35kV电抗器切除过电压仿真分析研究

35kV电抗器切除过电压仿真研究 王磊 赵现平 孙伟忠 （云南电力试验研究院(集团)有限公司,昆明650217） 摘要：对典型35kV并联补偿系统进行仿真，得到电抗器在切除时过电压波形，对电抗器切除过 电压进行分析，提出减小该过电压的方法及措施。 关键词：电抗器；切除过电压 Abstract: The over voltage waveform is getting when a reactor was cut off through simulation of typical 35kV parallel compensation system. The paper analyzes the factors of cutting off over voltage, and brings out some ways to decrease that over voltage Key words: Reactor, The cutting off over voltage 一、前言 电力系统中由于无功补偿的需要，通常在35kV系统中配置一定数量的电容器与电抗器来满 足系统无功补偿需要。当系统无功发生变化时需要及时对这些电容器及电抗器进行投切。近期 在某供电局发生多次电抗器爆炸事故，虽已初步确认为质量问题，但由于35kV电抗器在切除过 程中电流会在非零点截断，所以会产生数值一定数值的操作过电压，为了解该过电压对电抗器 的影响及发展情况，本文特利用ATP-EMTP软件对典型35kV电抗器截流过电压水平进行实例仿 真分析。 二、理论分析 图1 切除电抗器的等值电路 第 1 页 共 5 页 在电抗器在切除过程中，可能存在电流在非过零点熄灭而导致的截流过电压，下面对电抗 器在切除时的电路进行分析。图 1为切除电抗器的等值电路，假设电抗器侧等值对地电容（包 括连断路器一侧断口，连接线，电抗器杂散电容，匝间电容）为 C，电抗器电感为 L，I0 为截 断时刻电抗器电流，U0 为截断前电抗器端部电压，Um 为截断后电抗器端部电压最大值，则根 据能量守恒原理，存在以下关系： 2 20 0 1 1 1 2 2 2 mLI CU CU+ = 2 （1） 由于截断时，流过电容 C 的电流远小于流过电抗 L 的电流，所以可以认为 00 LIU ω= ，式(1) 可以变化为： CLLIUm += 220 ω （2） 在电抗器布置不变的情况下（即 L、C 不会变化），导致电抗器端部不同的Um的情况主要是由 I0 值决定，即 Um与 I0呈正相关性。由于断路器实际分闸存在不同期性，电抗器三相支路之间 的互相影响较为复杂，可以利用仿真的方法可以得出电抗器切除后端部过电压幅值及其影响因 素的变化对过电压幅值的影响，同时也容易了解电抗器切除后过电压的发展过程。 三、仿真分析 （一）仿真条件 对于不同的电抗器，其断路器到电抗器的载流线情况不同，电抗器的安装情况也不相同， 所以电抗器入口等值电容也有所不同。 本文采用变电站典型 35kV 并联补偿系统进行仿真，电 抗器参数为：最高工作电压：40.5/ 3 kV ，额定电压：34.5kV/ 3 V，冷却方式：AN ， 绝缘 等级：F级 额定电抗：19.8Ω；断路器参数额定电压 40.5kV；避雷器：额定电压：52.5kV ， 持续电压：42kV ，U1mA≥81.4kV ；主变参数：额定容量：750/750/240MVA ，额定电压： 525/230/36kV，连接组标号：Yna0d11 空载电流：0.06% 空载损耗：244.6kW。由于电抗器入口 关等值电容涉及断路器一侧断口，断路器至电抗器连接线，电抗器杂散电容，匝间电容等，难 于测量，这里假设其等值电容为 1000pF。 由于采用SF6 断路器，其截流水平不会太高，假设其截流值不超过 5A，在仿真时采用 5A 的截 第 2 页 共 5 页 断电流。 仿真软件采用电磁暂态软件ATP-EMTP，变压器采用BCTRAN模型，由于研究对象为35kV 低压侧，变压器高压侧（500kV 侧）采用等值理想电压源，电压幅值 500kV 系统最大运行电压； 断路器采用三相时控开关，避雷器采用非线性ZnO 避雷器模型，其伏安特性根据上述避雷器参 数结合避雷器的特性曲线进行拟合而成，如图 2 所示；由于研究对象为操作过电压，电抗器电 感、电阻及入口等值电容均采用理想线性集总元件模型。 Log -6.0 -4.1 -2.2 -0.2 1.7 I [kA]81.0 98.2 115.5 132.8 150.0 U [kV] 图2 非线性ZnO避雷器伏安特性曲线图 （二）仿真结果分析 电抗器端部电压的仿真结果如图 3所示，受断路器分闸电流电弧的影响，三相断路器电流 在断开后会有电弧的燃烧，由于三相电流过零点的不同，电抗器切断后其端部三相的波形也存 在差异。图 3 左图给出了不同相电抗器端部电压波形图，其最大幅值达到 66kV。从波形可以看 出，在电流未过零点时，电抗器端部电压波形是在正弦波的基础上叠加一震荡波，随着电流的 减小，断路器电弧在电流达到截流值时熄灭，电抗器回路最终断开，由于在断路器存在截流， 在电弧切断的瞬间会产生所谓的截流过电压，如图 3右图所示，其最大幅值为 66kV，同时母线 侧过电压最大幅值达到 70kV，断路器端口电压最大幅值达到 119kV。断路器断开后的波形呈衰 减震荡趋势，衰减时间达到上百毫秒，波形震荡频率为 20kHz。由于断路器开断时刻受截流电 第 3 页 共 5 页 流的限制，所以断路器开断时刻的分散性对最大过电压的幅值影响不大。由于SF6 断路器在截 流方面的性能优于真空断路器，在 35kV 系统中正逐渐推广使用，截流水平将会大大降低。由 于电抗器基本上为纯感性设备，电流超前电压 90°，也可以在断路器控制回路中加入选相分闸 装置来控制分闸时间，即当该相电流最小、电压最大时进行分断，分断时的截流基本为零，有 利于断路器熄弧，同时电抗器端部过电压将显著降低。进行分闸通过对电抗器避雷器泄流电流 的仿真可以得出，在给定仿真条件下避雷器最大泄漏电流不超过 0.82mA，同时在不改变其它 仿真条件情况下，通过增大断路器截断电流值进行仿真，发现当截断电流达到 6.6A 时，避雷器 泄漏电流接近 1mA，这时电抗器端部电压最大值达到 81kV，达到避雷器的动作电压值。电抗 器入口等值电容真实值与电抗器本身结构、布置方式、电抗器引线长度等因素相关，不同的电 抗器入口等值电容会导致电抗器端部的过电压水平的不同。由于相同长度的电缆对地电容大于 架空线路，所以采用电缆连接的电抗器切除时端部的过电压小于架空线路连接的电抗器。 1 2 3 4 5 6 7 8[ms] -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 [kV] (f f ) 1 2 3 4 5 6 7 8[ms] -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 [kV] 图3 断路器分闸后电抗器端部（不同相）过电压仿真波形图 4、结论 由上面分析可以得出以下结论： 1）在设定即 35kV 电抗器入口电容为 1000pF 及断路器截流电流为 5A 进行条件下的仿真 计算明电抗器在进行切除操作其端部过电压最大达到 2.0p.u.，未达到 35kV 电抗器避雷器动 作电压值； 2）电抗器在切除操作时，断路器的截流水平是电抗器端部过电压数值的重要影响因素，采 用SF6 断路器或选相分闸装置可以有效降低电抗器在切除时端部的过电压水平； 第 4 页 共 5 页 第 5 页 共 5 页 3）电抗器结构、布置方式、引线不同，在进行电抗器切除时在电抗器端部产生的过电压也 不同，电缆连接的电抗器较相同长度架空线路连接的电抗器过电压水平低； 4）虽然在切除电抗器时，电抗器端部过电压水平不高，但该电压持续时间长，电压在电抗 器上可能分布不均匀，局部会承受较高电压，若电抗器质量不过关，会对设备造成损坏，所以 应加强对电抗器制造质量的监督与管理。 参考文献 [1]时新燕，真空断路器投切并联电抗器过电压实例研究[J]，华北电力技术，2005，（6）：5-8. [2]GB311.1-1997 高电压输变电设备的绝缘配合，1998. [3]杨堃、宋杲等， 35kV GIS中电抗器投切时的过电压研究[J]，电网技术，2008，（6）：139-141. 作者简介 王磊，男，工程师，在云南电力试验研究院工作，主要从事过电压试验、研究工作。联系方式 手 机：13888011727，邮箱：wl-wangleiflight@163.com