真空斷路器開(kāi)斷并聯(lián)電抗器RC阻容器過(guò)電壓抑制仿真試驗(yàn)研究

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局 唐錦堯 黃秋達(dá)

關(guān)鍵字：真空斷路器；并聯(lián)電抗器；RC阻容器；過(guò)電壓

1 采用RC 阻容器限制過(guò)電壓

基于真空優(yōu)秀的絕緣性能和滅弧性能，真空斷路器的觸頭在密閉的真空室進(jìn)行工作，在進(jìn)行接通和分?jǐn)嚯娐返牟僮鲿r(shí)，其內(nèi)部存在金屬蒸汽離子的分散及再?gòu)?fù)合運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間非常短，因此滅弧的時(shí)間非常短，并且能有效回到原有的最大真空度，此外其開(kāi)斷能力不會(huì)受到頻繁分合閘操作的影響而下降。所以真空斷路器擁有易維護(hù)、斷流容量大、有利于反復(fù)運(yùn)作等諸多優(yōu)勢(shì)，但真空斷路器在工作過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)電壓的弊端較普遍。

電網(wǎng)供電的安全可靠在如今越發(fā)重要，因此對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求也越發(fā)嚴(yán)格。但工作過(guò)程中，過(guò)電壓的出現(xiàn)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成極大的威脅，在一定程度上會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性造成嚴(yán)重的影響，為此需要了解過(guò)電壓的發(fā)生過(guò)程以及本質(zhì)和特征，這對(duì)準(zhǔn)確選用過(guò)電壓保護(hù)裝置是非常關(guān)鍵的。真空斷路器在進(jìn)行分合電路的過(guò)程中，皆容易產(chǎn)生操作過(guò)電壓。真空斷路器的觸頭在進(jìn)行閉合時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)水平差異的彈跳狀態(tài)，因此產(chǎn)生過(guò)電壓。

在電路接通時(shí)，觸點(diǎn)之間的距離會(huì)隨時(shí)間的增加而越來(lái)越小直至消失，觸點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)渡電壓會(huì)維持一直下降的狀態(tài)，所以過(guò)電壓的最大值通常較小，對(duì)系統(tǒng)造成的影響不會(huì)很?chē)?yán)重。對(duì)系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定工作造成影響的關(guān)鍵是斷開(kāi)電路過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓，在開(kāi)斷變壓器等設(shè)備的過(guò)程中，真空斷路器出現(xiàn)的過(guò)電壓可以劃分為截流、三相同時(shí)截流過(guò)電壓以及反復(fù)重燃過(guò)電壓[1]。

1.1 截流過(guò)電壓

真空斷路器具有的良好滅弧性能，在分合過(guò)程中，能夠在電流過(guò)零之前對(duì)電弧進(jìn)行斷開(kāi)，而在變壓器中還留有截?cái)嚯娏?，這時(shí)在變壓器電感繞組和散電容之間，余留的能量反復(fù)振蕩從而導(dǎo)致較大過(guò)電壓產(chǎn)生。

1.2 三相同時(shí)截流過(guò)電壓

斷路器在分合弧內(nèi)出現(xiàn)復(fù)燃狀態(tài)，此時(shí)該間隙有高頻電產(chǎn)生，另外兩弧間隙中的工頻電流被其帶動(dòng)會(huì)出現(xiàn)快速過(guò)零的情況，同時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓。

1.3 反復(fù)重燃過(guò)電壓

真空斷路器在閉合動(dòng)作過(guò)程中，滅弧操作是將觸頭分離進(jìn)行的。由于觸頭間的距離很小，在電壓的帶動(dòng)下會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃，電氣回路在電弧進(jìn)行復(fù)燃的過(guò)程中將產(chǎn)生頻率很高的電流，在進(jìn)行首次的復(fù)燃再滅弧的動(dòng)作之后，斷路器的電壓將變得更大，高頻滅弧在非常快的時(shí)間內(nèi)觸頭間距離又非常小時(shí)，可能發(fā)生再次的復(fù)燃，這樣將導(dǎo)致反復(fù)重燃的情況發(fā)生。

在上述相關(guān)操作過(guò)程中容易導(dǎo)致過(guò)電壓的產(chǎn)生，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成破壞，并且真空斷路器擁有的優(yōu)秀滅弧性能，在開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)破壞系統(tǒng)設(shè)備的絕緣，造成相關(guān)設(shè)備異常事故，過(guò)電壓的產(chǎn)生對(duì)正常工作的系統(tǒng)設(shè)備威脅較大。所以，為了防止操作過(guò)電壓的產(chǎn)生，應(yīng)按要求選擇合適的過(guò)電壓保護(hù)裝置，達(dá)到將過(guò)電壓對(duì)消甚至清除的效果[2]。

阻容吸收器總體的結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)明，各相都是通過(guò)電容與電阻的串聯(lián)操作連接而成的。阻容吸收器的關(guān)鍵作用是限制開(kāi)閉和操作過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓，借此確保發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)部件的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在重復(fù)進(jìn)行閉合操作的系統(tǒng)中能起到較大的作用。與電容器有所不同的是，具有阻容吸收器的電路在暫態(tài)過(guò)程中能快速產(chǎn)生RLC回路，通過(guò)電阻的作用，振蕩的衰減速率能得到進(jìn)一步提升，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)電壓與陡勢(shì)進(jìn)行抑制。

阻容吸收器在系統(tǒng)中的作用與并聯(lián)式電容器的作用相仿，在電抗器中加大其支路上電容的數(shù)值，并平滑其原來(lái)的過(guò)電壓的陡勢(shì)，借此達(dá)到減小電壓的振蕩頻率，使斷路器內(nèi)部出現(xiàn)擊穿事故的可能性變?。淮送猓枞菸掌魍ㄟ^(guò)電路中電阻的存在對(duì)能量進(jìn)行耗盡，減緩高頻電流的提升，同樣起到減小預(yù)擊穿發(fā)生數(shù)量和平滑過(guò)電壓陡勢(shì)的效果。阻容吸收器因電弧操作導(dǎo)致的過(guò)電壓具備非常優(yōu)秀的限制作用。針對(duì)抑制頻繁預(yù)擊穿情況導(dǎo)致的過(guò)電壓，在跟避雷器件進(jìn)行比較下，阻容吸收器具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)[3]。

一是阻容吸收器中具有線性電阻元件，能夠?qū)^(guò)電壓產(chǎn)生的額外能量進(jìn)行耗盡，因此可以對(duì)其幅值進(jìn)行有效的抑制。

二是對(duì)比兩者的保護(hù)作用，阻容吸收器對(duì)外界的抗干擾能力較強(qiáng)，而避雷器的抗干擾能力則較弱，在結(jié)構(gòu)內(nèi)中性點(diǎn)處的接線情況，會(huì)引起避雷器與負(fù)載兩者之間絕緣程度的不相匹；而阻容吸收器較好的抗干擾能力，能使其自身與負(fù)載的絕緣程度相適應(yīng)。

三是阻容吸收器在電阻阻尼促進(jìn)效果的幫助下，電壓的振蕩衰減的速率得到提高且達(dá)到減緩陡度的作用。

四是阻容吸收器的保護(hù)多樣，但避雷器只有當(dāng)自身兩端的電壓大于閾值時(shí)，才能抑制過(guò)電壓的產(chǎn)生從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的，若采用單相連接的接線方法，那么將無(wú)法有效抑制相間過(guò)電壓的產(chǎn)生。

2 不同安裝位置下RC 阻容器對(duì)過(guò)電壓抑制的仿真

分別在位置a（電抗器首端）和位置b（站用變首端）增加RC 阻容器，仿真圖如圖1所示。仿真分析不同位置下RC 阻容器過(guò)電壓的抑制效果。

圖1 不同位置RC 阻容器仿真圖

由于目前相關(guān)行業(yè)準(zhǔn)則中，還沒(méi)有關(guān)于阻容器相關(guān)參數(shù)的明確規(guī)范，因此未明確阻容吸收器的電容電阻值在各種工作條件下的選取，所以仍須計(jì)算得知，對(duì)于分析不同位置下的過(guò)電壓抑制情況，本文在電容0.1μF、電阻150Ω 下進(jìn)行情況分析[4]。

在位置a（電抗器首端）加裝RC 阻容器時(shí)，電抗器處過(guò)電壓及站用變處過(guò)電壓仿真圖如圖2所示。

圖2 在電抗器首端加裝RC 阻容器過(guò)電壓仿真圖

在位置b（站用變首端）加裝RC 阻容器時(shí)，電抗器處過(guò)電壓及站用變處過(guò)電壓仿真圖如圖3所示。

圖3 在電抗器首端加裝RC 阻容器過(guò)電壓仿真圖

同時(shí)在位置a（電抗器首端）和位置b（站用變首端）加裝RC 阻容器時(shí)，電抗器處過(guò)電壓及站用變處過(guò)電壓仿真圖如圖4所示。

圖4 在位置a 和b 同時(shí)加裝RC 阻容器過(guò)電壓仿真圖

在不同安裝位置RC 阻容器時(shí)，電抗器、站用變處過(guò)電壓見(jiàn)表1，U1p為電抗器處過(guò)電壓、U2p為站用變處過(guò)電壓。

表1 RC 阻容器安裝位置對(duì)過(guò)電壓的影響

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)比位置a（電抗器首端）、位置b（站用變首端）同時(shí)加裝RC 阻容器和安裝單一RC 阻容器相比抑制能力沒(méi)有明顯的提升，性價(jià)比相對(duì)較低，所以只需安裝單一RC 阻容器即可達(dá)到抑制過(guò)電壓效果，根據(jù)不同安裝位置過(guò)電壓波形，確定最佳安裝位置為電抗器首端。

3 不同電阻阻值下RC 阻容器對(duì)過(guò)電壓抑制的仿真

本文選擇RC 阻容器電容值為0.1μF 時(shí)，電阻值分別為10Ω、100Ω、200Ω、400Ω、600Ω、800Ω 六種情況下的仿真計(jì)算[5]。

在電抗器首端安裝不同參數(shù)電阻的RC 阻容器時(shí)。電抗器、站用變處過(guò)電壓如表2所示，Ub為電抗器處過(guò)電壓、Ud為站用變處過(guò)電壓。

表2 電阻對(duì)過(guò)電壓的影響

由圖5可知，當(dāng)電阻值從10Ω 增加至400Ω 時(shí)，電抗器處過(guò)電壓幅值出現(xiàn)輕微的降低，站用變處過(guò)電壓也出現(xiàn)輕微的波動(dòng)；當(dāng)電阻值從400Ω 增加至800Ω 過(guò)程中，電抗器處過(guò)電壓幅值出現(xiàn)回升現(xiàn)象，占用變出過(guò)電壓也出現(xiàn)明顯的上升。雖然隨著電阻值得增加，電抗器處的電壓衰減時(shí)間減少，但是衰減時(shí)間降低速率明顯變慢。所以，最佳選擇電阻范圍為100~400Ω。

圖5 不同電阻參數(shù)下的過(guò)電壓衰減時(shí)間

4 不同電容容值下RC 阻容器對(duì)過(guò)電壓抑制的仿真

本文選擇RC 阻容器電阻值為100Ω 時(shí)，電容值分別為0.05μF、0.1μF、0.15μF、0.2μF 四種情況下的仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 電容對(duì)過(guò)電壓的影響

由表3可知，當(dāng)電容值從0.05μF 增加至0.1μF 時(shí)，電抗器處過(guò)電壓幅值隨著電容值得增大出現(xiàn)明顯的降低；當(dāng)電容值為0.05μF 時(shí)，站用變處過(guò)電壓為26.2kV，限制效果不明顯，當(dāng)電容值從0.1μF 增加至0.2μF 時(shí)，站用變處過(guò)電壓出現(xiàn)明顯被抑制現(xiàn)象，且隨著電容值增加出現(xiàn)輕微波動(dòng)，即電容值在0.1μF 以上時(shí)，站用變處過(guò)電壓變化不大。

圖7 站用變首端過(guò)暫態(tài)電壓

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6為#2電抗器首端過(guò)暫態(tài)電壓，根據(jù)波形可以看到，在保護(hù)裝置作用下，#2電抗器首端過(guò)電壓幅值和頻率都被有效地抑制。

圖6 #2電抗器首端過(guò)暫態(tài)電壓

6 結(jié)論

通過(guò)將仿真結(jié)果與理論相結(jié)合分析得到，在斷路器分閘時(shí)，分閘過(guò)電壓受RC 阻容器的影響，斷路器斷口電壓的幅值始終小于斷口絕緣強(qiáng)度，從而促使重燃過(guò)程被消滅，電抗器處和站用變處過(guò)電壓得到很好的抑制。

一是在位置a（電抗器首端）加裝RC 阻容器時(shí)，能明顯阻礙電抗器處和站用變處過(guò)電壓的產(chǎn)生；在位置b（站用變首端）加裝RC 阻容器時(shí)，只能有效阻礙后者過(guò)電壓的產(chǎn)生，而不能有效防止電抗器處過(guò)電壓的產(chǎn)生。兩個(gè)位置對(duì)站用變處過(guò)電壓的阻礙作用基本相同。

二是RC 阻容器的電阻主要影響過(guò)電壓幅值的衰減時(shí)間，隨著電阻值的增大，衰減時(shí)間逐漸減少。電阻值與衰減時(shí)間呈非線性關(guān)系，隨著電阻越來(lái)越大，衰減時(shí)間減小的速率越來(lái)越慢。

三是RC 阻容器的電容主要影響過(guò)電壓的幅值大小，而幅值的大小與電容成凹函數(shù)曲線，即先隨著電容的增大而減小，后隨著電容的增大而增大。