SF_6断路器开断并联电抗器的截流过电压及其特性分析

SF_6断路器开断并联电抗器的截流过电压及其特性分析 2010年2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.25 No. 2 第25卷第2期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2010 SF6断路器开断并联电抗器的 截流过电压及其特性分析 孙秋芹1 李庆民1 王 冠1 刘洪顺1 邹振宇2 1. 山东大学 电气工程学院 济南 250061 2. 山东电力工程咨询院 济南 250100 摘要 断路器开 断并联电抗器时会引起截流产生严重的过电压。针对带中性点小电抗的并联电抗器 通过建立等效电路从理论上分析了其开断过程的过电压特点阐明了拍频振荡产生的 机理给出了近距离开断和带长线开断并联电抗器时拍频振荡频率随电抗器参数变化 的的三维图像。基于我国某一条750kV输电线路的具体参数通过引入较准确的开关 电弧模型分析了带长线和近距离开断并联电抗器两种工况下操作过电压的具体特 征。研究结果为超、特高压输电线路的建设与运行提供了有价值的参考依据。 关键 词并联电抗器开断 中性点电抗 电弧模型 拍频振荡 中图分类号TM721.1 Characteristic Analysis of the Shunt Reactor Switching Over-Voltages Interrupted by SF6 Circuit Breakers With Chopping Current Sun Qiuqin1 Li Qingmin1 Wang Guan1 Liu Hongshun1 Zou Zhenyu2 1. Shandong University Jinan 250061 China 2. Shandong Electric Power Consultancy Institute Jinan 250100 China Abstract Shunt reactor interruption by circuit breakers may produce current chopping and cause severe overvoltages. The four-legged reactor interrupting transients were elucidated with equivalent circuit analysis and the mechanism of beat frequency oscillation was also characterized further a 3-D portfolio of the beat frequency specifically regarding shunt reactor interrupting with either a short line distance or a long transmission line was given to describe the variation trend versus the shunt reactor’s parameters. Based on the available parameters from an installed 750kV transmission line in China simulations of the four-legged reactor interruption process were carried out with adoption of an appropriate arc model for SF6 circuit breakers and the scenario of the switching overvoltages was presented for two different kinds shunt reactor interrupting. The research results present useful reference for future construction and operation of the extra high voltageEHV and ultra high voltageUHV transmission lines. KeywordsShunt reactor interrupting neutral reactor arc model beat frequency oscillation 1 引言 并联电抗器广 泛安装于超、特高压等级的输电线路中它能够补偿线路的对地充电功率削弱输电线 路的电容效应有效抑制工频与操作过电压。 目前超/特高压电压等级的断路器多采 用外能方式灭弧利用这种断路器分断电流时弧道中游离作用并不强烈随着电弧的急 剧拉伸弧阻增加易发生电弧不稳定现象电流在到达零点之前可能发生强制熄弧形成 截流产生严重的操作过电 收稿日期 2008-10-09 改稿日期 2009-04-14 第25卷第2 期 孙秋芹等 SF6断路器开断并联电抗器的截流过电压及其特性分析 171 压1-6。电 抗器正常运行时储存一定的能量一旦被切除该能量将通过电抗器的等值入口电容释 放因该电容值很小故会激发出很高的过电压2002年我国新疆电网在开断并联电抗器 时曾发生过相应的爆炸事件1。 国内外学者对开断并联电抗器过电压进行了大量研 究。文献2通过引入断路器触头的分离速度建立相应的介质绝缘强度函数给出了顺利 开断并联电抗器以及电弧重燃时负载侧和电源侧的过电压波形。文献4通过引入断路 器电弧模型及其介质绝缘强度函数对并联电抗器的开断特性进行了分析。文献5给出 了并联电抗器的详细模型重点分析了开断并联电抗器时线圈匝间的过电压情况并与 试验波形相对比取得了较好的效果。此外其他学者也开展了一些相关方面的研究 6-8。上述研究主要集中在并联电抗器中性点直接接地或不接地的情况 而对并联电 抗器中性点经小电抗接地关注较少。同时以往研究主要针对并联电抗器在安装现场的开断情况 而带长线开断并联电抗器切带并联电抗器的空载线路也是一种有效的方法值得关注。随着超/特高压输电线路的迅速发展中性点接小电抗以熄灭潜供电弧的补偿方式将占据主导地位必须给予重视。 本文首先分析了带中性点小电抗的并联电抗器的开断过程和过电压情况阐明了断路器开断后拍频振荡产生的机理并计算出不同工况下的拍频振荡频率。结合某750kV线路 使用ATP-EMTP软件通过引入较精确的SF6断路器电弧模型详细研究了并联电抗器开断过程中的电磁暂态特性并将仿真与理论分析进行了比较。 2 开断并联电抗器过电压 2.1 过电压分析 开断并联电抗器时其单相等效电路如图1所示。图中Us为等效电源电压Ls为电源侧等效电感Cs为电源侧等效电容L为并联电抗器电感CL为并联电抗器侧对地电容Lp和Cp为断路器等效电感和电容。 设tt0时断路器触头分开断路器的截流值为Ich此时电容CL上的电压为U0当回路总磁场能全部转化为电场能时电容CL上的电压最大为Um且满足 222cchm111222LLCULICU 1 图1 开断并联电抗器的单相等效电路 Fig.1 Single-phase equivalent circuit for shunt reactor interrupting 以U0为基准电压开断并联电抗器时产生的最大过电压倍数K为 2chm001LIULKUUC???????????? 2 实际中对于带铁心的电抗器由于铁心及其铜线损耗在磁能与电能的转化过程中部分磁能将会损失掉为此可引入转化磁能系数ηm则式2变为 2chmm001LIULKUUCη???????????? 3 开断时的过电压倍数与并联电抗器的种类、额定电压、容量、结构以及断路器的种类有关。当变电站近距离开断并联电抗器时由于并联电抗器的入口电容很小其最大过电压倍数很大通常会超过电气设备的绝缘水平。 并联电抗器中性点带小电抗时由于断路器动作时间不同期三相开断和截流时刻并不一致。首相高抗先被开断后中性点电压将产生偏移而升高此时的等效电路如图2所示电抗器线路侧单相电压有效值为U??电抗器高压臂的值为L小电抗器的值为LN。 图2 首相开断后的等效电路 Fig.2 Equivalent circuit after the first phase opening 则中性点n处的电压Un为 n1N12UULL???? 4 式中 1N112LLkkLL 172 电 工 技 术 学 报 2010年2月 被开断相电压计算电路如图3所示其中CL为电抗器对地电容。 图3 单相开断后过电压计算电路 Fig.3 Overvoltage calculation circuit after single-phase interrupting 设U0为首开相被开断后瞬间的对地电压值由于中性点电压偏移则图3中对应的a点电压升高为1kU0。由电磁能量平衡可知首开相的电压方程为 22201chm1111222LLCkULICU 5 2chm1001111LIULKkUkUC???????????????????????? 6 考虑ηm后式6变为 2chmm100111LIULKkUkUCη???????????????????????? 7 式中Um为被开断相出现的电压峰值K1为过电压倍数。在一定参数范围内令ηm1时空心电抗器ηm?1过电压倍数随高抗和小电抗变化的轨迹如图4所示。 图4 不同电抗器参数下的过电压倍数 Fig.4 Scenario of the overvoltage vs. parameter variation 由图4可以看出在一定参数范围内首相开断后的最大过电压倍数随中性点小电抗的增大而增加。当带长线开断并联电抗器时并联电抗器与线路电容构成振荡回路CL大大增加则对应的过电压倍数将会减小。 2.2 过电压频率特性分析 断路器三相分闸开断并联电抗器后并联电抗器侧构成一个孤立的系统因并联电抗器的电感和对地电容中储存了大量能量形成电磁能量转换的振荡回路。分析开断电抗器时过电压的振荡频率特性可为研究断路器的恢复电压与重燃、线路的匝间纵向绝缘、电抗器参数的集肤效应等提供参考依据。 文献6中忽略相间电容耦合给出了简化的计算。当近距离开断并联电抗器时公式 可近似成立但当带长线开断并联电抗器时相间耦合则不能忽略。并联电抗器开断后三相电感间通过电容耦合形成充放电回路 其简化原理图如图5所示。 图5 三相并联电抗器的电磁耦合 Fig.5 Electromagnetic coupling circuit of the shunt reactor 图5中La、Lb、Lc为三相并联电抗器等效电感Cag、Cbg、Ccg为三相对地电容Cab、Cbc、Cac为相间耦合电容。若令CabCbcCacC??LaLbLcLCagCbgCcgC通过求解回路方程可推出电路中两个主要自振频率的计算公式为 1211223ffLCLCLC??ππ 中性点经小电抗器接地时小电抗器能补偿线路间的相间电容和对地电容。令并联电抗器高抗为L小电抗为LN则等效电路变化如图6所示其中L0L3LNNN3/LLLLL??。 图6 并联电抗器加小电抗的等效变换 Fig.6 Equivalent circuit transformation of the four legged reactor 解回路方程得并联电抗器开断后电路中将存在两个主要的自振频率其计算公式为 第25卷第2期 孙秋芹等 SF6断路器开断并联电抗器的截流过电压及其特性分析 173 10020012323fLCLLfLLCLLC????????????π????????π?? 8 则此时电压的拍频振荡频率f为 12fff?? 9 计算表明接中性点小电抗的并联电抗器组开断后其过电压的振荡频率低于对应条件下不接中性点小电抗的情形。 ?握瘴南?5中的数据令C15.62nFC??0.236nF在变电站近距离切并联电抗器时过电压的拍频振荡频率随高抗和小电抗变化的曲线如图7所示。 当带长线路开断并联电抗器时令 C1.18??FC??0.107??F则对应的拍频频率随高抗和小电抗变化的曲线如图8所示。 图7 近距离开断并联电抗器时的拍频频率 Fig.7 Beat frequency of the oscillating overvoltage while the shunt reactor is interrupted at a short line distance 图8 带长线开断并联电抗器时的拍频频率 Fig.8 Beat frequency of the oscillatory overvoltage while the shunt reactor is interrupted with a long transmission line 此时因C??和C大大增加对应的电路自振荡频率均大大减小导致拍频振荡频率减小。 带长线开断并联电抗器时拍频频率随着LN和L的增大而增大但近距离切并联电抗器时情况则较为复杂。由于C??和C的值较小同时考虑到铁心元件中必然存在磁滞、涡流等损耗电抗器侧的实际过电压多呈衰减的拍频振荡波形。 3 仿真研究 3.1 计算对象 基于某750kV输电线路构建了仿真模型采用ATP-EMTP软件在输电线路空载时计算得到了并联电抗器开断前后的过电压情形。线路结构如图9所示。其中S和R表示输电线路的首、末端N为并联电抗器的中性点并联电抗器高抗的补偿度为90。Q1和Q2为SF6断路器r和rN为电抗器高 压臂和小电抗的等效电阻值。电路正序参数为 R10.0133??/kmL10.347mH/kmC10.0138??F/km零序参数为 R00.3216??/kmL02.65mH/kmC00.0098??F/km。 a系统简化结构示意图 b并联电抗器开断结构示意图 图9 750kV输电系统仿真图 Fig.9 Simulation model of the 750kV transmission system 开断过程中电抗器侧产生的过电压频率很高特别是在近距离开断电抗器时导线和电抗器的电阻会因强烈的集肤效应而增大。当前考虑频变效应的处理方法主要有两种?仿真时采用考虑频变的J. Marti线路模型?通过预先的简化计算先获得过电压的大致振荡频率然后直接计算该频率下导线和电抗器的相关参数。第一种方法的处理结果相对准确但需要的计算步长较小耗时较多第二种方法较为简便一般情况下也能满足计算精度要求5。本文采用第二种 174 电 工 技 术 学 报 2010年2月 方法进行计算近距离开断时参数计算频率为500Hz带长线开断时采用工频频率。 3.2 断路器电弧模型 断路器电弧是一个复杂的物理、化学过程。对一些难以实现或实现起来代价太大的开断实验通过引入电弧模型进行计算并使开断 过程的仿真更符合实际情况其有效性在一些相关试验中得到了验证2-57-8。最早的电弧模型是Cassie模型和Mayr模型其中Cassie模型主要适用于电流过零前的大电流阶段Mayr模型主要适用于零区小电流阶段。以这两种模型为基础针对其固有不足很多人对电弧模型进行了改进10-14陆续提出的电弧模型主要有Habedank电弧模型、KEMA电弧模型、改进的Mayr模型、Schavemaker电弧模型、Kopplin模型、Urbanek模型等11。各种电弧模型的适用范围不同本文在仿真中采用应用较为广泛的Schwarz电弧模型其中电弧散热功率和时间常数为电弧电导的函数具体表达式为11 001ddln11ddabgguigttgPgτ?????????????????? 10 式中u、i、g、P0、τ0分别为电弧电压、电弧电流、电弧电导、散热功率以及散热时间常数。参照文献中的数据3-511-12取P0108Wτ06??sa0.15b1.8。 由于电感电流的不稳定性SF6断路器开断过程中常发生电流过零前的截流现象。截断电流chtICλ其中λ为截断数。对于同一断路器不同的开断试验中λ表现不同的取值具有一定的统计特性将产生不同的截断电流。对于SF6断路器444101710λ?××3-4本文将取不同的λ进行比较分析。Ct为从断路器向两端口看 1所示其值为 stpsLLCCCCCC 11 因sLCC上式可化为tpLCCC过去的等效电容9如图 仿真 中取CL0.0063??FCp0.0037??F。 3.3 仿真结果 为开断线路末端R处的并联电抗器采用两种仿真如图9所示?变电站近距离开断即打开断路器Q2直接开断线路末端的并联电抗器?带长线开断并联电抗器即先打开Q1再打开Q2开断末端的并联电抗器。设断路器在0.1s时动作两种方案下的仿真波形如图10图14所示。 不考虑 4510λ× 4410101510××对应的截断电流为5A、10A和15A。在电弧的燃弧过程分别取 近距离开断并联电抗器时 取三相过电压最大值见下表。 表 不同 λ 下的过电压幅值 Tab. Peak overvoltages under different λ λ 过电压幅值/kV 5×104 960 10×104 994 15×104 1048 由上表可知随着λ的增大截流值增大电抗器侧的过电压幅值快速上升。 当λ10×104时图10图14均采用此条件同一截流水平下分别采用理想开关和电弧模型在近距离开断电抗器时得到电抗器侧的过电压波形如图10所示。 图10 电弧模型和理想开关下电抗器侧的过电压 Fig.10 Overvoltages along the shunt reactor under arc model and ideal switch 由图10可知两种模型下的过电压仿真波形存在较大差别实际的开关电弧相当于一个非线性电阻它将吸收一部分能量使得过电压的幅值减小引入电弧模型能更真实地反应实际的开断过程。 图11所示为计算的电弧电阻的变化情况。在开断过程中因断路器的输入功率小于断路器的散热 功率即uib0gP电弧电阻将急剧增加。 图11 电弧电阻 Fig.11 Arc resistance 图12给出了开断并联电抗器时其高压臂的过电压波形图12图14均将电弧特性考虑在内。 第25卷第2期 孙秋芹等 SF6断路器开断并联电抗器的截流过电压及其特性分析 175 a带长线开断并联电抗器 b近距离开断并联电抗器 图12 线路末端电压 Fig.12 Overvoltages at line terminal 由图12可知两种方案切并联电抗器时都会产生明显的拍频振荡现象。带长线切时电抗器通过输电线路释放一部分能量电抗器侧的过电压较低拍频频率也较小但电压的衰减速度较慢。近距离切并联电抗器时因对地电容小过电压幅值较大拍频频率较高同时电压衰减也较快。 对近距离切时的线路末端电压如图12b所示进行傅里叶分析可知电压振荡的两个主要频率分别为520Hz和420Hz则对应的拍频振荡频率为100Hz。采用式6与式7进行计算得到的振荡频率分别为528Hz和425Hz则拍频振荡频率为103Hz。仿真结果与理论分析结果非常接近。 在并联电抗器开断过程中并联电抗器中性点的电压变化波形如图13所示。 a带长线开断并联电抗器 b近距离开断并 联电抗器 图13 末端并联电抗器的中性点电压 Fig.13 Neutral point voltage of the shunt reactor at line terminal 由图13可知相同条件下带长线开断时对应的电抗器中性 点电压要远小于近距离开断的情况。近距离开断时需考虑在中性点安装适当避雷器 以抑制过电压。 并联电抗器开断后断路器触头间的恢复电压波形如图14所示。 a 带长线开断并联电抗器 b近距离开断并联电抗器 图14 断路器的瞬态恢复电压 Fig.14 Transient recovery voltage of the circuit breaker 断路器触头间的恢复电压波形 表现为不同的瞬态特性。当带长线开断并联电抗器时瞬态恢复电压波呈拍频振荡衰 减较慢触头间恢复电压及其上升率较小对应的断路器重燃概率小当近距离开断时触 头间恢复电压及其上升率很大衰减也快很快变为稳定的正弦波但断路器重燃概率大 时易产生较大的重燃过电压。 4 结论 通过建立等效电路模型从理论上分析了带长 线和近距离开断并联电抗器时的过电压及其频率特性。基于实际的750kV输电线路 参数通过引入SF6断路器的开关电弧模型进行了仿真计算和比较。 1并联电抗器开 断时易产生截流形成的过电压幅值主要取决于截断电流水平。随着截断电流的增加 并联电抗器开断时会产生拍频式振荡电压其特性影响断路过电压呈非线性增长。 2 器的恢复电压与重燃、线路的匝间纵向绝缘、电抗器的参数等拍频振荡频率与线路 的电容密切相关。 3带长线开断并联电抗器是一种有效抑制开断过电压的方法电抗 器通过输电线路放电而释放能量能减小并联电抗器侧的过电压。因相对地电容较大 振荡频率相对较小电压衰减较慢。 176 电 工 技 术 学 报 2010年2月 4近距离开 断并联电抗器时其中性点可能会产生幅值很高的过电压需考虑在小电抗附近安装避 雷器。与此同时断路器触头间的瞬态恢复电压及其上升率很高易引起断路器的重燃。 可考虑采用相控断路器以减小重燃率或考虑安装并联开断电阻以减小并联电抗器开 断时的过电压。 5比较理想的补偿措施是研制智能化的连续可控电抗器以适应不同 类型的线路和运行工况减小断路器开断并联电抗器的操作但在超/特高压等级获得 实用尚有待于技术进步。 参考文献 1 平绍勋. 电力系统内部过电压保护及实例分 析M. 北京: 中国电力出版社 2006. 2 Vahidi B Ghatrehsamani A Kashi S A. 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