开断35 kV并联电容器重燃过电压的限制措施

2020-06-03姜建平李猷民王贺磊武守远

机械设计与制造工程 2020年4期

姜建平，李猷民，王贺磊，武守远

(1.国网山东省电力公司检修公司，山东济南 250018)(2.北京中电泰瑞科技有限公司，北京 100096)

超、特高压电网具有输送潮流大、线路充电功率大的特点，但随着运行方式的改变及电力负荷的波动，系统电压常出现较大范围波动。作为重要的无功调节手段，超、特高压变电站一般在变压器的低压侧装设无功补偿装置，即并联电容器和并联电抗器。在断路器合闸投入并联电容器组、电抗器组时，将会产生合闸涌流和过电压；而在断路器分闸时，由于断路器的重燃(包括复燃和重击穿)及电抗器的截流现象，也会产生幅值较高的过电压[1-2]。上述过电压可能造成电容器、电抗器绝缘的击穿，此外在断路器开断过程以及关合中的预击穿过程中，频繁的触头烧蚀会影响其使用寿命，一旦超出寿命范围，将更容易发生重燃现象。

早期用多油断路器对无功补偿装置进行投入、切除操作时，可能造成断路器触头重燃多达六、七次之多；真空断路器在执行此类操作时也存在较为突出的重燃问题[3]。目前大量使用的SF6断路器，长时间使用后其电气性能会有所下降，同样存在重燃的隐患[4-5]。采取有效措施避免断路器发生重燃，限制重燃过电压，对于保护设备安全具有重要意义。

根据相关研究成果可知，对于并联电抗器的截流和重燃过电压问题，可采用避雷器或阻容吸收装置等进行限制[6-9]。与无间隙金属氧化物避雷器(metal oxide surge arresters, MOA)类似的金属氧化物限压器(metal oxide varistor, MOV)，在串联补偿电容的过电压保护方面得到了较多的应用[10]。此外，选相控制技术也广泛应用于无功补偿装置的投入和切除[11-13]，其中在开断并联电容器组时，可通过控制断路器分闸时刻，确保适当的燃弧时间以避免发生重燃现象。但该最佳燃弧时间获取难度较大，且断路器动作精度对其应用效果影响较大。

考虑现有重燃过电压限制措施的优点和不足，本文在分析重燃过电压特性的基础上，研究两种新型过电压限制措施。

1 开断35 kV并联电容器的重燃过电压

在开断电容器组时，如不发生断路器的重燃，则不会形成高幅值的过电压；而当电弧电流过零、电弧自行熄灭后，弧隙如发生重燃，将使电容器上出现较高的过电压。大量文献对该过程进行了详细的阐述[1]，这里仅给出研究结果。分别考虑三相断路器正常开断，以及一相开断后其余一相或两相不能正常开断的情况，经理论分析得到各相最大恢复电压，见表1。

表1 不同情况下断路器恢复电压的最大值

值得注意的是，以上恢复电压的计算仅考虑了发生第一次重燃之前的恢复电压，并未考虑已发生重燃并再次灭弧后的恢复电压。例如三相正常断开后，首先开断相发生重燃，将引起另外两相恢复电压的变化，其中一相将承受较高恢复电压并可能发生重燃，即出现两相同时重燃的情况。类似情况较为复杂，可通过仿真计算进行分析。考虑从某500 kV变电站的35 kV母线切除1组60 MVar的三相电容器组，仿真结果如图1所示。可见，若A相先断开，则在B、C相完成开断后，A相将承受约2 pu的恢复电压，若此时A相发生重击穿，则C相承受的恢复电压将增大至4 pu左右，可能发生两相重击穿；类似的多次重击穿可能引发逐级升高的过电压现象。

图1 三相正常开断、两相重燃过程仿真波形

对于并联电容器投切时的过电压，常用的限制措施为在电容高压端与地之间装设避雷器，此时多次重燃的仿真结果如图2所示，可见电容器承受的过电压可限制在4 pu的标准推荐值以下。然而，该措施对于断路器恢复电压的限制作用不大，为探索更有效的重击穿预防措施，后文针对两种新型限制措施开展研究，包括金属氧化物限压器和电力电子阻尼型限压装置。

2 金属氧化物限压器

与MOA类似， MOV也是利用非线性电阻的限压作用，一方面可直接减轻对设备绝缘的冲击，另一方面也能够限制断路器恢复电压，降低重燃的发生概率。从保护电容器的目标出发，将该限压器并联接于电容器两极之间。研究中，MOV的电压-电流特性(v-i)曲线沿用51 kV避雷器的电流序列，仅根据额定电压对电压序列进行折算。实际上，其电流序列反映的是限压阀片的并联数，其值越大，v-i曲线限压区间的斜率即等效电阻值越小，则限压效果越好，而避雷器能耗也越大。

图2 装设避雷器条件下发生两相重燃的仿真波形

2.1 过电压限制作用分析

设定MOV额定电压为42 kV，仿真分析3次重燃过程，相关波形如图3所示，其中电容器极间最高过电压为3.09 pu，电容器对地最高过电压为3.09 pu；而无限压措施时，最高过电压分别为3.89 pu和3.38 pu，其波形如图2所示。此外，断路器完成开断后，电容器的放电不会造成MOV的能耗持续性增大。在断路器完成开断(即0.536 s)时的能耗值为1 039 kJ，此后在约0.75 s时刻MOV电流衰减至0.1 A以下，相应的能耗值为1 268 kJ，而在约1.3 s时刻MOV电流衰减至1 mA以下，此时的能耗值为1 274 kJ。因此，在选定合适的MOV额定电压时，电容器的放电不会导致MOV能耗超限。

图3 采用MOV(额定电压42 kV)限制过电压仿真波形

2.2 参数设计

在设计MOV参数时，首先需根据系统电压等级和保护设备特点，选择合适的持续运行电压；其次应根据限压要求选择额定电压，这里一方面需合理选取阀片串联数以得到合适的残压值，另一方面需合理选取阀片并联数以增强限压效果；最后应校核其最大允许能耗值。

1)持续运行电压的选取。

由标准GB/T 50227—2017《并联电容器装置设计规范》可知，电容器应能承受1.1倍长期工频过电压，且应计及串联电抗器接入引起电容器运行电压的升高。故电容器UC的运行电压计算公式为[6]：

(1)

式中：US为电容器所连接的母线运行电压，35 kV系统最高运行电压取值40.5 kV；S为电容器每相的串联段数；K为串抗率。根据式(1)计算得到的35 kV电容器极间最高运行电压典型值，其有效值为27.7 kV，峰值为39.2 kV。由于MOV与电容器并联，MOV持续运行电压应不低于电容器持续运行相电压，即27.7 kV。

2)额定电压的选取方法。

MOV额定电压的取值与其1 mA直流参考电压(也称动作电压)相关。为防止正常运行电压下MOV频繁动作，应考虑一定裕度，即将1 mA直流参考电压取值为电容器运行相电压峰值(39.2 kV)的1.4倍，即54.9 kV。因此，对基于51 kV避雷器的1 mA直流参考电压(73 kV)进行折算，得到MOV额定电压的最低取值为39 kV。

3)额定电压及最大允许能耗的获取。

考虑不同额定电压，仿真分析MOV对过电压的抑制作用，并计算相应的能耗，从而确定最优的额定电压及最大允许能耗值。这里给出2～3次重燃条件下的结果，如图4所示，研究中未考虑恢复电压的不同对于重燃发生次数的影响。

由图4可见，两种工况下的过电压限制效果无明显差别，但重燃次数越多，MOV的能耗越大。此外，表2给出了2次重燃过程的过电压及MOV能耗。表中重燃类型A为三相正常开断时两相发生重燃，类型B为一相拒断时单相发生重燃，类型C为两相拒断时单相发生重燃。加粗数值为综合各种重燃情况下的最大过电压及能耗。

如考虑断路器发生2次以内的重燃，采用表中所列额定电压的MOV，均可将电容器的相对地和极间过电压限制在4 pu以内；采用额定电压低于36 kV的MOV，可将电容器的相对地和极间过电压限制在3 pu以内，恢复电压限制在5.55 pu以内；采用额定电压高于33 kV的MOV，计算的最大能耗可限制在1.4 MJ以内。

图4 不同MOV额定电压下的重燃过电压

3 电力电子阻尼限压器

这里提出的电力电子阻尼限压器(简称阻尼限压器)，同样是并联接于电容器两极间，其主要原理是在断路器分闸后，利用该并联支路对电容器进行快速放电，从而限制电容器过电压及断路器恢复电压，降低重燃的发生概率。其基本拓扑结构如图5所示，由于电力电子器件工作于低电压等级，需采用变压器进行连接；其二次侧为阻尼回路，包含阻尼电阻R1、阻尼电感L1(非必需)。正常运行时其二次侧开路；而在开断并联电容器组时，触发晶闸管导通，将阻尼回路接入电容器两端，对其进行快速放电。为提高放电速度，需采用低漏抗率的变压器，在电抗值不足时再考虑增加阻尼电感L1。该限压器在正常运行时功耗很小，阻尼回路仅需要较小的容量，即可实现限制重燃过电压的作用。

表2 不同额定电压MOV的限压效果及能耗对比

图5 电力电子阻尼限压器的拓扑示意图

3.1 过电压限制作用分析

首先仿真分析阻尼限压器对重燃过电压的限制作用。限压器的变压器容量为3 MVA，变比为28∶1，漏抗率为6%，阻尼电阻取值为0.013 Ω，未考虑增加阻尼电感。假定发生3次重燃现象，仿真结果如图6所示。其中电容器极间最高过电压为1.29 pu，电容器对地最高过电压为1.40 pu；而不采用限压措施时最高过电压分别为3.89 pu和3.38 pu。实际上在该限压器作用下，发生后续2次重燃的概率很小。