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中高压开关设备小电流开合性能问题及对策

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    中高压开关设备小电流开合性能问题及对策

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    中高压开关设备小电流开合性能问题及对策 来源:   时间:2009-07-08  责任编辑:雨雯 标签: 王晋根 (正泰电气股份有限公司 201614) 信息来自:输配电设备网   摘要:介绍了小电感电流和电容电流开断关合的机理和技术特点。针对当前中压开关设备中开合小电流存在的问题,评介了各类开关开合小电流的特点和问题,并提出了应对措施。 信息来源:http://www.tede.cn   关键词:中压开关设备 开断关合 小电感电流 电容电流 专用开关 信息来源:http://tede.cn   0 引言 信息来源:http://tede.cn   本文所述的小电流不是指电阻性电流,而是指容性电流及感性电流。小电阻性电流是容易开断和关合的,但是容性电流及电感性的小电流开合时,对一些开关设备,在某些场合,有时会产生过电压或涌流,造成开合失败或者发生事故,以至引起人们的关注。 信息来源:http://www.tede.cn   1 开合小电流性能的重要性和意义 信息请登陆:输配电设备网   1 1 容性电流 信息请登陆:输配电设备网   电力系统每发电1kW,需要提供1.2~1.4kVar的容性无功,才能维持正常电压和运行,因此,容性电流是电力系统中普遍存在的,而且需要经常开合的一种小电流。如空载架空线、空载电缆及补偿电容器组。对于电压足够高的空载或轻载架空线或电缆,电容电流是比较大的,可以达到几十安培甚至几百安培电容电流,关合是可以引起相当陡度和幅度的关合涌流(尤其在背靠背情况下)。而开断时由于多次重击穿,可以产生严重操作过电压,可以引起对地绝缘,或相间绝缘的击穿。为此,对于72.5kV及以上电压等级的高压断路器,国际标准规定开合空载架空线是必须完成的型式试验项目之一。 信息来自:www.tede.cn   南方某大型核电站所采用的超高压输变电设备全是进口的,在上世纪九十年代初,曾发生因550kV GIS隔离开关开断空母容性电流,因特陡过电压,引起变压器纵绝缘击穿而烧坏变压器的恶性事故。这是一个很典型的例子。 信息来源:http://tede.cn   由于电力系统负荷多数是感性的,为了补偿感性负荷需要设置补偿电容器组,而随着城市电缆化发展,供电电缆长度和电压都有了较大提高,相应空载电缆的电容电流也有了提高,因此电容器组和电缆也必需设置开合电容电流性能优良的开关设备。 信息来自:输配电设备网   1.2 感性电流 信息来自:输配电设备网   电网中有时由于补偿过高容性电流而需要设置并联电抗器,而空载变压器、电动机也是一种小电感电流元件。在关合小电感电流时,可以有几倍到十几倍额定电流的冲击涌流,足以引发继电保护装置的误动作。而开断小电感电流时,由于可能截流开断,释放电感元件中磁场能量对地电容充电或振荡而引起过电压。 信息来源:http://www.tede.cn   西高所引进前苏联一号短路冲击试验发电机,由于起动电流过大,经常发生电动机线圈烧毁事故,后来专门开发机械起动装置,拖动电机由800kW改成1500kW后,事故率显著降低。上海人民广场的220kV地下变电站,电抗器开关原采用40.5kV真空断路器,由于截流过电压、击穿损坏主变压器,后改用SF6开关就解决了这一问题。 信息请登陆:输配电设备网   以上两例子可以说明,开关的小电感电流开合的重要性。容性电流和小电感电流是电力系统中普遍存在的,需要配置专用开关,而国内制造业普遍不重视开发这类开关设备,而电力部门到国外去高价采购,这是不合理的现象。 信息来自:输配电设备网   2 开合容性电流及小电感电流的机理 信息来自:输配电设备网   2.1 小电感电流开断与关合 信息来自:www.tede.cn   2.1.1 截流过电压 信息来源:http://www.tede.cn   小电感电流主要是指空载变压器、电动机与并联电抗器中所产生的电流。电感电流的相位滞后于电源电压90度。其开断过程波形如图1, 信息来自:www.tede.cn     电流接近过零i0时,由于电流在开关电器中强迫过零前开断,使得储存在电感中的磁场能量释放,如图2。向对地电容充电造成严重的截流过电压,严重时会造成对地绝缘或相间绝缘击穿。较大截流(I0)可以有数安培,主要发生在真空开关,强迫油吹或气吹开关中,而自能灭弧油开关、SF6开关中,截流电流很小,产生的过电压很小。目前变压器铁芯都用导磁性能良好的冷轧硅钢片。一般励磁电流小,情况并不严重,可能过电压幅值较大,陡度高,但能量并不大,一般采用氧化物避雷器是可以保护的,因此一般问题不大。 信息请登陆:输配电设备网   2.1.2 真空开关的截流过电压 信息来自:www.tede.cn   某些真空断路器(VCB)在断口有较大并联电容,小电流开断时有较严重过电压。 信息来源:http://tede.cn     图2是指断口不并电容,当VCB在i0截流及开断时,被开断电感LF向对地通常是杂散小电容CF,充电构成谐振过电压,并将VCB间隙击穿,构成高频电流振荡,高频电流又过零开断,又造成LF对CF放电振荡过电压,多次反复,直到真空开关弧隙介质恢复强度高到无法击穿为止。 信息来自:输配电设备网   负载的固有振荡频率为 WF = 当断口存在并联电容时,见图3。此回路在US,UF二个电源电压下形成振荡。其振荡频率为:W0 = 信息来源:http://www.tede.cn   如图3所示,其中,L0为电源电抗,Cb为断口电容,电源侧端子电压为: 信息请登陆:输配电设备网      为电源电压,当Wo接近于WF时,将会产生严重谐振过电压。不并断口电容器,负荷侧,挂RC(阻容)吸能链或适当参数氧化物避雷器,参数配合适当时可以降低过电压见图2-1。 信息来自:www.tede.cn   2.1.3 关合涌流 信息来自:输配电设备网   关合小电感电流,如短路阻抗比较小的情况,有可能产生比较大的涌流,如启动电动机时,在电动机静止状态,还没有反电势时,在不利相位关合时,有可能产生较大合闸涌流,甚至相当于关合短路、可以有十几倍的额定电流的涌流,会产生幅值和陡度较大的冲击电流,可顶掉继电保护装置,导致主触头熔焊,损坏电动机线圈,或二次系统感应较严重的过电压而损害绝缘。对于大电动机的起动,或采用专用机械起动装置,采取串接电阻或分级电压起动,以实现软起动。   2.2 开断和关合容性电流   2.2.1 开断机理 信息来源:http://tede.cn   容性电流是一种领前电源电压90度的电流,如图4所示。   容性电流理想的开断过程是这样的,当电流i过零开断时,电压正处于最大幅值 Um,并使电容器回路上保持残余电压Um,而电源侧电压仍以余弦函数变化,开关断口恢复电压以 Um(1-coswt)变化,当Wt=180度时,恢复电压值最大为2Um,此时开关断口介质强度恢复到能承受,则开断就完成了,如断口恢复电压最大时,此时断口击穿,则发生了第一次振荡(过电压3Um)。此后,电容电流又过180度过零开断,则电容负载上又残存着-3Um。如第二次又再过1800时,再重击穿,则电容回路上残余5Um电压,即更为严重的过电压,实际上电容负载上充电电荷会对地缓慢泄漏,重击穿也不会总是发生在180度相位时(见图4),因此实际运行时,这种严重过电压出现的概率是比较小的。 信息来自:输配电设备网   一般电容电流过零后,如断口间隙在90度前重建电弧,对地电压最大为Um,这不是过电压,在标准中这种情况称之为复燃。当90度以后发生断口间重建电弧时,对地电压大于Um,这就是过电压了。这在标准中称之为重击穿(也有叫重燃)。通常重击穿发生在180度之前,在180度以后发生重击穿是极少的。一般标准是允许复燃,但对重击穿是十分小心的,有的是不允许的,有的规定重击穿时过电压不超过规定值,或规定重击穿允许的概率。 信息来源:http://tede.cn   实际运行情况较复杂,当发生容性回路具有单相不对称短路,引起的非故障相运行电压升高,而使得切容性负载很严重,对空载架空线,法拉第效应沿线路向末端电压逐步升高,相间耦合,甩负荷等也会引起工频电压升高,此外,分闸同期性及相间耦合也会引起工频电压提升,这些常常会加重开断容性负荷,都是应该加以考虑的因素。 信息来源:http://tede.cn   2.2.2 关合容性负载的过电压与过电流   2.2.2.1 关合容性负载输电线路 信息来源:http://tede.cn   关合空载线路有两种情况需要操作。第一种是检修完线路,需要投入运行;第二种是重合闸切除故障后重合闸成功,再投入运行。关合空载线路时,由于受到电源电抗及线路电抗共同限流作用,一般涌流是不大的,人们也不太关心。但关合的过电压问题在超高压尤其是特高压情况下,操作过电压限制需要比较低,(特高压需限制操作过电压小于1.6~1.7)如电压相位关合时处在不利状况,关合时振荡过电压幅值可以接近于2倍。   如果是成功重合闸,在关合时,空载线路残留了较多电荷,即残压Uc,接近于电源电压幅值,不利相位合闸过电压可接近于3倍电源电压幅值,这种过电压是十分危险的(当然概率是很小的)。但只要控制重合闸相位,使关合时电源电压与线路残压同相位,则关合时过电压显著小于2倍电源电压幅值。也可采用单相重合闸,仅对故障相重合,则也可限制合闸过电压。 信息请登陆:输配电设备网   2.2.2.2 并联电容器组投入时的涌流   设置补偿电容器组一般在10、35、66kV电压等级,这些电压允许操作过电压水平较高,一般在3.5倍以上,因此关合电容器过电压问题不大。   在变电站中,为了运行时调节无功功率的方便,有时将电容器分成几组,每组由一台断路器控制,各组间并联连接,称为并联电容器组,常处于背靠背电容器组工况。 信息来自:www.tede.cn   图6中共有四组电容器,容量相等,经断路器CB1~CB4联到母线B上。当要求四组电容器全部投入运行时,则顺序投入。投入第一组时的涌流与上面单相电容器投入时的情况相同。投入第二组时,已带电的第一组电容器将向第二组电容器充电,也会出现涌流。由于两组电容器的安装位置相距很近,其间电感很小(几十微亨或更小),所以投入第二组电容器时,由第一组电容器向第二组电容器充电会产生很大的涌流,比第一组电容器投入时严重得多。同理,投入第三组、第四组时的涌流将更大。   (1) 暂不考虑电源提供的涌流;   (2) 将母线电感 合并到各组电容器的接线电感L2内,总电感为L,L≈L1+L2。   电路的简化过程见图7—a,最后得到图7—b,供计算涌流用的电路图。   断路器CBn关合时,已带电的(n-1)组电容器要对第n组电容器充电。由图5(c), 信息来源:http://www.tede.cn   充电后各组电容器上的稳态电压为:Um=U’m ×   由于充电电路中有电感,充电过程具有振荡形式,第n组电容器电压为   (a) 简化后的电路; (b)进一步简化后的电路 标签:   其中,充电后稳态电压 ,电源相电压幅值Um。 信息来源:http://www.tede.cn   振荡角频率为 = 信息请登陆:输配电设备网   第n组电容器中的涌流为: 信息来自:www.tede.cn   电压uc与涌流ic的波形图见图8,涌流峰值为 信息来自:www.tede.cn   涌流振荡频率为: 信息来源:http://www.tede.cn   从上面公式可知,涌流幅值与电感 成反比,而涌流频率f0与陡度和 成反比。 信息来源:http://tede.cn   容器组投入时的涌流比单组时大很多,涌流的频率也很高。限制涌流幅值与陡度最有效方法是电容器之间串接电抗器。 信息来源:http://tede.cn   某公司产生的低压补偿电容器组柜,曾发生过多起关合涌流烧坏控制接触器及电容器组事故,经分析是关合涌流过大所致,后在电容器组间加限流电抗器就解决了这一问题,以后就未发生过此类事故。 信息来自:输配电设备网   3 各类开关电器开合小电流性能分析 信息请登陆:输配电设备网   3.1 油开关 信息来源:http://tede.cn   油开关是一种传统型的开关电器,用的绝缘介质是矿物油,一般矿物油的绝缘性能和灭弧性能优于普通空气介质,但易燃易爆。对于自能灭弧多油开关,其开断小电感电流截流水平低,截流过电压水平也低,只要开断过程中有足够的介质恢复强度,开断小电感电流是可以满足要求的。 信息来源:http://tede.cn   对于电容器组和空载架空线,要求开断过程中断口有较高介质恢复强度,以保证不重击穿,不产生较严重操作过电压,这种情况下,如不采取措施,油开关就难以胜任。通常对于电容器组开关是采取并联电阻的方法,以分步开断,如图9。第一断口S1开断并联电阻以降低工频和恢复电压,第二断口S2开断时串电阻以降低工频恢复电压,这在以往中压油开关中是很普遍的措施。高压少油开关中,开断空载架空线时,用并联电阻方法不太方便,一般采用压油装置,在开断过程中,将新鲜油压入断口间隙以提高介质恢复强度,以避免发生开断过程中重击穿现象,使之顺利开断空载架空线。 信息来源:http://tede.cn   20世纪70年代末80年代初,行业中生产126kV、252kV高压少油断路器,在实际电网中,做了大量开断空载长线的现场试验,经过了对灭弧室和机构优化改进,取得了较好的效果,可以做到不重击穿。 信息来自:www.tede.cn   3.2 压缩空气断路器 信息来源:http://tede.cn   压缩空气断路器是将干燥空气压缩到20个大气压以上,在开断时将压缩空气释放吹向断口弧隙以增强灭弧能力,这类产品有较大噪音,但对其他环境没有什么影响,要求采用压力容器制造技术,主要用于高压断路器中,断口介质恢复强度较高,对于开断空载架空线有较好性能,目前俄罗斯在高压、超高压领域仍大量使用压缩空气断路器,发电机断路器也用这种产品,其他国家的高压、超高压断路器,因有性能更好的SF 断路器替代,现在已不用压缩空气断路器了。 信息来自:www.tede.cn   3.3 真空断路器 信息来自:输配电设备网   真空度达到10-7 时就有比较高的绝缘性能和灭弧性能。目前真空断路器主要用于中压范围内,中国的真空断路器主要追求开断大的短路电流,可以达到40kA、50kA甚至更高,但小电流开断性能并没有注重开发和研究。真空电弧在小电流时稳定性比较差,常会过零前提前截断(开断),截流能达到几安培,因此可以有较高截流过电压,这对于开断小电感电流是很不利的,需要RC吸能装置,以降低过电压,有的还配置氧化物避雷器。 信息请登陆:输配电设备网   对于开断电容器组情况,要求开断后能承受较高工频恢复电压,而不会产生重击穿,尽管真空断路器开断后断口具有较大介质恢复强度,但由于真空断路器触头开距较小,有时仍不能够满足开断电容器组所需介质恢复强度,特别是40.5kV电压等级电容器。 信息来自:输配电设备网   总之,真空断路器在开断大短路电流、频繁操作时,电寿命方面具有较优秀性能,但是小电流开断性能,特别是小电感电流开断性能,有不足的一面,因此,应开发满足开断小电流的专用真空开关。 信息请登陆:输配电设备网   3.4 SF6断路器 信息来源:http://tede.cn   SF6有较强绝缘性能和灭弧能力,当压力达到3个大气压时,相当于油的绝缘能力,而静态一个气压时,灭弧能力是空气的一百倍。在自能灭弧情况下,开断小电感电流时,SF6断路器基本没有截流情况,因此是理想的小电感电流开关电器。通常SF6开关电器触头开距较大,适当加大分闸速度,增加SF6气体压力可以获得较大介质恢复强度,这对用于电容器组的开关是有利的。当然目前有的行业同仁认为,SF6是京都会议限制的六种温室效应气体之一,要加以限制。实际上在六种温室效应气体之中,CO2数量最大,影响占40%以上,目前还在大量排放。而SF6气体使用量极低,总体影响量很少,尚没有一种绝缘灭弧介质可以取代。因此尽量少用,降低泄漏,寿命期后采取加强回收等措施,笔者认为仍可使用,不能偏废。 信息来源:http://www.tede.cn   4 改进小电流开断性能的建议和措施 信息来自:www.tede.cn   根据以上介绍和分析,改进小电流开断性能可以采取以下一些措施: 信息请登陆:输配电设备网   (1) 首先应进行市场调研,了解目前国内需要那些开合小电流开关设备,如中压电 信息来源:http://www.tede.cn   抗器开关,电容器组开关,变压器开关等,市场有多大,用户有哪些技术要求等; 信息来源:http://www.tede.cn   (2) 开发专用开合小电流(小电感、空缆和电容器组)SF6负荷开关或兼有开合短路电流的SF 断路器; 信息来源:http://www.tede.cn   (3) 应改进真空开关,适用于开合电容器组及小电感电流开关,或开发满足于小电流开合的专用真空负荷开关(主要是调节触头材料配方,改进灭弧结构)。 信息来源:http://www.tede.cn   (4) 建立满足电容器组(及电抗器、变压器试验室)的试验条件,能在试验室完成研究性试验和型式试验; 信息来自:输配电设备网   (5) 开展特高压、超高压断路器开合空载架空线的(特别是在断口电压较高的情况下)试验研究,以更好地降低操作过电压水平,提高输变电设备技术经济指标。 信息来源:http://tede.cn   王晋根(1939-),男,正泰电气股份有限公司总裁技术顾问,曾主持起草GB1984-80与GB4876-85国家标准及“九五”、“十五”高压开关行业发展规划等。 信息来源:http://tede.cn

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