空载线路过电压切除技巧

切除空载线路是电网中最常见的操作之一。产生过电压的原因是断路器分闸过程中的重燃现象。

在切除空载线路时,断路器切断的是较小的容性电流,通常只有几十安到几百安,远比短路电流小。但是,能够切断巨大短路电流的开关却不一定能够不重燃地切断空载线路,这是因为在开关分闸初期,由于断路器(特别是油断路器)触头间恢复电压上升速度可能超过介质强度的上升速度,造成电弧重燃现象,从而引起电磁振荡,出现过电压。运行经验表明,断路器灭弧能力越差,重燃几率越大,过电压幅值越高。

过去,在110～220kV系统中,由于断路器的重燃问题没有很好地解决(如老式的油断路器),致使这种过电压可高达3p.u.以上,持续时间长达0.5～1个工频周期。因此,切除空载线路过电压成为确定超高压等级电气设备的操作冲击绝缘水平的主要依据。

1.过电压产生的物理过程

空载线路可用T型等值电路代替,如图3-24所示。

图3-24　切除空载线路时的等值电路

L T—线路电感;C T—线路对地电容;L S—电源系统等值电感(发电机、变压器的漏感之和);e(t)—电源电势;C S—电源侧对地电容(变压器、母线等对地电容);u AB—断路器触头两端的电压

设电源电势为e(t)=E m cosωt,电路中的容抗大于感抗,流过容性电流,因此,电流i(t)超前e(t)90°。忽略线路的容升效应,断路器分断之前线路电压u(t)(即电容C T上的电压)就等于电源电势。

在开断过程中,由于电弧的重燃和熄灭都具有很大的随机性,从偏高的角度出发,在分析时,是以可能导致最大过电压的前提来决定电弧的熄灭和重燃时刻。设断路器动作以后,触头开始分离;当t=t 1时,工频电流过零,电弧熄灭,此时电容上的电压为u(t)=-E m,如图3-25所示。不考虑线路的泄漏,断路器分断后,C T上的电压将保持-E m不变;但电源侧触头(A点)上的电压仍按电源电势变化(图3-25中虚线所示),于是断路器触头上恢复电压u AB[其值为u AB=e(t)-(-E m)=E m(1+cosωt),如图3-25中阴影部分所示]越来越大。

如果断路器触头间介质强度恢复很快,则电弧从此熄灭,线路被断开,分闸过程结束,不会产生过电压;否则,在t 1～t 2的时间间隔内可能发生重燃。

图3-25　切空线过电压的发展过程

t 1—第一次断弧;t 2—第一次重燃;t 3—第二次断弧;t 4—第二次重燃;t 5—第三次断弧(www.xing528.com)

按最严重情况考虑,设重燃发生在恢复电压u AB最大的时刻t 2,重燃前瞬间u AB=2E m。电弧的重燃首先使C T与C S并联起来,两电容上的电荷重新分配,然后电容C(C=C S+C T)上的电压过渡为电源电压E m。而此回路是一振荡回路,所以电弧重燃后将产生暂态的振荡过程,振荡频率为f 0=1/(2π),因网络参数的不同可达数百至数千赫兹。

电荷重新分配后电容上的电压为振荡电压的起始值,可以用下式计算

从式(3-35)可以看出,电源侧电容的存在使电压的起始值有所降低从而更接近于稳态值E m,这就减小了振荡产生的过电压。但在一般情况下,C S≪C T,因此在分析时忽略C s的作用,仍设起始电压为-E m。可以认为在高频振荡过程中,电源电势保持E m不变,由于回路中的损耗,C T上的电压u(t)会趋于电源电势E m。高频振荡时u(t)的最大值为E m+[E m-(-E m)]=3E m。

由图3-25所示,t 3时刻振荡电压到达最大值3E m,线路容性电流i(t)刚好过零点。从开关试验波形看,绝大多数是在高频电流第一次(很少有在第二次的情况)过零值瞬间熄弧,因此高频电流一般只有半个周波。电弧熄灭后,线路电容电压保持在3E m。

此后,触头之间的距离越来越大,但恢复电压越来越高。到t 4时刻,恢复电压u AB可达4E m,如在此时再次发生重燃,则C T上的电压将由3E m振荡变为-E m,振荡时的最大值为-E m+[-E m-(3E m)]=-5E m。假如继续每半个工频周期后就重燃,则线路上的过电压将按3E m、-5E m、7E m、…的规律变化,越来越高,直到触头间已有足够的绝缘强度,电弧不重燃为止。

2.影响过电压的因素

以上分析都是按最严重的条件考虑的,理论上可以达到很高的数值,实际上电弧的重燃不一定要等到触头两端达到最大值时才发生,重燃的电弧也不一定在高频电流第一次过零就立即熄灭,在高频振荡时电源电压也会略有下降,线路上的电晕放电、泄漏电导等也会使过电压的最大值有所降低。由于电弧过程具有强烈的随机性,不但使过电压幅值受到很大的限制,而且具有统计性质。

会影响过电压大小的因素归纳如下:

(1)断路器的性能。切除空载线路过电压的直接起因就是断路器触头间电弧的重燃,因此,断路器分断小电流时灭弧性能及电弧过程的随机性是影响过电压发展过程的主要因素。

虽然重燃次数不是决定过电压大小的唯一因素,还要看电弧重燃的时刻以及灭弧时刻,这两个因素有很大的随机性,但是,如断路器灭弧性能差、重燃次数多,发生高幅值过电压的概率就大。SF6断路器较油断路器的灭弧性能更好,且基本不重燃,所以过电压也比较低。

(2)母线出线数。当母线上有多路出线时,相当于加大了母线电容。切除其中的一条线路时,工频电流过零时熄弧,被分闸的线路保持-E m,未分闸的线路电压按电源电压变化。在重燃的瞬间,未开断线路(电压为E m)上的电荷将迅速与断开线路(电压为-E m)上的残余电荷中和,改变了电压的初始值,使之更接近于稳态值,因而降低了过电压。

(3)线路负载及电磁式电压互感器。当线路末端有负载(如空载变压器)或线路侧装有电磁式电压互感器时,断路器分闸后,线路上的电荷经由它们释放,将降低重燃后的过电压。我国220kV线路的多次拉闸试验表明,如果被切除的线路上接有电磁式电压互感器,则可使最大重燃过电压降低30%左右。

(4)中性点接地方式。中性点直接接地系统中,各相自成独立的回路,相间电容影响不大,切除空载线路过电压的产生过程如上所述。但在中性点非有效接地系统中,三相断路器的分闸不同期会形成瞬间的不对称电路,使中性点发生偏移,相间电容也将产生作用,使整个分闸过程变得更为复杂,在不利的条件下,过电压明显增大,一般比中性点直接接地时的过电压高20%左右。