彭 晶, 鄧云坤, 王 科, 黃金財, 耿 云, 閆 靜

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院, 云南 昆明 650217;2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備與電氣絕緣國家重點實驗室, 陜西 西安 710049)

0 引 言

電力系統(tǒng)為即時平衡系統(tǒng),因容性負載與感性負載的存在,大量的無功功率會產(chǎn)生于系統(tǒng)運行過程中,而無功功率會使得系統(tǒng)電壓發(fā)生偏離,產(chǎn)生損耗,為保證電力系統(tǒng)正常運行,必須進行無功功率補償[1]。根據(jù)電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗,每發(fā)出1 kW 的有功功率,需要有1.2～1.4 kvar 的無功功率才能維持電力系統(tǒng)的正常工作電壓[2-3]。投切電容器組是產(chǎn)生無功功率簡便經(jīng)濟的方法,廣泛應(yīng)用于10 kV、35 kV 和63 kV 電壓等級的電力系統(tǒng)中。在電力系統(tǒng)運行過程中,因電網(wǎng)負載情況波動頻繁,為提高電網(wǎng)功率因數(shù)、減少諧波、穩(wěn)定電壓和降低供配電的線路損耗,電容器組將會被頻繁地投入和切除。

真空斷路器具有以下4個優(yōu)良特性[4-5]:① 具有上萬次的機械動作壽命;② 真空滅弧室作為核心部件,其運行過程中觸頭無需維護;③ 真空滅弧室受環(huán)境變化影響小;④ 真空斷路器本身不會引發(fā)火災(zāi)與爆炸,對環(huán)境無任何污染。因此,真空斷路器特別適合于電力系統(tǒng)中的無功補償領(lǐng)域。然而在實驗研究和電力系統(tǒng)實際運行情況中發(fā)現(xiàn),真空斷路器投切電容器組時,尤其為背靠背電容器組,會出現(xiàn)較高概率的重擊穿現(xiàn)象,并且隨著無功補償系統(tǒng)電壓等級的提高,真空斷路器容性電流開斷弧后重擊穿概率有明顯上升的趨勢[6]。在真空斷路器關(guān)/合電容器組過程中,尤其背靠背電容器組,會產(chǎn)生幅值較高的高頻涌流,其預(yù)擊穿電弧會局部燒蝕加熱觸頭表面,使得動靜觸頭閉合時發(fā)生熔焊[7]。同時高頻涌流的引入,會在電容器組兩端產(chǎn)生過電壓,若不加以抑制,有擊穿損壞電容器組的危險[8-9]。緊接著在真空斷路器分閘過程中,當動靜觸頭打開時熔焊區(qū)域會被拉開并發(fā)生破裂,最終在觸頭表面形成突起,從而降低真空斷路器的絕緣強度,而開斷時幾百安的工頻電流只會局部老煉清除這些絕緣弱點。當容性開斷電流過零后,真空斷路器動靜觸頭兩端會承受含有直流分量的容性恢復(fù)電壓,開斷單相電容器組或三相負載中性點接地電容器組時恢復(fù)電壓峰值會達到2 倍系統(tǒng)電壓幅值,開斷三相負載中性點不接地電容器組時首開極恢復(fù)電壓峰值會達到2.5 倍系統(tǒng)電壓幅值。在該恢復(fù)電壓的作用下,真空斷路器可能會發(fā)生重擊穿現(xiàn)象,而且重擊穿甚至在開斷電流過零百毫秒后仍會發(fā)生,即延時重擊穿現(xiàn)象[10]。

選相控制真空斷路器是關(guān)/合電容器組時減小涌流的有效措施。為了限制合閘過程中的涌流和過電壓幅值,每相的最佳合閘時間是真空斷路器在電壓過零點合閘。由于電壓在過零點附近的變化率較高,相控合閘對真空斷路器及其控制系統(tǒng)的要求比較嚴格[11]。真空斷路器在合閘過程中必須具有較高的絕緣強度,特別是在較高的系統(tǒng)電壓下,以確保在合閘過程中真空斷路器觸頭接觸之前沒有明顯的預(yù)擊穿過程。用于相控的真空斷路器及其控制系統(tǒng)必須有能力保持合閘精度在±1 ms,具有這種精度的相控裝置才能有效限制涌流的產(chǎn)生[12-14]。

本文的目標是實驗及仿真研究杯狀縱磁觸頭和卍字形橫磁觸頭真空斷路器關(guān)/合電容器組時預(yù)擊穿時間及其分散性對選相關(guān)合電容器組抑制涌流的影響。

1 真空斷路器關(guān)/合電容器組實驗設(shè)置及實驗結(jié)果

真空斷路器容性合閘實驗回路原理圖如圖1所示。

圖1 真空斷路器容性合閘實驗回路原理圖

在實驗中,最初電容器組C1通過單獨的充電系統(tǒng)(圖1中未顯示)充電到電壓Us。當開關(guān)SWinrush一關(guān)閉,電壓Us就被施加到真空斷路器上,此時真空斷路器關(guān)合。在關(guān)合過程中,由于L1和C1的振蕩,涌流流過真空斷路器。實驗回路中電阻的存在,使得涌流由于阻尼振蕩最終降為零。容性合閘操作過程中的典型涌流波形如圖2所示。圖2中涌流的幅值為5 kA,頻率為4 250 Hz。

圖2 容性合閘操作過程中的典型涌流波形

實驗用真空斷路器為單斷口真空斷路器,分別為杯狀縱磁觸頭真空斷路器和卍字形橫磁觸頭真空斷路器。觸頭材料均為CuCr30。實驗前,真空滅弧室觸頭均被老練過。容性預(yù)擊穿實驗方案如表1所示。共進行兩組實驗,實驗1和實驗2分別測量了杯狀縱磁觸頭真空斷路器和卍字形橫磁觸頭真空斷路器在容性預(yù)擊穿過程中的預(yù)擊穿時間及其分散性。預(yù)擊穿時間為真空斷路器在關(guān)合過程中從預(yù)擊穿發(fā)生到觸頭閉合的時間差。

表1 容性預(yù)擊穿實驗方案

本文得到了實驗1和實驗2中真空斷路器容性預(yù)擊穿時間t的累積概率分布。該分布表示,當距離觸頭閉合前時間小于t時,真空斷路器發(fā)生預(yù)擊穿的概率。預(yù)擊穿時間累積概率分布的計算采用了威布爾分布進行擬合,其計算式為

(1)

式中:η——形狀參數(shù),η>0;

b——預(yù)擊穿時間t的特征值,b>0。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出η和b。

BIM技術(shù)是Building Information Modeling的簡稱，在對建筑的設(shè)計中，BIM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。BIM技術(shù)是建筑信息模型，該種模型的建設(shè)在近幾年的建筑行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，通過以三維數(shù)字技術(shù)作為建設(shè)的基礎(chǔ)，可以模擬建筑物的信息，掌握建筑物實際的操作和建設(shè)。BIM技術(shù)可以將建筑的所有信息通過數(shù)字表達的方式進行模擬，并建立建筑的三維模型，實現(xiàn)對建筑信息的統(tǒng)計和分析。

實驗1和實驗2中真空斷路器容性預(yù)擊穿時間的累積概率分布如圖3所示。

圖3 實驗1和實驗2中真空斷路器容性預(yù)擊穿時間的累積概率分布

另一個研究預(yù)擊穿時間的重要參數(shù)是預(yù)擊穿時間分散性σ。利用預(yù)擊穿時間的標準差可以計算出預(yù)擊穿時間分散性,其計算式為

(2)

式中:N——實驗次數(shù);

ti——第i次實驗時的預(yù)擊穿時間。

根據(jù)式(1)、式(2)計算,實驗1和實驗2中10%、50%和90%預(yù)擊穿時間及其分散性如表2所示。其中50%預(yù)擊穿時間t50最為重要,因為該值可以表征預(yù)擊穿時間的平均值。表2的最后一列顯示的是實驗1和實驗2的預(yù)擊穿時間分散性。

表2 實驗1和實驗2中10%、50%和90%預(yù)擊穿時間及其分散性

由表2可知,杯狀縱磁觸頭真空斷路器50%容性合閘預(yù)擊穿時間為1.41 ms,預(yù)擊穿時間的分散性為0.50 ms。卍字形橫磁觸頭真空斷路器50%容性合閘預(yù)擊穿時間為0.63 ms,預(yù)擊穿時間的分散性為0.30 ms,均顯著低于杯裝縱磁觸頭真空斷路器。

2 真空斷路器選相關(guān)合電容器組仿真計算及結(jié)果分析

本文根據(jù)實際40.5 kV真空斷路器投切電容器組實驗回路參數(shù)搭建仿真回路,用以研究真空斷路器預(yù)擊穿時間及其分散性對選相關(guān)合電容器組抑制涌流的影響。40.5 kV真空斷路器投切背靠背電容器組仿真回路如圖4所示。

圖4 40.5 kV真空斷路器投切背靠背電容器組仿真回路

圖5 在電壓峰值處關(guān)合真空斷路器的電壓、電流波形

在真空斷路器選相合閘背靠背電容器組時,理想狀況是在電壓過零點關(guān)合,這時電容器組兩端的電壓為0,流過斷路器的涌流即為0,可以有效抑制預(yù)擊穿過程中的涌流對真空滅弧室觸頭表面的燒蝕,從而減小容性開斷過程中重擊穿的產(chǎn)生[15-16]。但是在實際操作中,真空斷路器在觸頭閉合前會有預(yù)擊穿產(chǎn)生。在選相關(guān)合電容器組時,如果以觸頭閉合時間作為基準進行選相,真空斷路器會在電壓過零點前擊穿,回路會提前導(dǎo)通,此時涌流產(chǎn)生并流過真空斷路器。因此,真空斷路器容性關(guān)合預(yù)擊穿時間及其分散性會影響選相關(guān)合電容器組的準確性。為了研究真空斷路器預(yù)擊穿特性對選相關(guān)合電容器的影響,一共進行了4組仿真計算。真空斷路器選相關(guān)合電容器組仿真分組如表3所示。以觸頭閉合時間為基準選相關(guān)合電容器組時,第1組和第2組分別計算了杯狀縱磁觸頭真空斷路器和卍字形橫磁觸頭真空斷路器兩端電壓和涌流,并計算了預(yù)擊穿分散性對選相準確性的影響,即在電壓過零點前t50+σ、t50、t50-σ時將仿真回路導(dǎo)通。以預(yù)擊穿產(chǎn)生時間為基準選相關(guān)合電容器組時,第3組和第4組分別計算了杯狀縱磁觸頭真空斷路器和卍字形橫磁觸頭真空斷路器兩端電壓和涌流,并計算了預(yù)擊穿分散性對選相準確性的影響,即在電壓過零點前+σ、0、-σ時將仿真回路導(dǎo)通。仿真結(jié)果如圖6～圖15所示。測量每種仿真情況下的涌流最大幅值,結(jié)果如表4所示。

表3 真空斷路器選相關(guān)合電容器組仿真分組

圖6 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以預(yù)擊穿時間為基準進行選相時電壓過零點前0.5 ms回路導(dǎo)通

圖7 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以預(yù)擊穿時間為基準進行選相時電壓過零點后0.5 ms回路導(dǎo)通

圖8 卍字形橫磁觸頭真空斷路器以預(yù)擊穿時間為基準進行選相時電壓過零點前0.5 ms回路導(dǎo)通

圖9 卍字形橫磁觸頭真空斷路器以預(yù)擊穿時間為基準進行選相時電壓過零點后0.5 ms回路導(dǎo)通

圖10 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時間為基準進行選相時預(yù)擊穿回路導(dǎo)通

由表4可見,杯狀縱磁真空斷路器在關(guān)合5 kA涌流時預(yù)擊穿時間t50為1.41 ms,分散性為0.50 ms,也就是,預(yù)擊穿時間分布在0.91～1.91 ms。用此時間來模擬杯狀縱磁真空斷路器選相關(guān)合電容器組的預(yù)擊穿時間。當以真空斷路器觸頭閉合時間作為基準進行選相時,也就是在電壓過零點前0.91～1.91 ms回路導(dǎo)通。此時對應(yīng)的預(yù)擊穿涌流幅值為4.44～8.23 kA。同理,于卍字形橫磁真空斷路器,在關(guān)合5 kA涌流時的預(yù)擊穿時間t50為0.63 ms,分散性為0.3 ms,也就是,預(yù)擊穿時間分布在0.33～0.93 ms。當以真空斷路器觸頭閉合時間作為基準進行選相時,卍字形橫磁真空斷路器選相關(guān)合電容器組對應(yīng)的涌流幅值為2.04～4.52 kA。另一種選相關(guān)合電容器組的方式為以t50為基準進行選相,此時只需考慮預(yù)擊穿時間分散性對涌流幅值的影響。當以此方式關(guān)合電容器組時,對于杯狀縱磁觸頭真空斷路器,由于預(yù)擊穿時間分散性的影響,回路在電壓過零點-0.5～0.5 ms范圍內(nèi)導(dǎo)通,對應(yīng)的涌流幅值為0～2.77 kA。對于卍字形橫磁觸頭真空斷路器,由于預(yù)擊穿時間分散性的影響,回路在電壓過零點-0.3～0.3 ms范圍內(nèi)導(dǎo)通,對應(yīng)的涌流幅值為0～1.91 kA。

圖11 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時間為基準進行選相時預(yù)擊穿前0.5 ms回路導(dǎo)通

圖12 杯狀縱磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時間為基準進行選相時預(yù)擊穿后0.5 ms回路導(dǎo)通

圖13 卍字形橫縱磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時間為基準進行選相時預(yù)擊穿回路導(dǎo)通

圖14 卍字形橫磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時間為基準進行選相時預(yù)擊穿前0.5 ms回路導(dǎo)通

圖15 卍字形橫磁觸頭真空斷路器以觸頭閉合時間為基準進行選相時預(yù)擊穿后0.5 ms回路導(dǎo)

表4 不同選相方式時預(yù)擊穿涌流幅值

由仿真結(jié)果可以得出,以真空斷路器觸頭閉合時間為基準進行選相,可以抑制涌流幅值,但抑制效果并不理想,在選相關(guān)合電容器組時,應(yīng)考慮真空斷路器預(yù)擊穿時間及其分散性的影響。在選相關(guān)合電容器組時,以真空斷路器預(yù)擊穿時間t50為基準進行選相,可以有效降低涌流幅值,相比于以觸頭閉合時間為基準的選相,可以將涌流幅值降低50%以上。相比于杯狀縱磁觸頭真空斷路器,卍字形橫磁觸頭真空斷路器可以顯著降低預(yù)擊穿時間及其分散性。對于以觸頭閉合時間為基準的選相,預(yù)擊穿時間是影響涌流幅值的主要因素,卍字形橫磁觸頭真空斷路器相比于杯狀縱磁觸頭真空斷路器可以降低45%以上的涌流幅值。對于以真空斷路器預(yù)擊穿時間為基準的選相,預(yù)擊穿時間分散性是影響涌流幅值的主要因素,卍字形橫磁觸頭真空斷路器相比于杯狀縱磁觸頭真空斷路器可以降低28%以上的涌流幅值。

3 結(jié) 語

(1) 選相關(guān)合電容器組可以有效降低涌流幅值。相較于以真空滅弧室觸頭閉合時間為基準的選相方式,以預(yù)擊穿時間t50為基準的選相方式更有利于抑制涌流。

(2) 在關(guān)合電容器組時,相較于杯狀縱磁觸頭真空斷路器,卍字形橫磁觸頭真空斷路器有更小的預(yù)擊穿時間及其分散性。卍字形橫磁觸頭真空斷路器在投切電容器組時更有優(yōu)勢,尤其適合在選相投切電容器組時的應(yīng)用。