真空断路器预击穿特性对选相关合电容器组抑制涌流的影响*

彭 晶, 邓云坤, 王 科, 黄金财, 耿 云, 闫 静

(1.云南电网有限责任公司 电力科学研究院, 云南 昆明 650217;2.西安交通大学 电力设备与电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049)

0 引 言

电力系统为即时平衡系统,因容性负载与感性负载的存在,大量的无功功率会产生于系统运行过程中,而无功功率会使得系统电压发生偏离,产生损耗,为保证电力系统正常运行,必须进行无功功率补偿[1]。根据电力系统运行经验,每发出1 kW 的有功功率,需要有1.2～1.4 kvar 的无功功率才能维持电力系统的正常工作电压[2-3]。投切电容器组是产生无功功率简便经济的方法,广泛应用于10 kV、35 kV 和63 kV 电压等级的电力系统中。在电力系统运行过程中,因电网负载情况波动频繁,为提高电网功率因数、减少谐波、稳定电压和降低供配电的线路损耗,电容器组将会被频繁地投入和切除。

真空断路器具有以下4个优良特性[4-5]:① 具有上万次的机械动作寿命;② 真空灭弧室作为核心部件,其运行过程中触头无需维护;③ 真空灭弧室受环境变化影响小;④ 真空断路器本身不会引发火灾与爆炸,对环境无任何污染。因此,真空断路器特别适合于电力系统中的无功补偿领域。然而在实验研究和电力系统实际运行情况中发现,真空断路器投切电容器组时,尤其为背靠背电容器组,会出现较高概率的重击穿现象,并且随着无功补偿系统电压等级的提高,真空断路器容性电流开断弧后重击穿概率有明显上升的趋势[6]。在真空断路器关/合电容器组过程中,尤其背靠背电容器组,会产生幅值较高的高频涌流,其预击穿电弧会局部烧蚀加热触头表面,使得动静触头闭合时发生熔焊[7]。同时高频涌流的引入,会在电容器组两端产生过电压,若不加以抑制,有击穿损坏电容器组的危险[8-9]。紧接着在真空断路器分闸过程中,当动静触头打开时熔焊区域会被拉开并发生破裂,最终在触头表面形成突起,从而降低真空断路器的绝缘强度,而开断时几百安的工频电流只会局部老炼清除这些绝缘弱点。当容性开断电流过零后,真空断路器动静触头两端会承受含有直流分量的容性恢复电压,开断单相电容器组或三相负载中性点接地电容器组时恢复电压峰值会达到2 倍系统电压幅值,开断三相负载中性点不接地电容器组时首开极恢复电压峰值会达到2.5 倍系统电压幅值。在该恢复电压的作用下,真空断路器可能会发生重击穿现象,而且重击穿甚至在开断电流过零百毫秒后仍会发生,即延时重击穿现象[10]。

选相控制真空断路器是关/合电容器组时减小涌流的有效措施。为了限制合闸过程中的涌流和过电压幅值,每相的最佳合闸时间是真空断路器在电压过零点合闸。由于电压在过零点附近的变化率较高,相控合闸对真空断路器及其控制系统的要求比较严格[11]。真空断路器在合闸过程中必须具有较高的绝缘强度,特别是在较高的系统电压下,以确保在合闸过程中真空断路器触头接触之前没有明显的预击穿过程。用于相控的真空断路器及其控制系统必须有能力保持合闸精度在±1 ms,具有这种精度的相控装置才能有效限制涌流的产生[12-14]。

本文的目标是实验及仿真研究杯状纵磁触头和卍字形横磁触头真空断路器关/合电容器组时预击穿时间及其分散性对选相关合电容器组抑制涌流的影响。

1 真空断路器关/合电容器组实验设置及实验结果

真空断路器容性合闸实验回路原理图如图1所示。

图1 真空断路器容性合闸实验回路原理图

在实验中,最初电容器组C1通过单独的充电系统(图1中未显示)充电到电压Us。当开关SWinrush一关闭,电压Us就被施加到真空断路器上,此时真空断路器关合。在关合过程中,由于L1和C1的振荡,涌流流过真空断路器。实验回路中电阻的存在,使得涌流由于阻尼振荡最终降为零。容性合闸操作过程中的典型涌流波形如图2所示。图2中涌流的幅值为5 kA,频率为4 250 Hz。

图2 容性合闸操作过程中的典型涌流波形

实验用真空断路器为单断口真空断路器,分别为杯状纵磁触头真空断路器和卍字形横磁触头真空断路器。触头材料均为CuCr30。实验前,真空灭弧室触头均被老练过。容性预击穿实验方案如表1所示。共进行两组实验,实验1和实验2分别测量了杯状纵磁触头真空断路器和卍字形横磁触头真空断路器在容性预击穿过程中的预击穿时间及其分散性。预击穿时间为真空断路器在关合过程中从预击穿发生到触头闭合的时间差。

表1 容性预击穿实验方案

本文得到了实验1和实验2中真空断路器容性预击穿时间t的累积概率分布。该分布表示,当距离触头闭合前时间小于t时,真空断路器发生预击穿的概率。预击穿时间累积概率分布的计算采用了威布尔分布进行拟合,其计算式为

(1)

式中:η——形状参数,η>0;

b——预击穿时间t的特征值,b>0。

根据实验数据拟合出η和b。

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实验1和实验2中真空断路器容性预击穿时间的累积概率分布如图3所示。

图3 实验1和实验2中真空断路器容性预击穿时间的累积概率分布

另一个研究预击穿时间的重要参数是预击穿时间分散性σ。利用预击穿时间的标准差可以计算出预击穿时间分散性,其计算式为

(2)

式中:N——实验次数;

ti——第i次实验时的预击穿时间。

根据式(1)、式(2)计算,实验1和实验2中10%、50%和90%预击穿时间及其分散性如表2所示。其中50%预击穿时间t50最为重要,因为该值可以表征预击穿时间的平均值。表2的最后一列显示的是实验1和实验2的预击穿时间分散性。

表2 实验1和实验2中10%、50%和90%预击穿时间及其分散性

由表2可知,杯状纵磁触头真空断路器50%容性合闸预击穿时间为1.41 ms,预击穿时间的分散性为0.50 ms。卍字形横磁触头真空断路器50%容性合闸预击穿时间为0.63 ms,预击穿时间的分散性为0.30 ms,均显著低于杯装纵磁触头真空断路器。

2 真空断路器选相关合电容器组仿真计算及结果分析

本文根据实际40.5 kV真空断路器投切电容器组实验回路参数搭建仿真回路,用以研究真空断路器预击穿时间及其分散性对选相关合电容器组抑制涌流的影响。40.5 kV真空断路器投切背靠背电容器组仿真回路如图4所示。

图4 40.5 kV真空断路器投切背靠背电容器组仿真回路

图5 在电压峰值处关合真空断路器的电压、电流波形

在真空断路器选相合闸背靠背电容器组时,理想状况是在电压过零点关合,这时电容器组两端的电压为0,流过断路器的涌流即为0,可以有效抑制预击穿过程中的涌流对真空灭弧室触头表面的烧蚀,从而减小容性开断过程中重击穿的产生[15-16]。但是在实际操作中,真空断路器在触头闭合前会有预击穿产生。在选相关合电容器组时,如果以触头闭合时间作为基准进行选相,真空断路器会在电压过零点前击穿,回路会提前导通,此时涌流产生并流过真空断路器。因此,真空断路器容性关合预击穿时间及其分散性会影响选相关合电容器组的准确性。为了研究真空断路器预击穿特性对选相关合电容器的影响,一共进行了4组仿真计算。真空断路器选相关合电容器组仿真分组如表3所示。以触头闭合时间为基准选相关合电容器组时,第1组和第2组分别计算了杯状纵磁触头真空断路器和卍字形横磁触头真空断路器两端电压和涌流,并计算了预击穿分散性对选相准确性的影响,即在电压过零点前t50+σ、t50、t50-σ时将仿真回路导通。以预击穿产生时间为基准选相关合电容器组时,第3组和第4组分别计算了杯状纵磁触头真空断路器和卍字形横磁触头真空断路器两端电压和涌流,并计算了预击穿分散性对选相准确性的影响,即在电压过零点前+σ、0、-σ时将仿真回路导通。仿真结果如图6～图15所示。测量每种仿真情况下的涌流最大幅值,结果如表4所示。

表3 真空断路器选相关合电容器组仿真分组

图6 杯状纵磁触头真空断路器以预击穿时间为基准进行选相时电压过零点前0.5 ms回路导通

图7 杯状纵磁触头真空断路器以预击穿时间为基准进行选相时电压过零点后0.5 ms回路导通

图8 卍字形横磁触头真空断路器以预击穿时间为基准进行选相时电压过零点前0.5 ms回路导通

图9 卍字形横磁触头真空断路器以预击穿时间为基准进行选相时电压过零点后0.5 ms回路导通

图10 杯状纵磁触头真空断路器以触头闭合时间为基准进行选相时预击穿回路导通

由表4可见,杯状纵磁真空断路器在关合5 kA涌流时预击穿时间t50为1.41 ms,分散性为0.50 ms,也就是,预击穿时间分布在0.91～1.91 ms。用此时间来模拟杯状纵磁真空断路器选相关合电容器组的预击穿时间。当以真空断路器触头闭合时间作为基准进行选相时,也就是在电压过零点前0.91～1.91 ms回路导通。此时对应的预击穿涌流幅值为4.44～8.23 kA。同理,于卍字形横磁真空断路器,在关合5 kA涌流时的预击穿时间t50为0.63 ms,分散性为0.3 ms,也就是,预击穿时间分布在0.33～0.93 ms。当以真空断路器触头闭合时间作为基准进行选相时,卍字形横磁真空断路器选相关合电容器组对应的涌流幅值为2.04～4.52 kA。另一种选相关合电容器组的方式为以t50为基准进行选相,此时只需考虑预击穿时间分散性对涌流幅值的影响。当以此方式关合电容器组时,对于杯状纵磁触头真空断路器,由于预击穿时间分散性的影响,回路在电压过零点-0.5～0.5 ms范围内导通,对应的涌流幅值为0～2.77 kA。对于卍字形横磁触头真空断路器,由于预击穿时间分散性的影响,回路在电压过零点-0.3～0.3 ms范围内导通,对应的涌流幅值为0～1.91 kA。

图11 杯状纵磁触头真空断路器以触头闭合时间为基准进行选相时预击穿前0.5 ms回路导通

图12 杯状纵磁触头真空断路器以触头闭合时间为基准进行选相时预击穿后0.5 ms回路导通

图13 卍字形横纵磁触头真空断路器以触头闭合时间为基准进行选相时预击穿回路导通

图14 卍字形横磁触头真空断路器以触头闭合时间为基准进行选相时预击穿前0.5 ms回路导通

图15 卍字形横磁触头真空断路器以触头闭合时间为基准进行选相时预击穿后0.5 ms回路导

表4 不同选相方式时预击穿涌流幅值

由仿真结果可以得出,以真空断路器触头闭合时间为基准进行选相,可以抑制涌流幅值,但抑制效果并不理想,在选相关合电容器组时,应考虑真空断路器预击穿时间及其分散性的影响。在选相关合电容器组时,以真空断路器预击穿时间t50为基准进行选相,可以有效降低涌流幅值,相比于以触头闭合时间为基准的选相,可以将涌流幅值降低50%以上。相比于杯状纵磁触头真空断路器,卍字形横磁触头真空断路器可以显著降低预击穿时间及其分散性。对于以触头闭合时间为基准的选相,预击穿时间是影响涌流幅值的主要因素,卍字形横磁触头真空断路器相比于杯状纵磁触头真空断路器可以降低45%以上的涌流幅值。对于以真空断路器预击穿时间为基准的选相,预击穿时间分散性是影响涌流幅值的主要因素,卍字形横磁触头真空断路器相比于杯状纵磁触头真空断路器可以降低28%以上的涌流幅值。

3 结 语

(1) 选相关合电容器组可以有效降低涌流幅值。相较于以真空灭弧室触头闭合时间为基准的选相方式,以预击穿时间t50为基准的选相方式更有利于抑制涌流。

(2) 在关合电容器组时,相较于杯状纵磁触头真空断路器,卍字形横磁触头真空断路器有更小的预击穿时间及其分散性。卍字形横磁触头真空断路器在投切电容器组时更有优势,尤其适合在选相投切电容器组时的应用。