干式空心并联电抗器开断过程中复燃过电压研究

田　平，沈弋戈，陈杰辰，杨　帆，巫炜亮，陈　炯

(1. 国网福建省电力有限公司三明供电公司，福建 三明　365200；2.上海电力学院 电气工程学院，上海　200090)

基于真空断路器在开断感性负载时的优越性能，我国在35 kV电网系统中常用其来开断并联电抗器组。但近10年来，电抗器异常及故障时有发生，其中大多数为绕组间匝间绝缘击穿故障。为探究35 kV系统中真空断路器开断并联电抗器时对其匝间绝缘产生的破坏。结合上海某变电站电气主接线图，在理论和计算的基础上从真空断路器的工作原理和开断过程中产生的复燃过电压的幅值及频率分析其对电抗器的匝间绝缘产生的影响。

1　复燃过电压产生机理

1.1　真空断路器及其工作原理

真空断路器在用来投切并联电抗器组时(开断感性负载)，容易产生三种过电压：操作过电压，即截流过电压、复燃过电压以及三相同时开断过电压。工作过程中当触头分离，电极之间场强很大，不会立刻实现开断功能而是伴随着产生电弧。在电极刚刚进行分离的瞬间，电流会收缩到触头刚刚分离的某一点或者某几点上，导致电极间的电阻值快速上升、温度快速升高，直至电极金属的蒸发，同时形成极高的电场强度，因此容易引起电子发射和间隙的击穿，形成真空电弧。真空中的电弧与空气等其他介质当中的电弧，在表现形式和特性上有本质上的不同，主要依靠电极不断地产生金属蒸汽来维持。真空电弧的熄灭唯一的办法就是将电弧电流减小到一定程度后，其不再足以维持电弧持续燃烧才有可能将其熄灭。对于交流电来说，每周期真空电弧都会出现自然过零点，这提供了熄灭电弧的重要条件。

1.2　复燃过电压的形成

断路器在开断过程中，触头间会产生频率高，上升速度快的暂态恢复电压(TRV)，若断口处的绝缘强度恢复能力小于TRV时，则断口处就会发生重燃，引起复燃过电压。

为分析复燃过电压产生机理，用单相集中参数的分闸空载线路简化等值电路来分析(见图1)。

图1　分闸空载线路等值电路图

图1中，Ls表示电源等值电感，Lt表示输电线路等值电感，QF表示真空断路器，Ct表示线路对地电容。

设电源AC为e(t)=Emcos(wt)，在断路器断开之前，UCt(t)=e(t)，假设第一次熄弧发生在工频电压最大时即工频电容电流过零点，假设此时时间为t1，如图2所示。若不考虑运行过程中电场能量的损失和泄露，半个周期后，UCt依然保留为Em，则断路器触头间电压为：

Ur(t)=e(t)-Em=Em(cos(wt)-1)

(1)

e(t)=-Em，此时，触头间恢复电压Ur(t)幅值达到2Em。假设在t2时刻，若触头间的绝缘恢复强度上升速度没有恢复电压高，则会造成电弧第二次重燃，相当于反极性重合闸。当电路对地电容上电压从Em过度到-Em时，会产生高频振动，此时电容电压幅值将达到3Em。假设在t3时刻，高频电流过零点时，回路震荡频率：

(2)

大于工频电容电流第一次过零时熄弧，则Uc(t)保持在-3Em，再经过半个工频周期后，电源电动势再次达到最大值，若此时绝缘恢复强度上升速度依旧不够，将再次发生重燃，触头间电压Ur(t)达到4Em，产生幅值更高的振荡，线路电容电压将UCt达到5Em。依次类推，每半个工频周期后电弧都会重燃一次，抬高线路过电压，直至触头间绝缘强度恢复的足够高，超过恢复电压上升速度，电弧不再重燃，完成开断过程。

这些分析仅为理想过程，实际情况中将会受到一系列复杂因素的影响，切除空载线路的过电压也不会无限增大。

图2　分闸空载线路过电压发展过程

2　复燃过电压的等值电路

2.1　单相等值电路

在计算由真空断路器分闸引起干式空心并联电抗器过电压时，断路器切断电抗器等值电路如图3所示。图3中：Vs为母线电压源，Ls为母线侧引线电感，Cs为母线侧等效电容，Rs为母线侧等效阻尼电阻，K为断路器开关，Lp为断路器开断后等效电感，Cp为断路器开断后等效电容，Lw为电抗器侧引线电感，CL为电抗器等效对地电容，L为电抗器电感，RL为电抗器并联等效电阻。

图3　切断单相电抗器等值电路

假设在t=0时刻工频电流过零点开断断路器，发生重燃。此时，母线侧电容Cs、母线侧电阻Rs、电抗器侧引线电感Lw和电抗器等效对地电容CL构成振荡回路，形成复燃过电压。系统一般满足Cs>U0>CL，可以认为复燃过程Cs上的电压保持U0不变。

此时，回路电压方程为：

(3)

解二阶非齐次微分方程式(2)得：

u=U0±exp(-δt)[C1cosωt+C2sinωt]

(4)

将t=0时，I0=0，设此时断路器上击穿电压为Ur，将这两个初值条件代入式(4)，解得：

u=U0±exp(-δt)Urcosωt

(5)

断路器的击穿电压与其重燃次数相关，而不同型号的断路器的在实际开端过程中的重燃次数其高频电流熄弧能力、瞬态电压上升率和开断速度相关，因此不做相关数值计算。

2.2　三相等值电路

为讨论不同情况下产生的复燃过电压对电抗器匝间绝缘造成的影响，根据上海某变电站实际电气主接线图进行分析。具体电路图如图4所示。图4中：Cs为母线侧等效电容，Rs为母线侧等效阻尼电阻，Lw为电抗器侧引线电感，Cz为电抗器等效对地电容，L为电抗器电感，RL为电抗器并联等效电阻。

图4　三相产生复燃过电压的高频等值电路

对于三相电路来说，复燃过电压可大致分为三个过程：工频电流首先过零相的复燃、非工频电流过零相的强制熄弧复燃以及三相多次复燃。

非工频电流过零相的强制熄弧复燃过电压的产生主要是由于三相电缆相间存在耦合效应，因此当首开相发生复燃后，产生的高频电流会引起其余两相也感应出高频电流，并叠加在工频之上。若感应电流足够大，由于真空断路器的高频灭弧能力，电流会被强制开断，相比首开相来说产生幅值更高的过电压。

由于开断过程中触头间距不断增大，因此每次复燃时对应的击穿电压也不断增大，复燃时产生的高频电流也随之增大，由于三相电露的耦合作用，工频电流过零相发生复燃时，其余两相也极有可能发生复燃。而断路器触头间的击穿电压具有一定的随机性和分散性，因此各相发生复燃的时间各不相同，具有一定的独立性，整个复燃过程中，三相之间相互耦合抬高过电压幅值，却在复燃时刻上相对独立。

3　复燃过电压的数值计算

经过调研得知上海某变电站使用电抗器型号为BKDGKL-10000/35，其电感量L为0.2 H，纵向电容Cz为100 pF，并联电阻RL为500 kΩ，电抗器侧引线电感Lw为10 μH，母线侧等效电阻Rs为10 Ω。假设A相工频电流过零点时操作断路器，复燃首先发生在A相。

3.1　工频电流过零相

国家标准GB 311.1《高压输变电设备的绝缘配合》中指出：对10 kV和35 kV的设备的外绝缘干状态下短时工频耐受电压的值分别提高到42 kV和95 kV。但这并不意味着对外绝缘的要求或绝缘水平提高，在此电压范围内，绝缘水平主要是由雷电冲击耐受电压决定的。因此，取电弧首次复燃的击穿电压为95 kV。根据式(5)得出初始电压为U0+Ur首开相的首次复燃过电压波形见图5。

图5　首开相复燃过电压波形

其过电压幅值为144 497 V，大约为3(标么值)。出现在t=0时刻，及首开相工频电流过零点时刻。若其初始电压为U0-Ur，波形类似，幅值相同，再此不再作图。

3.2　非工频电流过零相强制熄弧

在A相发生复燃后，计算因耦合效应在B、C两相上产生的高频电流。

(6)

式中ik——电容Czk复燃产生的高频电流，k=A、B、C。

根据式(5)、式(6)计算得到：

iA=-10-10[47 500 000 000e-δtcosωt+

3 003 788 185 000e-δtsinωt]

(7)

当t=0时刻，相当于在原有截留值的基础上叠加产生的高频电流4.75 A。设原有的截留值I0=10 A，根据三相电路之间的相位关系。B、C两相因耦合效应叠加在原有截留值的感应高频电流大小相同，方向相反，分别为±4.75 A。

根据截留过电压式(8)：

(8)

将I0=10+4.75=14.75(A)代入式(8)，画出B相过电压波形图如图6所示，图中时间出现负数仅表示断路器开断过程前为正常工况。

图6　B相电抗器上产生的高频过电压

放大高频部分后如图7所示。

图7　放大后波形图

当δ1=ω1时，出现最大值对应的时间及最大值为

(9)

(10)

幅值可达到650 346 V，为13(标么值)。这无疑给电抗器的匝间绝缘造成更大的破坏。

3.3　三相多次复燃

为计算最大过电压值，假设首开相A相发生复燃后，B相也发生复燃，C相通过中性点耦合从而产生幅值更高的复燃过电压，计算过程同3.2，本文再此不做赘述。

计算出的C相因耦合效应产生的高频电流为8.3 A，根据式(8)，计算出该工况下产生的过电压幅值为819 896 V，为16.6(标么值)。这说明在三相均产生复燃的情况下，给设备的绝缘造成更大的危害。

4　结语

计算结果表明，单相模型下，复燃初始电压幅值仅与断路器击穿电压有关，三相模型下，复燃电压的幅值与断路器截留值，电抗器电感量与对地电容有关。

将断路器复燃产生的过电压分为三类，其幅值分别为3.0(标么值)，13.0(标么值)，16.6(标么值)。应尽量避免三相同时复燃给电抗器匝间绝缘水平造成巨大破坏。

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