03-2 李秋玮 发电机出口断路器瞬态恢复电压(TRV)研究

发电机出口断路器瞬态恢复电压（TRV）研究

东北电力设计院李秋玮，刘尧

摘要：

断路器的瞬态恢复电压对于断路器开断故障电流至关重要。本文通过仿真计算，得到了不同故障情况下的发电机出口断路器的瞬态恢复电压波形，并针对影响瞬态恢复电压的因素进行了研究，得出了各种因素作用下，发电机出口断路器瞬态恢复电压所受影响的情况。最后，本文又针对工程实例，对发电机出口断路器瞬态恢复电压进行了计算，得到的结果满足IEC 62271-100-200对电缆系统断路器瞬态恢复电压的要求。

关键词：断路器；瞬态恢复电压；幅值；上升率

一概述

断路器瞬态恢复电压是指断路器电弧熄灭之后，在断路器触头上出现的具有显著瞬变特性的恢复电压。从灭弧角度来看，在开断短路故障时，瞬态恢复电压具有决定性的意义。该电压取决于回路和断路器的特性，由工频分量和瞬态分量（可以是非周期的、单频或多频的振荡）叠加而成[1]。

目前国内对于发电机出口断路器瞬态恢复电压的研究较少。张万荣、赵伯南、苟锐锋[2]对发电机出口真空断路器瞬态恢复电压进行了计算，对阻容吸收器对瞬态恢复电压的影响进行了计算，但对避雷器对瞬态恢复电压的影响仅做的定性分析。对于发电机出口断路器，其额定电压通常不大于27kV（根据发电机出线电压不同），IEC 62271-100-200和GB 1984-2003中对其TRV的描述方法采用两参数法。

本文中将采用EMTPE（Electromagnetic Transient & Power Electronics）软件对发电机出口断路器瞬态恢复电压（TRV）进行计算，并对影响断路器瞬态恢复电压的外部因素分别进行计算分析。

2 计算模型

2.1 电气主接线

为了简化计算模型，本报告中将先对单台发电机组-变压器-系统的接线型式进行计算，多台机组的接线形式将在后面进行计算。

单台发电机组-变压器-系统的接线图见图1。

图1 单台发电机组-变压器-系统的接线图

2.2 故障设置

对于短路故障，计算中将考虑以下两种短路情况。

(1) 主变压器低压侧出线端发生三相短路；

(2) 发电机出线端发生三相短路。

对于三相短路故障，首开相的瞬态恢复电压最大，因此在研究中将针对三相短路故障时首开相瞬态恢复电压进行计算。

对于失步故障，考虑最严重情况，即发电机出口断路器断开后，在断路器断口两侧的电势相位差为180度。

3 计算结果及分析

两种短路情况及失步故障时的发电机出口断路器瞬态恢复电压波形见图2，3，4。计算结果对比见表1。从计算结果中可以看出，两种短路故障情况下，主变压器低压侧出线端三相短路时的瞬态恢复电压的幅值较大，而发电机出线端三相短路时的上升率较大。失步故障的瞬态恢复电压幅值和上升率都很大。

表1 断路器瞬态恢复电压计算结果对比表

主变压器低压侧出线端三

相短路

发电机出线端三相短路失步故障瞬态恢复电压幅值40.71kV 34.04kV 53.28kV 百分比100% 83.62% 130.88%

瞬态恢复电压上升率 3.107kV/us 4.753kV/us 7.139kV/us 百分比100 152.98% 229.77%

图2 主变压器低压侧出线端三相短路时断路器瞬

态恢复电压波形图3 发电机出线端发生三相短路时断路器瞬态恢

复电压波形

图4 失步故障时断路器瞬态恢复电压波形4 影响瞬态恢复电压的因素分析

4.1 电容器的影响

为了抑制发电机出口断路器瞬态恢复电压，通常的做法是在发电机出口断路器的两侧各设置一个电容器。增加电容器后，两种短路情况及失步故障时的发电机出口断路器瞬态恢复电压波形见图5，6，7。断路器两侧增加电容器前后的瞬态恢复电压结果对比见表2。

从对比结果可以看出，发电机出口断路器两侧增加电容器后，其断路器瞬态恢复电压幅值变化不大，但是瞬态恢复电压上升率却大幅度降低，这对于断路器的灭弧有很大的好处。

需要注意的是，失步故障时，断路器两侧增加电容器后，失步震荡的中心发生了变化，导致瞬态恢复电压幅值反而较增加电容器前增大了。

表2 断路器两侧增加电容器前后的瞬态恢复电压结果对比

主变压器低压侧出线

端三相短路

发电机出线端三相短路失步故障

增加电容器前增加电容

器后

增加电容

器前

增加电容

器后

增加电容

器前

增加电容

器后

瞬态恢复电压幅值40.71kV 40.92kV 34.04kV 36.29kV 53.28kV 61.50kV 百分比100% 100.5% 100% 106.6% 100% 115.4%

瞬态恢复电压上升率3.107

kV/us

0.085

kV/us

4.753

kV/us

0.060

kV/us

7.139

kV/us

0.113

kV/us

百分比100 2.7% 100% 1.3% 100% 1.58%

图5 主变压器低压侧出线端三相短路（增加电容器）时的瞬态恢复电压波形图6 发电机出线端三相短路（增加电容器）时

的瞬态恢复电压波形

图7 失步故障（增加电容器）时的断路器瞬态恢复电压波形

4.2 避雷器的影响

发电机出口断路器的两侧通常都设有避雷器，下面将对避雷器对断路器瞬态恢复电压的影响进行计算分析。按照DL/T 620-1997，避雷器可以选择Y5W-25/53.4型（发电机额定电压为20kV）。目前国内