真空断路器投切35 kV电抗器相关问题研究

夏红光，陆丹丹

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江舟山316021）

真空断路器投切35 kV电抗器相关问题研究

夏红光，陆丹丹

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江舟山316021）

35 kV真空断路器投切电抗器时可能会产生较高的操作过电压进而引发故障，浙江省电力公司目前采取了多项措施来治理投切并联电抗器引起的操作过电压。基于真空断路器投切并联电抗器过程中截流、复燃、三相同时开断过电压产生的原理，针对所采取的治理措施展开计算和分析，从电路理论角度阐述各项措施的有效性。

真空断路器；并联电抗器；操作过电压；电路理论

0 引言

随着110 kV及220 kV电力电缆的广泛应用，线路产生大量的容性功率，主变压器（以下简称主变）低压侧需配置电抗器进行补偿。真空断路器由于其可靠性高、结构简单、免维护、灭弧能力强和适宜频繁操作等优异性能，在电网中得到了广泛应用。但在实际运行中，高压真空断路器也存在一些不足，如在开断电抗器等感性负载时，可能会产生截流过电压、多次重燃过电压及三相同时开断过电压。2010年以来，浙江电网发生多起空母线开断35 kV并联电抗器引起所用变压器（以下简称所用变）损毁、主变出口短路等故障，严重影响了系统安全运行，尤其是在空母线开断并联电抗器时母线侧过电压问题显得更为突出。针对真空断路器投切35 kV电抗器易出现操作过电压的问题，浙江省电力公司采取了中性点断路器投切、断路器前置投切等多种措施，并取得了较好效果。但此类研究主要是基于ATPEMTP软件的计算结果及研究者的经验展开的，以下基于电路理论，对操作过电压产生的机理进行分析，并通过计算值更加直观地阐述各项具体治理措施的有效性。

1 真空断路器投切电抗器产生的过电压分析

真空断路器投切电抗器时可能会产生截流过电压、多次重燃过电压及三相同时开断过电压。

（1）截流过电压。

因真空断路器灭弧能力强，真空断路器在开断电抗器时，电流会被强迫过零而产生截流。并联电抗器等效回路由电容、电感组成，电压电流无法突变，因此截流可能会引起剧烈的电磁振荡，进而产生较高的截流过电压。

（2）重燃过电压。

在断路器分闸时，断路器触头未完全开断，动、静触头之间距离不大，而断路器负载侧电压幅值和振荡频率很高，导致触头两端电压恢复速度远超过断口绝缘强度恢复速度，触头可能被击穿，导致电弧复燃。又由于真空断路器强大的灭弧能力，复燃的电弧被强制灭弧，导致断路器电弧不断复燃—熄灭，由于电压级升效应，强度可能会不断增强，直至触头间的距离足够大，足以耐受恢复电压为止。

（3）三相同时开断过电压。

断路器开始分闸后，其中一相电压会首先过零而出现熄弧，称为断路器首开相。但是当首开相出现截流过电压甚至多次重燃过电压时，首开相的高频电流会叠加在另外两相的工频电流上，使工频电流在非自然过零点出现一个高频过零点，被强制熄弧，造成了与截流效果相同的过电压。此时的等效截流值很大，三相几乎同时开断，称为三相同时开断过电压。据研究，35 kV并联电抗器开断过程中的等效截流值能达到100 A以上，产生极大的等效截流过电压，进而引起三相断口的连续击穿。

2 计算分析

研究表明，目前三相同时开断过电压是真空断路器开断35 kV并联电抗器最常见、最严重的过电压形式。而无论断路器开断时有否发生截流，首开相都会因为触头两端恢复电压上升速度超过断口绝缘强度恢复速度而复燃，随后首开相高频电流叠加在另两相工频电流上，被强制熄弧，造成了与截流效果相同的三相同时开断过电压。

浙江省电力公司已采取多项措施来防止并联电抗器投切引起的操作过电压，包括：35 kV系统带出线投切电抗器、断路器前置投切电抗器、中性点加装断路器投切电抗器。以下结合各项措施的原理并基于变电站实际数据进行计算分析，来验证措施的有效性。

2.1 变电站基本情况

某220 kV变电站有主变2台，主变容量为2× 240 MVA，35 kV侧装有2×10 Mvar电抗器，35 kV母线无系统出线。220 kV变电站接线示意见图1，并联电抗器等值回路见图2。根据变电站提供的母线长度及尺寸，估算得到35 kV母线对地电容为500 pF，所用变与开关采用电缆连接，长度约20 m，估算得到对地电容为4 000 pF。考虑部分设备间的其他连接，如主变至开关室母排15 m，估算对地总电容约200 pF，再考虑其他一些杂散电容后，35 kV母线对地总等效电容值为5 300 pF。电抗器每相电感Lk约0.4 H，油浸式电抗器对地杂散电容取1 000 pF。电抗器与开关之间采用电缆连接，长度约60 m，电缆单相对地电容为12 000 pF，考虑到电容均匀分布，Cl0=Cl1=6 000 pF；电感为24 μH，忽略不计。

图1 某220 kV变电站接线示意

图2 并联电抗器等值回路

2.2 空母线投切电抗器操作过电压产生机理分析

真空断路器的灭弧能力很强，当断路器开断电抗器时，不是在自然过零点熄弧，而在某一小电流值时强制截断熄弧。由于电抗器回路绕组对地的杂散电容，电抗器回路组成了一个电感、电容回路，回路电压电流无法突变，因此产生了高频的电磁振荡。

根据能量守恒定律，截流发生在某一瞬时I0时，电抗器上的电压为U0，则截流瞬间电抗器的总储能W为：

式中：LT为电抗器回路电感；CT为电抗器回路对地电容。

按能量守恒定律，当磁能全部转化为静电电能时，电抗器上的电压将达到最大值UTm，因此由截流引起的电抗器上的过电压为：

振荡频率为∶

空母线并联电抗器等值回路见图3。一般真空断路器截流电流在5 A左右，断路器开断后，在断路器负载侧发生电磁振荡，此时，负载侧电容为电抗器与断路器之间的连接电缆及电抗器对地杂散电容之和，即CT=Cl0+Cl1+Ck=13 000 pF，U0=37 kV，LT=0.4 H。若真空断路器发生截流，I0= 5 A，根据式（2）和（3），计算得到UTm=46 kV，f0= 2 200 Hz；若真空断路器未发生截流，I0=0，则UTm=37 kV，f0=2 200 Hz。根据研究，无论是否发生截流，首开相都会复燃。首开相复燃后，负载侧与系统侧连通，此时振荡电容CT1为系统侧和负载侧电容之和，即CT1=CT+Cm=18 300 pF，LT1=LT，假设电流为0不突变，则首开相复燃后，母线振荡电压、振荡频率分别为：

图3 35kV空母线投切并联电抗器等值回路

计算结果显示，此时振荡引起的电压很高，断路器端口电压能达到击穿绝缘水平的要求，而振荡频率又不是很大，达不到断路器开断失败的条件，因此容易发生截流复燃再截流再复燃的现象，首开相的高频电流会叠加在另外两相的工频电流上，造成了虚拟截流现象，最后发展为三相同时开断的极端情况。

2.335 kV母线带系统出线

若35 kV母线有出线，架空线路10 km，电缆线路3 km，线路电容CL约600 000 pF，LL为线路电感。35 kV母线带系统出线并联电抗器等值回路见图4。

图4 35kV母线带系统出线投切并联电抗器等值回路

首开相复燃后，回路电容为CT1=CT+Cm+CL= 613 000 pF，振荡电容增大，振荡电压UTm1=，电压下降，振荡频率f=3210Hz。而事实上，由于系统出线的电感与电抗器电感并联后，并联电感整个振荡回路电感将更小，因此实际产生的振荡电压为UTm2=其值小于6.5 kV。

计算结果显示，在系统有出线的情况下，特别是系统出线有电缆的情况下，首开相复燃后，由于系统侧的电容很大，振荡引起的电压立刻下降，振荡频率下降，不会引起严重的操作过电压。

2.4 断路器前置投切并联电抗器

采用断路器前置投切（等值回路见图5），即CT=Ck=1 000 pF，LT=LK=0.4 H，经计算UTm=105 kV，f0=7 961 Hz。此时回路振荡电压幅值和频率都很高，而断路器开断电流需要同时满足2个条件：断口电压幅值大于断口绝缘承受能力；电流过零时电流变化率不能超过一定幅值。此时由于电容很小，引起断口电压幅值很高，且振荡频率很高，因而容易造成断路器开断失败，断路器开断失败转为续流后，过电压将立即消失。

图5 断路器前置投切并联电抗器等值回路

计算结果表明，采用断路器前置投切，减少断路器负载侧的电容，电容减小到一定程度，则振荡频率变得很大，断口电压幅值很高，因此断路器将无法满足开断条件，断路器开断失败转为续流，过电压立即消失。

2.5 中性点断路器投切并联电抗器

中性点侧装设断路器，采用中性点断路器投切并联电抗器等值回路见图6。此时负载侧回路被断开，不再发生电磁振荡，因此也无法产生操作过电压。中性点断路器系统侧由于电容很大，电感很小，产生的振荡电压也不会很大。

图6 中性点断路器投切并联电抗器等值回路

计算结果表明，加装中性点断路器后，采用中性点断路器投切并联电抗器，振荡回路断开，无法再发生电磁振荡，因此不会再产生严重的操作过电压问题。

3 结论

针对治理并联电抗器投切引起操作过电压的各种措施，结合操作过电压产生机理及基于变电站实际数据进行计算分析，得出如下结论：

（1）结合空母线投切电抗器产生操作过电压的原因，无论是否发生截流，由于断路器触头两端恢复电压上升速度远超过断口绝缘强度恢复速度，因此断路器首开相会发生复燃。复燃发生后，由于整个振荡回路的电容不大，因此电压很高，断路器端口电压能达到击穿绝缘水平的要求，而振荡频率又不是很大，达不到断路器开断失败的条件，因此容易发生截流复燃再截流再复燃的现象，最后发展为三相同时开断的极端情况。

（2）35 kV母线带系统出线投切并联电抗器不会发生严重的操作过电压问题。若35 kV母线有系统出线，特别是带电缆出线，则断路器系统侧的电容很大，首开相复燃后，整个振荡回路的电容很大，振荡引起的操作过电压立即下降，将不会再引起严重的操作过电压。

（3）采用断路器前置投切并联电抗器的原理是直接降低了断路器负载侧电容，使得振荡频率很高，振荡电压很高，使其无法满足断路器开断的条件，断路器开断失败，直接转为续流，因此操作过电压消失。

（4）断路器中性点投切，直接将负载侧的振荡回路断开，无法产生振荡回路，因此将无法产生操作过电压。

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（本文编辑：方明霞）

下期要目

●600 MW超临界机组锅炉宽负荷脱硝技术的探索及实践

●1 900 t/h锅炉掺烧低水澳优煤的可行性研究

●智能变电站继电保护SV及GOOSE输入自动测试方法

●中性点不接地系统电容电流测试方法优选研究

●±800 kV特高压输电线路耐张线夹未压区鼓胀缺陷分析

●振动监测方法在特高压电抗器缺陷分析中的应用

●600 MW超临界机组干态深度调峰能力试验研究

●基于动调典型安装方式的炉膛负压控制优化

●基于先进控制的燃煤机组超低排放指标优化控制技术

●超低排放改造后CEMS测量准确性的提高

Study on Vacuum Circuit Breakers Switching with 35 kV Reactors

XIA Hongguang，LU Dandan
(State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 326021，China)

Due to faults from frequently occurred overvoltage caused by operation of vacuum circuit breaker switching with reactors，many countermeasures have been taken in Zhejiang Electric Power Company to control switching overvoltage owing to vacuum circuit breakers switching with shunt reactors.Based on the principle of overvoltage generation from current chopping，reignition and simultaneous three-phase switching-off during vacuum circuit breaker switching with shunt reactors，the paper conducts calculation and analysis in accordance to the adopted countermeasures and elaborates on the effectiveness of all measures on the basis of electric circuit theory.

vacuum circuit breaker；shunt reactor；switching overvoltage；circuit theory

10.19585/j.zjdl.201706006

1007-1881（2017）06-0026-04

TM472

B

2017-01-20

夏红光（1971），男，高级工程师，主要从事电网建设、规划等方面研究工作。