10kV并联电抗器合闸过电压的计算与分析 (3)

10kV并联电抗器合闸过电压的计算与分析

印 华

（重庆电力科学试验研究院）

摘要：针对某些变电站出现的对10kV并联电抗器进行合闸操作时开关柜发生爆炸的事故，本文分析了并联电抗器合闸过电压产生的原因，并用EMTP对合闸过电压进行了理论计算。计算结果表明，真空开关合闸时发生弹跳是合闸过电压产生的主要原因，阻容吸收装置对该类过电压有较好的抑制作用。

关键词：并联电抗器；真空开关；弹跳

1 前言

并联电抗器作为电网的无功补偿设备，对于稳定电压、提高供电质量有着重要的意义。并联电抗器的投切也是电网中较为频繁的操作。在投切电抗器的时候通常研究的是分闸时真空开关发生截流、重燃产生的过电压，而对合闸时产生的过电压研究较少[1-3]。但是在某些变电站，对并联电抗器进行合闸操作时，发生了开关柜爆炸的事故。为此，笔者专门针对并联电抗器合闸时产生的过电压进行了计算分析。

2 并联电抗器合闸过电压产生原因分析

在对电抗器进行合闸操作时，如果断路器触头同期性差，非全相合闸会产生一个电磁振荡过程，在一定的参数情况下还会产生谐振过电压。如图1所示，A、B、C三相合闸时，如果合闸时间不一致，回路中就会存在电磁振荡的过程，如果电容和电感的匹配，还会产生谐振过电压。

对于某些质量不好的真空开关，在合闸的过程中，开关触头发生弹跳（震动），也会产生过电压。开关触头的弹跳是指开关的触头发生了一个合上以后又分开，然后又合上的过程，或者持续合上又分开直至完全合上不再分开的过程。在这个过程中触头分开的距离不大，断口的电弧会发生重燃，截留现象，回路中会产生高频的电磁振荡，产生过电压。

图1 电抗器回路示意图

3 计算结果及分析

利用电磁暂态仿真程序（EMTP），进行了10kV真空开关对并联电抗器进行合闸操作产生过电压的理论计算。计算原理如下图所示。

图2 计算模型

计算中的主要参数如下：断路器的截断电流为3A；电抗器电感为42.5mL，杂散电容取10PF，配变的入口电容100pF，配变的电感取10mL。

计算结果如下所列。

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图3 开关同期合闸不发生弹跳的电压波形

（b ）电抗器侧

图4 开关不同期合闸（三相触头相差1ms）

不发生弹跳的电压波形

（a ）母线侧 A 相峰值大约为：16kV

图5 开关A 相触头发生弹跳的过电压波形

从上面的计算结果可以看出，开关发生弹跳是导致合闸过电压产生的主要原因。本次的计算模型中，A 相触头发生弹跳，导致A 相开关的母线侧过电压约为16kV ，电抗器侧约为29kV 。

采用RC 阻容吸收装置和MOA 均能抑制截流过电压、多次复燃(重燃) 过电压。但由于MOA 不能抑制开关开断后断口间暂态恢复电压的上升速度，因而抑制高频过电压的效果远不如RC 阻容吸收装置好。并联RC 阻容吸收装置可限制电弧熄灭后加在开关触头上的暂态恢复电压，从而可限制开关复燃(重燃) 的发生。一旦复燃(重燃)发生，电阻可起到衰减高频暂态过程的作用，电容可降低高频过程的频率，两者的联合作用可起到良好的限制复燃(重燃) 高频过电压的作用。

本次计算，采用的阻容吸收装置中，电容0.4μF ，电阻40Ω。计算原理和结果见图6和图7所示。

图6 加入阻容吸收装置后的计算模型

（a ）母线侧

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（b ）电抗器侧

图7 加入阻容装置后开关A 相触头发生弹跳的电压波形

根据上面的计算结果来看，阻容能够很好的抑制此类过电压。母线侧和电抗器侧均无过电压出现。

4 RC 装置抑制开断电容器过电压的讨论

真空开关切除并联电容器时，由于开关发生重燃会产生较高的过电压，如3（一次重燃）、5（两次重燃）、7（三次重燃）倍，以次类推的过电压。切除并联电容器产生的过电压经常会导致开关柜的爆炸，对此类过电压的限制也一直是电力系统关心的问题。在常规的保护方面采用三星形或者四星形接法的避雷器，如果采用RC 装置去吸收此类过电压，并不会有什么效果，仅仅只是在并联电容器中多并了一个带电阻的电容器而已。但是如果采用一个更为合理的方法，在切除电容器发生重燃过电压时将这个电阻接入，由于电阻的阻尼作用，会降低过电压的频率和幅值。

下图是采用这种阻尼装置的接线回路图。其原理是用电阻器R 与间隙串联成过电压阻尼装置，该装置并联在电容器组的串联电抗器两端。当接通上述电容器组或切除电容器组时断路器发生重燃，作用在上述串联电抗器的电压超过间隙的击穿电压，间隙放电，便将与其串联的电阻器R 接入回路（并联在电容器组的串联电抗器上），该电阻器能消耗电磁振荡能量，阻尼回路中的过度过程，能抑制并联电容器上的过电压和涌流。在过度过程结束时，串联电抗器上的电压降至电容器组稳态电压的百分之几到十几，间隙电弧熄灭，将电阻器从回路中断开，以减少该电阻器的损耗。

图8 电容器组过电压阻尼装置示意图

阻尼装置中的阻尼电阻，在过电压发生时接入电路，对过电压和过电流产生阻尼作用，抑制过电压和过电流的发展。当阻尼电阻过大时，它流过的电流很小，对回路的影响也很小，相当于未接入阻尼电阻，不能产生阻尼作用；当阻尼电阻过小时，又相当于将电感短路，也不能起到阻尼作用。因此，在一定的回路条件下。必定有一个最佳电阻值，在此阻值可将电容器组的过电压或过电流降到可能的最低值，确保系统的稳定正常运行。

国内的很多单位对这种带阻尼电阻的阻尼装置作了大量的工作。上世纪80年代，浙江省电力试验研究所等单位在电抗率低于1%的并联电容器组中应用阻尼装置(称为阻尼式限流器)以限制合闸涌流，阻尼系统暂态过程。法国电力公司也在上世纪90年代将一类似装置用于并联电容器组保护来限制危险的操作过电压和合闸涌流。均收到了不错的效果。

5 结论

真空开关发生弹跳是并联电抗器合闸过程中过电压产生的主要原因。根据本次计算采用的参数，真空开关发生弹跳时，母线侧过电压约16kV （相对地），电抗器侧过电压约39kV(相对地)。

阻容吸收装置能够很好的抑制该类过电压。本次模拟计算，采用电容0.4μF ，电阻40Ω的阻容吸收装置，真空开关发生弹跳时，母线侧和电抗器侧均无过电压产生。

并联在电容器的串联电抗器两端的阻尼器能够较好的抑制电容器合闸时产生的涌流和分闸时开关重燃产生的过电压。