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(西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，西安 710077)

0 引言

在電力系統(tǒng)中裝設(shè)并聯(lián)電抗器可以吸收系統(tǒng)中多余的無功功率，起到補(bǔ)償系統(tǒng)中電容的目的。同時，輸電線路輕載或空載時，輸電線路呈電容效應(yīng)，并聯(lián)電抗器可以有效減低線路上的“長線容升效應(yīng)”，達(dá)到抑制工頻電壓升高的目的。此外，裝設(shè)并聯(lián)電抗器的空載線路合閘時，并聯(lián)電抗器改善了空載線路對地電容的電器參數(shù)，從而可以有效降低合閘空載線路過電壓；裝設(shè)并聯(lián)電抗器的空載線路被切除時，沿線路分布的殘余電荷可以通過并聯(lián)電抗器泄放，并和線路的對地電容共同作用起到衰減振蕩的作用，使得線路側(cè)瞬態(tài)恢復(fù)電壓的幅值和極性得到極大的改善，高壓交流斷路器斷口間的恢復(fù)電壓也有效降低，開斷的成功率大大的得到提高[1-3]。

開合并聯(lián)電抗器試驗(yàn)回路主要是驗(yàn)證高壓交流斷路器切除并聯(lián)電抗器的能力。由于開合并聯(lián)電抗器為小感性電流開合，斷口間會產(chǎn)生很高的截流過電壓和復(fù)燃過電壓，對高壓交流斷路器的考核比較嚴(yán)酷，所以在容量試驗(yàn)站對高壓斷路器進(jìn)行并聯(lián)電抗器開合能力的試驗(yàn)驗(yàn)證非常重要[2，4-7]。

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的開合并聯(lián)電抗器試驗(yàn)回路要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 29489—2013高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的感性負(fù)載開合》對電流和電壓試驗(yàn)參數(shù)的要求[8-12]。電源側(cè)回路所產(chǎn)生的瞬態(tài)恢復(fù)電壓(TRV)相對負(fù)載回路可以忽略不計(jì)，由電容、電感組成的負(fù)載回路要確保試驗(yàn)回路的預(yù)期瞬態(tài)恢復(fù)電壓滿足標(biāo)準(zhǔn)需求。復(fù)燃過電壓和截流過電壓對負(fù)載回路的絕緣性能造成很大的威脅，因此試驗(yàn)回路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時要充分考慮避雷器的參數(shù)和過電壓保護(hù)策略。

1 開合并聯(lián)電抗器試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)解析

為了驗(yàn)證斷路器開合并聯(lián)電抗器電流的能力，并能夠耐受開斷所產(chǎn)生的截流過電壓和可能的復(fù)燃過電壓，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了開合并聯(lián)電抗器的試驗(yàn)回路和試驗(yàn)參數(shù)[8-9]。

1.1 試驗(yàn)回路

1.1.1 系統(tǒng)中運(yùn)行的回路結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)輸配電系統(tǒng)中并聯(lián)電抗器運(yùn)行的回路結(jié)構(gòu)見表1所示。

表1 系統(tǒng)中運(yùn)行的回路結(jié)構(gòu)Table 1 In-service load circuit configurations of power system

我們國家的電力系統(tǒng)在額定電壓126 kV以上為中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，額定電壓126 kV以下為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，而額定電壓126 kV包括中性點(diǎn)有效接地和非有效接地兩種系統(tǒng)[12]。并聯(lián)電抗器的中性點(diǎn)在系統(tǒng)中分為接地和絕緣兩種。由于電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地電抗相比較于電抗器的電抗器可以忽略，如表1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為1、2、3時，TRV的首開極系數(shù)為1.5；特別地，電力系統(tǒng)和電抗器中性點(diǎn)都接地時(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4)，由于電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地電抗相比較于電抗器的電抗器可以忽略，其TRV的首開極系數(shù)均為1.0。

1.1.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)回路

依據(jù)《IEC 62271—110:2012 Inductive load switching》及《GB/T 29489—2013高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的感性負(fù)載開合》，標(biāo)準(zhǔn)給出的并聯(lián)電抗器開合試驗(yàn)三相回路和單相回路原理圖見圖1、圖2所示。

圖1 并聯(lián)電抗器開合試驗(yàn)三相回路Fig.1 Three-phase circuit of shunt reactor switching tests

圖2 并聯(lián)電抗器開合試驗(yàn)單相回路Fig.2 Single-phase circuit of shunt reactor switching tests

圖1、圖2中：Us為試驗(yàn)電源；LS為試驗(yàn)回路電抗器；Cs為試驗(yàn)回路電源側(cè)對地電容；Lb1、Lb2為被試斷路器電源側(cè)和負(fù)載側(cè)連接線電感；L為負(fù)載側(cè)電抗；CL為負(fù)載側(cè)電容；R—負(fù)載側(cè)電阻；CB為被試斷路器

1.1.3 電源側(cè)回路的要求

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電源回路電感LS既不應(yīng)小于斷路器額定短路電流對應(yīng)的電感，也不應(yīng)大于負(fù)載回路電感L的10%。電源側(cè)電容CS至少應(yīng)是負(fù)載側(cè)電容CL的10倍。電源側(cè)回路所產(chǎn)生的TRV對整個試驗(yàn)回路的影響可以忽略不計(jì)。導(dǎo)線連接回路的總電感Lb=Lb1+Lb2應(yīng)盡可能的小。

1.1.4 負(fù)載側(cè)回路的要求

負(fù)載回路由空心或鐵芯電抗器并聯(lián)有一定數(shù)值的電容器和電阻組成，用來確保產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的預(yù)期的TRV。電容主要用來調(diào)節(jié)TRV的峰值時間t3，電阻主要用來調(diào)節(jié)TRV的幅值Uc。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

為了驗(yàn)證高壓斷路器開合并聯(lián)電抗器的能力，《IEC 62271—110:2012 Inductive load switching》及《GB/T 29489—2013高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的感性負(fù)載開合》在每個額定電壓等級下規(guī)定了兩檔試驗(yàn)電流及電壓參數(shù)，分別對應(yīng)于負(fù)載回路1、負(fù)載回路2。實(shí)際上就是電抗器分別取兩檔電感值時，系統(tǒng)中的負(fù)載電流值和開斷后的TRV值。見表2

表2 負(fù)載回路1、2的電流參數(shù)Table 2 The current parameters of load circuit 1 and load circuit 2

2 開合并聯(lián)電抗器試驗(yàn)回路暫態(tài)電壓計(jì)算

2.1 首開極單相等效電路

高壓斷路器開合系統(tǒng)中的并聯(lián)電抗器，截流過電壓和復(fù)燃過電壓最嚴(yán)酷的工況將出現(xiàn)在首開極。因此，僅需計(jì)算出斷路器開合并聯(lián)電抗器時首開極的暫態(tài)電壓，設(shè)計(jì)并聯(lián)電抗器開合試驗(yàn)三相回路和單相回路時以首開極的暫態(tài)電壓為設(shè)計(jì)參考，充分考慮過電壓保護(hù)與絕緣配合。

電力系統(tǒng)中斷路器開合并聯(lián)電抗器的三相等效開合電路如圖3(a)所示，首開極開斷時的等效電路如圖3(b)所示，當(dāng)首開極開斷時晚開兩極的電源側(cè)可以等效通過無線長母線接地。

(a)三相開合電路 (b)首開極開斷過程 L-單相并聯(lián)電抗器電感；CL-并聯(lián)電抗器的對地電容； LN-并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)電抗器電感；CN-并聯(lián)電抗器中 性點(diǎn)電抗器對地電容。圖3 并聯(lián)電抗器開合電路及首開極開斷過程Fig.3 Circuit of shunt reactor switching and breaking process of first-pole-to-clear

由圖3(b)可以得出首開極單相開斷等效電路如圖4所示。

圖4 首開極等效開斷電路Fig.4 Equivalent circuit of first-pole-to-clear

首開極開斷后負(fù)載電抗等效為電感值為L′的負(fù)載電抗器，k=1/(2+L/LN)為中性點(diǎn)偏移系數(shù)。根據(jù)表1所示的系統(tǒng)運(yùn)行回路結(jié)構(gòu)，對于中性點(diǎn)接地的電抗器LN=0，k=0，則L′=L；對于中性點(diǎn)絕緣的電抗器LN=∞，k=0.5，則L′=1.5L。U0是開斷時刻工頻對地峰值電壓，是單相電抗器上的峰值電壓。

2.2 截流過電壓計(jì)算

高壓斷路器開斷負(fù)載電抗器，截流時刻區(qū)域的電流及電壓變化如圖5所示，當(dāng)電流減小到ich及電弧電壓為ua時電流截?cái)?，斷路器開斷電抗器的感性負(fù)載電流。

圖5 截流開斷電流及電壓圖解Fig.5 The current and voltage diagram of current chopping

以開斷時刻工頻對地峰值電壓U0為基準(zhǔn)電壓，則圖5中截流瞬間電弧電壓的標(biāo)幺值為kin-1。當(dāng)開斷瞬間電容和電感上存儲的電磁能量全部轉(zhuǎn)移到電容上時，電抗器開斷點(diǎn)的對地過電壓的達(dá)到最大值，不難得出對地抑制峰值過電壓的標(biāo)幺值ka為

(1)

從式(1)中可以看出，對于系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)已知的情況下，影響ka的主要因素為電弧電壓和截?cái)嚯娏?，分別對應(yīng)于電容上存儲的電場能量和電感上儲存的磁場能量。不同類型高壓斷路器的電弧電壓和截?cái)嚯娏骶煌?，在具體計(jì)算時可以查閱相關(guān)的研究數(shù)據(jù)。

考慮到負(fù)載側(cè)回路的固有振蕩頻率要比電源的頻率高出很多倍，因此負(fù)載側(cè)回路再經(jīng)過二分之一周期振蕩，電容上的電能反向振蕩到最大，此時電源側(cè)開斷點(diǎn)的電壓保持U0不變。為了簡化理論分析，且考慮絕緣裕度，忽略負(fù)載側(cè)回路的電阻R，取振幅系數(shù)為2.0，則并聯(lián)電抗器對地暫態(tài)電壓峰值的標(biāo)幺值kc為

kc=2k+ka

(2)

作用在斷路器斷口間的TRV標(biāo)幺值krv為

krv=1+kc=1+2k+ka

(3)

TRV標(biāo)幺值kc和krv的圖解如圖6所示。抑制對地電壓峰值的標(biāo)幺值kc是電流開斷后，單相并聯(lián)電抗器對地的電壓，該電壓值低于等效電抗器L′兩端的最大過電壓，首開極開斷后電抗器的中性點(diǎn)偏移所造成的，k表征中性點(diǎn)電壓偏移幅值的標(biāo)幺值。

2.3 復(fù)燃過電壓計(jì)算

高壓斷路器開斷并聯(lián)電抗器的燃弧時間達(dá)到最短燃弧時間時，容易在截流過電壓的幅值處發(fā)生復(fù)燃，從而導(dǎo)致最大的復(fù)燃過電壓。假定在圖5所示的截流過電壓幅值處發(fā)生復(fù)燃，定義復(fù)燃過電壓的阻尼系數(shù)為β，則并聯(lián)電抗器對地暫態(tài)電壓峰值的標(biāo)幺值kp為

kp=1+β(1+2k+ka)

(4)

作用在斷路器斷口間的TRV標(biāo)幺值ks為：

ks=kp+kc=(1+β)(1+2k+ka)

(5)

標(biāo)幺值kp和ks的圖解如圖6所示。重燃是正常現(xiàn)象，但對滅弧室和并聯(lián)電抗器繞組上的絕緣會形成很大的威脅，基于實(shí)際的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，阻尼系數(shù)β的取值通常為0.5。

圖6 截流過電壓及復(fù)燃過電壓圖解Fig.6 The chopping overvoltage and reignition overvoltage diagram

3 開合并聯(lián)電抗器試驗(yàn)回路避雷器選用策略

根據(jù)上述分析，高壓斷路器在開合并聯(lián)電抗器試驗(yàn)時，會產(chǎn)生很高的截流過電壓和復(fù)燃過電壓，對試驗(yàn)回路電源側(cè)一次主設(shè)備和負(fù)載側(cè)電抗器的絕緣配合應(yīng)以開合過程中出現(xiàn)的復(fù)燃過電壓為參考依據(jù)?！禝EC 62271—110:2012 Inductive load switching》及《GB/T 29489—2013高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的感性負(fù)載開合》要求試驗(yàn)報(bào)告中測量復(fù)燃的暫態(tài)電壓參數(shù)。

負(fù)載側(cè)電抗器的絕緣配合的總體思路是要求其絕緣水平至少要高于所估算的復(fù)燃過電壓值，但過多的提高負(fù)載電抗器的絕緣水平會增加設(shè)備制造的難度和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，可以通過在并聯(lián)電抗器對地加設(shè)避雷器，來限制在多個電流過零點(diǎn)多次復(fù)燃時的過電壓，達(dá)到保護(hù)負(fù)載電抗器的目的。避雷器的動作電壓要高于正常的復(fù)燃過電壓，且避雷器的殘壓值要低于負(fù)載電抗器的絕緣水平。

電源側(cè)一次主設(shè)備在復(fù)燃時，復(fù)燃過電壓對一次主設(shè)備的絕緣形成威脅，要求在斷路器的電源側(cè)裝設(shè)對地的避雷器保護(hù)一次主設(shè)備，要求避雷器的動作后的殘壓要低于升壓變壓器的絕緣水平。

4 結(jié)論

通過研究高壓交流斷路器開合并聯(lián)電抗器試驗(yàn)回路暫態(tài)電壓計(jì)算和過電壓保護(hù)，得出以下主要結(jié)論：

1)通過分析標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 29489—2013高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的感性負(fù)載開合》和《IEC 62271—110:2012 Inductive load switching》，討論了標(biāo)準(zhǔn)中不同接地系統(tǒng)和不同并聯(lián)電抗器接地方式下試驗(yàn)回路和試驗(yàn)參數(shù)的規(guī)定，適用于不同的電壓等級和接地情況。

2)分析三相開斷過程得出首開極承受的暫態(tài)電壓最嚴(yán)酷，以首開極單相等效電路分析與討論了截流過電壓和復(fù)燃過電壓的標(biāo)幺值計(jì)算方和計(jì)算過程。

3)試驗(yàn)回路電源側(cè)一次主設(shè)備和負(fù)載側(cè)電抗器的絕緣配合應(yīng)以開合過程中出現(xiàn)的復(fù)燃過電壓為參考依據(jù)，合理選擇電源側(cè)和負(fù)載側(cè)避雷器參數(shù)。