开断并联电抗器过电压机理分析及应对措施

王驰宇，方 圆，秦 天，孟 毅

（1.国网湖北省电力有限公司武汉供电公司，湖北 武汉 430019；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

随着电力系统的发展，以及线路电缆化率的提高，电力系统在负荷低谷期间对感性无功补偿的需求在不断增大［1-4］。并联电抗器作为电力系统中的感性无功补偿装置，在维持系统稳定性、优化系统经济效益和提高线路输电容量等方面起到了积极作用［5-9］。因此在典型变电站设计规划中，通常在主变35 kV侧或10 kV侧安装并联电抗器来改善线路上的功率因素，提高运行电压质量［10-12］。

在真空断路器断开并联电抗器时，极易在电抗器侧和母线侧产生过电压，可能引发电抗器烧毁、开关柜爆炸、母线绝缘击穿等事故［13-19］。本文通过一起实际故障案例分析、理论分析以及仿真模拟提出避免此类故障的应对措施，为今后并联电抗器设备安装及改造设计提供参考。

1 故障情况简述

2021年4月27日，某220 kV变电站1号主变差动保护动作，1号主变110 kV侧开关、35 kV侧开关跳闸（根据现场运行方式，1号主变220 kV侧开关为检修状态），同一时刻该变电站1号电抗器断路器有分闸记录。

1号主变纵差比率差动保护动作，保护动作差流为2.83Ie，制动电流为1.27Ie，根据计算公式，保护差动电流在制动电流折线上方，满足动作条件，动作时间12 ms，保护动作正确。

现场对1号主变35 kV侧设备逐一进行了外观检查。检查发现，主变低压侧进线柜至主变低压侧母线桥母排A、B、C相及柜体有明显放电痕迹。1号电抗器避雷器计数器现场检查累计动作次数分别为4、3、4次，本次故障中A、C相各动作1次。

1号主变中压侧和低压侧电压波形见图1，中压侧电流波形见图2。由于故障点位于主变与主变低压测电流互感器之间，因此故障录波器未采集到低压侧故障电流波形。

图1 主变故录中压侧及低压侧母线电压波形Fig.1 Main transformer fault recording medium and low voltage side bus voltage waveform

图2 主变故录中压侧电流波形Fig.2 Fault recording of medium voltage side current waveform of main transformer

综合保护动作报告和故障录波信息，分析判断1号主变低压侧首先发生AB相间短路（此时A、B相电压瞬时值基本相等），持续约10 ms；之后，由AB相间短路发展为A、B相接地短路（此时A、B相电压为0），持续约7.5 ms；最后，发展为三相接地短路，直至低压侧开关跳闸，持续约37.5 ms。短路故障整体时间持续为55 ms，最大短路电流10.1 kA。

通过上述分析可以看出，故障录波与现场发现的故障点以及放电形式基本吻合，保护动作逻辑及时序正确，但是从电压波形上未能发现明显的过电压录波，该现象可能是由于开断电抗器过程中产生的过电压频率较高，录波装置无法正确采样导致的，接下来将通过理论分析以及仿真模拟的手段对故障引发的过程以及原因进行分析。

2 过电压产生机理分析

真空断路器在开断感性负载时，电网状态的变化导致系统内部电容和电感间的电磁能量相互转换，造成振荡，产生操作过电压。当电弧电流小，断路器灭弧能力强，强制熄弧时，则会产生截流过电压。同时真空断路器开断过程中，触头两端的恢复电压为母线侧工频电压和负载侧高频振荡电压叠加形成，若断路器介质动态绝缘强度不足会导致断路器再次击穿，上述过程在开断过程中反复发生，多次电弧重燃会造成电压级升，会在断路器触头两端叠加产生极高的恢复过电压，即重燃过电压［20-24］。

2.1 截流过电压

根据实际情况简化等值电路如图3。

图3 断路器开断电感电路的等值电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of circuit breaker breaking inductance circuit

图3中，e为系统电源，Cs为母线上其它线路对地等效电容，Lt为电抗器间隔的负载电感，Ct为电抗器间隔的负载电容，QF为电抗器间隔的真空断路器。设截流值为I0，则当截流发生时，电抗器侧产生的截流过电压UL为：

由式（1）可以推导该情况下截流过电压最高值为：

震荡频率为：

通过以上分析可以得出以下结论：

1）截流值越大，截流过电压则越高，越容易导致断路器触头间的击穿重燃。

2）由于在该模型中Ct远小于Lt，因此根据截流值的大小，可以产生数倍于额定电压的截流过电压。

3）截流过电压具有高幅值、高频率、极陡的特点。通过式（2）可知，高截流值、小杂散电容会产出高截流电压，因此降低断路器截流值可以作为降低截流过电压的技术手段。

2.2 重燃过电压

真空断路器在进行开断动作时，若断口处绝缘强度回复能力低于断口处工频额定电压与截流过电压的电压差，就会在断口处发生击穿造成电弧重燃，此时QF相当于闭合状态，电路中Lt，Ct，Cs构成震荡电路，在母线侧产生过电压。

通过以上分析可以得出以下结论：

1）相对于截流过电压而言，重燃过电压的频率更高、陡度更大，且会造成母线侧过电压，具有更大的危害性。

2）通过式（1）可知，若该母线上出线间隔较多，线路对地等效电容Cs较大时，对于过电压会起到明显的抑制作用。

3）难以持续燃弧的小电流回路在开断过程中易发生多次重燃，形成多次重燃过电压，对回路中的电力设备带来极大的危害。

3 仿真分析

3.1 仿真目的

计算1号电抗器开关由运行转热备用过程中的母线侧过电压，需考虑真空断路器电弧重燃的情况［25-27］。

3.2 计算条件

本次仿真计算范围如图4所示，1号电抗器断路器在分闸过程中，考虑截流过电压与因电弧重燃而导致的重燃弧过电压情况下，1号电抗器侧的过电压与母线侧相间过电压。

图4 建模区域示意图Fig.4 Schematic diagram of modeling area

相间过电压计算基准值Uref=57.28 kV，其中Um为35 kV系统最高相间电压40.5 kV。

计算初态时（即t=0 s时），1号主变主变带电，1号电抗器断路器闭合。为计算最大可能的过电压，设置1号电抗器断路器动作时间t=0.15 s-0.25 s这半个周期内取多个时间点，计算各点对应的过电压，并取其最大值。

3.3 设备参数

模型中包含1号电抗器、断路器、二者之间的电缆3个设备，计算中所需参数如下。

3.3.1 电抗器

电抗器参数为：额定电压37.5 kV；额定电抗142.05Ω；额定电感452.0 mH；额定电流154 A；额定容量10 000 kVar；额定损耗8.5 kW。

3.3.2 断路器

断路器参数为：合闸时间52.96～53.54 ms，分闸时间22.48～22.74 ms。

3.3.3 电抗器电力电缆

电抗器电力电缆型号为YJV22-26/35 3*120，额定电压40.5 kV，长度135 m，绝缘介质交联聚乙烯（相对介电常数2.5）。

3.4 计算模型

计算模型如图5所示，采用Simulink软件建模。其中，1号电抗器、断路器、电缆参数如上节所示。

图5 重燃弧计算模型图Fig.5 Calculation model diagram of reburning arc

重燃弧过电压计算方式为：对于计算断路器分闸过程中的每个时刻，比较断路器断口间的绝缘恢复强度是否小于此时断口两侧电压瞬时值，若小于则认为断口处电弧重燃。

3.5 仿真结果

根据仿真计算结果，在本次切除电抗器过程中，母线侧的相间最大过电压值在t=20.0 ms时取得。绘制出该种情况下的波形图如图6所示。其中，图6上图为1号电抗器侧的相间过电压波形，最大瞬态电压255.24 kV，过电压4.47 p.u.；图6下图为母线侧的相间过电压波形，最大瞬态电压253.80 kV，过电压4.43 p.u.。

图6 过电压仿真计算结果Fig.6 Overvoltage simulation results

另外，电弧重燃时间从21.7 ms到30.6 ms，持续约8.9 ms。

4 故障原因分析

真空断路器切并联电抗器出现重燃时，最易出现首开相重燃过电压，其产生的高频暂态电流在三相间的耦合作用明显，暂态电流同时叠加在后两相工频电流上，可能引起非首开相出现暂态高频过零点，进而出现等效截流过电压。由于后两相负载电流大小相等、方向相反，引起的等效截流过电压极性也相反，不但会出现严重的相对地过电压，同时会出现严重的相间过电压。

根据仿真计算结果，在当时现场运行条件下切除电抗器过程中，真空断路器发生重燃，母线侧最大重燃过电压可达253.80 kV，1号主变低压侧母线桥柜内B相母排存在裸露金属孔、金属凸起和毛刺，此处首先与临近的A相母排发生相间短路，逐渐发展为A、B相对地短路，最后发展为三相对地短路。

5 应对措施分析

真空断路器切空母线上的并联电抗器时，出现重燃的概率很高，过电压的最大值可达4.43 p.u.，已超过规程允许值，运行风险极高，应进行改造。带总长度25 km以上出线的母线，由于线路对地等效电容对过电压的抑制作用，风险有所降低，但仍需及时关注避雷器动作情况［28-30］。相应的改造策略建议如下。

5.1 采用相控断路器开断并抗

相控断路器通过引入一个合适的燃弧时间窗口，使得断路器的触头在电流过零点前提前分离，分离后持续燃弧，至电流过零点处熄弧，此时动静触头已经有一定开距，重击穿概率减小。

对于中性点不接地系统，采用第一相先分闸，然后控制另外两相同时分闸的策略。目标分闸角度在首分闸相电流过零处，以及另外两相的线电流的过零点（首分相电流过零之后5 ms处）。目标角度均以UA为参考基准，电感的电压超前电流90°，所以目标分闸角度设定为90°、180°、180°，三相的燃弧时间均设置为6～8 ms。

5.2 采用中性点断路器开断并抗

该方式（如图7）对母线侧过电压的抑制效果最为明显，也无明显的截流或重燃现象，但在开断时会在电抗器中性点产生较高的振荡过电压，对电抗器匝间绝缘有较大危害，因此需在电抗器中性点断路器前加装一组避雷器。

图7 采用中性点断路器开断并抗的接线方式图Fig.7 Wiring diagram of shunt reactor with neutral point circuit breaker

同时也应该注意新增一组中性点断路器后，电抗器投入、退出操作的顺序以及电抗器母线侧断路器保护动作顺序逻辑。在电抗器投入时应先合中性点断路器再合母线侧断路器；在电抗器退出时应先分中性点断路器再分母线侧断路器；在母线侧断路器保护动作时应先跳中性点断路器，再跳母线侧断路器。

6 结语

综上分析，开断并联电抗器所产生的过电压是具有治理手段的。随着电网的发展、电缆化率的提高，负荷低谷时期系统感性无功的需求也在增大。在变电站规划设计阶段，配置应用并联电抗器的同时，也必须根据实际情况合理选择应对过电压的措施，最大限度地保障电网安全稳定运行。