真空断路器开断并联电抗器现场试验研究

真空断路器开断并联电抗器现场试验研究

唐锦尧1，杨磊1

1、广东电网有限责任公司东莞供电局，广东东莞，523000

摘要：本文真空断路器开断并联电抗器产生过电压，在变电站搭建现场试验模型，进行现场试验研究，研究发现当分闸过程中发生重燃时，观测到电抗器高压侧电压的暂态峰值/稳态峰值比值达到了7.116倍（47.458kV），得到分闸过程中重燃是本次故障发生的原因。

关键字：真空断路器；并联电抗器；RC阻容器，避雷器，过电压

Research on Field Test of Shunt Reactor Breaking by Vacuum Circuit Breaker

Tang Jinyao1, Yang Lei1

（Guangdong Power Grid Corporation, Dongguan Guangdong, 523000）

Abstract: In this paper, the vacuum circuit breaker breaks the shunt reactor to generate overvoltage, and a field test model is built in the substation to conduct field test research. The study found that when re-ignition occurred during the opening process, the transient peak/steady-state peak ratio of the high-voltage side voltage of the reactor was observed to reach 7.116 times (47.458kV), and it was concluded that the re-ignition during the opening process was the cause of the fault.

Keywords:vacuum circuit breaker; shunt reactor; RC resistor, surge arrester, overvoltage

1、现场试验分析

随着电网规模逐渐扩大，用电负荷的越来越多，更多的并联电抗器被用来调节电网中的电压质量[1-3]。调度会根据负荷实时变化情况，对并联电抗器进行频繁的开断操作，以避免过分地消耗电力系统的感性功率，由于在开断并联电抗器时，极易产生过电压，对同一电气连接间隔中的设备造成破坏，引发严重的事故事件[4-7]。同时由于变电站的站内故障录波装置性能原因，不能记录电网中的暂态数据，从而限制了事故事件调查分析的有效性，导致不能准确分析判断事故事件的真是原因。因此，针对变电站录波系统的不足，本项目采用在在运行电网事故回路的基础上搭设试验平台，并进行了一系列的现场试验。以期准确捕捉到现场试验开断操作暂态过程中的电压、电流波形，并进行分析。

1.1 并联电抗器回路操作现场试验系统介绍

本现场试验利用10kV电容式过电压分压器来采集现场试验中的电压信号，利用电子式电流互感器（Rogowski线圈）来采集现场试验中的电流信号。利用此电压电流采集器可有效的采集开断试验过程中过电压、过电流的暂态波形，提高现场试验数据的准确性。在某220kV变电站10kV II母线侧#1站用变首端、#2并联电抗器首端和末端装设电压采集器，在#1站用变与母线间、#2并联电抗器与母线间装设电流采集器。该试验中所设计的开关及并联电抗器的参数如表1所示，所采用的电压电流监测装置参数如表2所示，接线图如图1所示。

表1 开关及并联电抗器的参数

表2 试验所用仪表参数

图1试验接线图

U1~U3：电压信号采集位置；I1、I2：电流信号采集位置

2 #2电抗器处电压电流幅值测试

对#2电抗器开断过程中#2电抗器首端对地电压U2、尾端对地电压U3、流过电抗器的电流I1幅值进行测量，得出电压、电流暂态峰值与稳态峰值U1的比值如表3所示：

表3  #2电抗器开断过程中U2、U3、I1暂态峰值与稳态峰值U1比值

表3的数据均为暂态峰值与稳态峰值之比，且中性点电压以高压端对地稳态电压为基准。本次试验共进行了8组开断，第一组分闸标记为“#1-分”，以此类推。由于本次试验改变了装置常用测试方式，导致部分数据未测到，即I1-C相电流通道数据未测到。

表3给出了#2电抗器开断过程中，电抗器首端对地电压、尾端对地电压以及流过电抗器电流的暂态峰值与其稳态峰值比值。试验共进行了8次开断，#2电抗器处记录由表2-5可知：

（1）对电压幅值进行分析可见，电抗器首端电压的暂态峰值/稳态峰值比最高达到7.116倍(#6-分，47.458kV)，参照标准DL/T 604-2009《高压并联电容器装置使用技术条件》9.6.1节的规定“装置选用的开关电器，操作产生极间过电压不得超过2√2Un倍（峰值28.28kV）”可知，本次分闸过电压幅值达到了允许值的167.81%，超出标准允许范围。结合对该峰值的电压波形的分析，认为该次分闸操作存在重燃现象。

（2）除“#6-分”过程出现重燃现象以外，记录到的其余7次分闸过程电压峰值均在正常范围内，观察波形未发生明显重燃现象，电压暂态峰值/稳态峰值比最高为3.593倍（#7-分，16.963kV），为标准允许值的59.98%，满足标准DL/T 604-2009要求。

3  #2电抗器处电压电流波形分析

各次分闸过程中，未发生明显重燃时电抗器首端电压（U2）、电流（I2）典型波形（以#7-分为例）如图所示：

图2分闸过程中未发生重燃时电抗器首端对地电压及电流波形

图2中Ua、Ub、Uc为表1中U2处电压，Ia、Ib、Ic为表1中I1处电流，其中C相电流波形由于通道故障未测到。

由图2可见，分闸电流波形基本特征为工频熄弧的特点，即都在电流过零点时进行熄弧。当A相熄弧时，电抗器首端出现高频的震荡衰减波，震荡频率约为2.9kHz，此时由于相间耦合的作用，B、C相也同时出现小幅值的震荡现象。

将图1与图2对比可得，首开相C相分闸后，电压、电流同时出现持续时间约为0.883ms的高频震荡过程，根据图3、图4估算震荡频率大于20kHz。该过程所引起的暂态电压幅值比电抗回路本身震荡幅值高得多。电压、电流波形细节图如图3、图4所示：

图3分闸过程中发生重燃时电抗器首端对地电压及电流波形

图4重燃过电压暂态放大图        图5重燃过电流暂态放大图

由图2-5可得到，电压电流波形包含了3部分：

（1）真空断路器开断前，通过电抗器的电流及两端电压均匀系统正常运行值。

（2）真空断路器断开时，由于储能元件（并联电抗器及寄生电容）的存在，储存的能量未能完全释放，造成能量在电感和电容之间的互相转换，从而产生过电压，导致触头间的绝缘击穿，发展成重燃过电压，最高幅值为系统电压的7.116倍。

（3）重燃电弧熄灭后，能量在电感和电容之间转换时，被电路中的电阻消耗，从而形成衰减震荡波。

4 #1站用变处电压幅值测试

对#1站用变开断过程中#1站用变首端对地电压U3进行测量，得出电压暂态峰值与稳态峰值U1的比值如表4所示：

表4  #1站用变开断过程中U3暂态峰值与稳态峰值U1比值

（1）#1站用变处暂态电压峰值达到了其稳态峰值的5.502倍（峰值电压44.568kV），且该最大值与电抗器处最高电压均出现在同一次分闸过程（#6-分）。该型号站用变工频耐受电压为35kV（峰值49.49kV），雷电冲击耐受电压75kV，可见试验过程中#1站用变上产生的电压不超过该站用变的绝缘耐受能力。

（2）其余各次未观察到明显重燃现象的分闸操作在#1站用变处产生的暂态电压与稳态电压比值最高为1.556倍（#4-分，12.141kV）。

4.1 #1站用变处电压电流波形分析

未发生重燃时#1站用变处电压、电流典型波形（以#3-分为例）如图6所示：

当529断路器分闸过程中发生重燃时（#6-分），#1站用变处的电压、电流波形如6图：

图6未发生重燃时#1站用变处电压电流典型波形 图7发生重燃时#1站用变处电压电流波形

图6中Ua、Ub、Uc为#1站用变高压侧三相对地电压。Ia、Ib、Ic为通过#1站用变的三相电流，由图6可得：

（1）不发生重燃时，分闸过程引起的震荡电压波通过母线传播至#1站用变处，造成U3电压波形在工频分量基础上，在首分后5ms内叠加了与电抗震荡频率一致的衰减震荡电压（频率约为2.9kHz）。

（2）分析#1站用变上流过的电流可见，试验期间#1站用变处于空载运行状态，稳态电流幅值极小无法观测，分闸过程中产生了持续时间很短的暂态过程。

对比图6和图7可得：

（1）重燃过程在I2（Ia、Ib、Ic）上产生了持续时间较长、幅值较高的电流暂态过程。

（2）重燃过程引起的电压震荡导致#1站用变处电压除叠加了与电抗震荡频率一致的衰减震荡电压（频率约为2.9kHz）以外，还在分闸起始阶段引起了明显的高幅值、高频率的燃弧过程。

5 总结

1、根据真空断路器的工作原理及实际特性，真空断路器分断熄弧时通过的电流I为断路器截断电流，而此时作为储能元件的电抗器两端存在电压，由于杂散电容及电阻的存在，促使电抗器与电容间发生电压震荡。当震荡电压幅值小于真空断路器触头间的绝缘强度时，所产生的过电压为截流过电压；当震荡电压幅值大于真空断路器触头间的绝缘强度时，真空断路器被击穿，系统电压与震荡电压累加，经过反复断开、击穿后，所产生的过电压为重燃过电压。

2、根据变电站实际运行情况，在实际变电站上搭建现场试验平台，对运用中的10kV真空断路器进行开断，以监测并联电抗器处及站用变处的过电压的幅值和波形。根据分闸过电压监测结果可以得到，分闸过电压会随机出现截流过电压和重燃过电压，且截流过电压出现频率高于重燃过电压的频率。但重燃过电压的幅值却远大于截流过电压幅值。

3、现场试验得到的电抗器处的重燃过电压幅值可达到系统电压的7.116倍（47.458kV），站用变首端过电压为40.79kV，现场试验检测数据为44.56kV。而多次截流过电压幅值最大仅为系统电压的3.593倍，为标准允许值的59.98%。因此，仅需对重燃过电压抑制进行研究。

4、现场试验得到的站用变处的重燃过电压幅值可达到系统电压的5.502倍；而多次截流过电压幅值最大仅为系统电压的1.556倍。

参考文献

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