟ^(guò)引入一個(gè)合適的燃弧時(shí)間窗口，使得斷路器的觸頭在電流過(guò)零點(diǎn)前提前分離，分離后持續(xù)燃弧，至電流過(guò)零點(diǎn)處熄弧，此時(shí)動(dòng)靜觸頭已經(jīng)有一定開(kāi)距，重?fù)舸└怕蕼p小。

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，采用第一相先分閘，然后控制另外兩相同時(shí)分閘的策略。目標(biāo)分閘角度在首分閘相電流過(guò)零處，以及另外兩相的線電流的過(guò)零點(diǎn)（首分相電流過(guò)零之后5 ms處）。目標(biāo)角度均以UA為參考基準(zhǔn)，電感的電壓超前電流90°，所以目標(biāo)分閘角度設(shè)定為90°、180°、180°，三相的燃弧時(shí)間均設(shè)置為6～8 ms。

5.2 采用中性點(diǎn)斷路器開(kāi)斷并抗

該方式（如圖7）對(duì)母線側(cè)過(guò)電壓的抑制效果最為明顯，也無(wú)明顯的截流或重燃現(xiàn)象，但在開(kāi)斷時(shí)會(huì)在電抗器中性點(diǎn)產(chǎn)生較高的振蕩過(guò)電壓，對(duì)電抗器匝間絕緣有較大危害，因此需在電抗器中性點(diǎn)斷路器前加裝一組避雷器。

圖7 采用中性點(diǎn)斷路器開(kāi)斷并抗的接線方式圖Fig.7 Wiring diagram of shunt reactor with neutral point circuit breaker

同時(shí)也應(yīng)該注意新增一組中性點(diǎn)斷路器后，電抗器投入、退出操作的順序以及電抗器母線側(cè)斷路器保護(hù)動(dòng)作順序邏輯。在電抗器投入時(shí)應(yīng)先合中性點(diǎn)斷路器再合母線側(cè)斷路器；在電抗器退出時(shí)應(yīng)先分中性點(diǎn)斷路器再分母線側(cè)斷路器；在母線側(cè)斷路器保護(hù)動(dòng)作時(shí)應(yīng)先跳中性點(diǎn)斷路器，再跳母線側(cè)斷路器。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，開(kāi)斷并聯(lián)電抗器所產(chǎn)生的過(guò)電壓是具有治理手段的。隨著電網(wǎng)的發(fā)展、電纜化率的提高，負(fù)荷低谷時(shí)期系統(tǒng)感性無(wú)功的需求也在增大。在變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，配置應(yīng)用并聯(lián)電抗器的同時(shí)，也必須根據(jù)實(shí)際情況合理選擇應(yīng)對(duì)過(guò)電壓的措施，最大限度地保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。