矿山供电网络操作过电压产生的原因及抑制措施

王红帆,孙耀明

(铜陵有色金属集团公司安庆铜矿, 安徽铜陵市 246131)

矿山供电网络操作过电压产生的原因及抑制措施

王红帆,孙耀明

(铜陵有色金属集团公司安庆铜矿, 安徽铜陵市 246131)

分析了矿山供电网络发生操作过电压的原因,探讨了抑制过电压的技术措施,介绍了安庆铜矿解决操作过电压问题所采用的技术方法和实际应用效果。

供电网络;操作过电压;抑制措施

0 前 言

在供电网络中,由于各种原因,如雷击、操作不当或参数不匹配等,都有可能造成供电网络中某些部分的电压突然升高,甚至大大超过正常值,造成供电设备损坏。

安庆铜矿为铜陵有色集团公司属下的一个大型矿山,年处理矿石115万t,其供电方式采用110kV双回路供电。在投产初期,经常出现在投入和切除空载时产生过电压现象,其中最为严重的一次是投运主变压器时产生线路过电压,导致一路高压电缆过电压击穿,一台高压柜烧坏。由于供电不正常,生产处于半停产状态。本次事故造成直接经济损失十几万元,间接经济损失上百万元。

通过专家会诊分析,确认造成故障的主要原因不是容量不足或变压器问题,而是“操作过电压”。在分合闸过程中,供电网络非常容易产生操作过电压,对于绝缘性能不好的电器设备极易产生击穿、烧毁现象。

为配合供电网络的改造,有效防止此类事故的再次发生,本文对供电网络操作过电压发生的物理过程、抑制措施、应对办法等进行了初步的分析与探讨。

1 操作过电压产生的原因及应对措施

操作过电压是电力系统中由于开关操作或事故状态而引起的瞬间过电压。在开关操作或事故过程中,系统的运行状态发生突变(操作前后)将引起系统中电容和电感的电磁场能量相互转换,在这一过程中,电网局部线路可能产生短时间高电压。常见的操作过电压主要在切除空载线路时和空载线路合闸时产生。

1.1 切除空载线路引起的过电压

切除空载线路是电网中最常见的操作过程之一。运行经验表明开关灭弧能力愈差,开关中电弧重燃的概率愈大,过电压可能性愈高,事故也就愈大,所以重燃是产生过电压的根本原因。据有关资料介绍,切除空载线路过电压,不仅幅值高,而且线路侧持续时间可达0.5～1个工频周期以上(即0.01 s以上)[1]。

1.1.1 产生过电压的物理过程[1]

空载线路用等值T形电路代替,如图1所示,简化后的等值计算电路如图2所示。

图1 等值电路

图2 简化后的等值计算电路

LT为线路电感,CT为线路对地电容,L为发电机、变压器的漏感之和,e(t)为电源电势,LS=L+1/2LT,UAB为触头A、B间的恢复电压。在等值计算电路中:e(t)=EMcosωt,则电流·cos(ωt+90°),Xc和Xs分别为电容和电感的容抗和感抗。

忽略线路电容效应的影响,在开关K断开之前认为线路电压u(t)(即电容CT上的电压)等于电源电压,设开关在t1时刻动作(见图3),电容CT上的电压为-EM,此瞬间流过开关的工频电流恰好为零,开关中发生第1次断弧,实际上开关在此之前的工频半周以内的任何一个时刻动作,只要不发生切断电流现象,开关中电弧总要到t1时刻才会熄灭,开关断开后线路电容CT上的电荷将保持下来,使线路保持这个残余电压-EM,但开关电源侧触头上(A)点的电压仍按电源余弦电势变化(图中虚线所示),于是开关触头上出现愈来愈高的恢复电压UAB(图中阴影部分),其数学表达式为:UAB=e(t)-(-EM)=EM(1+cosωt)。

图3 电压波形

如果开关触头间去游离能力很强,电弧从此熄灭,线路被断开,无论为在线侧或线路侧都不会产生任何过电压,但若开关性能不良,而触头上的恢复电压UAB经0.01s后可达2EM,在这段时间内就有可能发生重燃。

为研究最危险的过电压情况,假定重燃发生在UAB最大时刻t2,如图4所示,此时UAB=2EM,e(t2)=EM,在电弧重燃瞬时,电源电压EM加在电感LS和具有初始值-EM的电容CT组成的振荡电路上,回路的固有振荡角频率为由于固有振荡频率比工频50周大得多,可以认为在高频振荡瞬间电源电势EM保持不变,即电源通过电感LS对电容CT充电的过程中,CT上电压所达到的最高值,即线路上的过电压的数值,忽略回路损耗所引起的电压衰减可按下式计算:

图4 电弧重燃时的振荡波形

过电压幅值=稳态值+(稳态值-初始值)

当线路CT上电压振荡达到最大值3EM瞬间t3时,开关中流过的高频振荡电流恰好为零,这时因为回路中流过的是电容电流,因此在t3时刻电弧又将熄灭,而电弧熄灭后线路上就保持3EM的残余电压值,假如在t3时刻电弧不能熄灭,那就要等到高频电流振荡衰减后的t4时刻工频电流过零时才会熄灭.此后触头之间的距离愈来愈长,则恢复电压也愈来愈高,到t4时刻恢复电压UAB可达4EM,如在此时再次发生重燃,CT上的初始值为3EM,稳态值为-EM,故

过电压幅值=稳态值+(稳态值-初始值)

假如继续每隔半个工频周期就重燃1次和重熄弧1次,则过电压将按3EM、-5EM、7EM…愈来愈高。

上面的分析,已经说明了过电压发展过程的本质,实际情况还要受到下列因素的影响。

(1)重燃的次数,它与开关的性能有关。次数越多,发生高幅值过电压的概率越大,通常油开关的重燃次数较多,有时可达4～6次,压缩空气开关重燃次数较小或不重燃。

(2)重燃发生的时间,如果电弧重燃发生在1/4工频半周t0时刻之前,则基本上没有过电压发生。

(3)中性点的运行方式,对切除空载线路过电压有很大影响。在中性点直接接地的电网中,各相有自己的独立回路,相间电容影响不大,切空载线路过程与上面讨论的情况相同,但中性点不接地或经消弧线圈接地时,三相开关分闸的不同期性,会形成瞬间的不对称电路,中性点将发生偏移,三相之间互相牵连影响,使分闸时开关中电弧燃烧和熄灭的过程变得很复杂,在不利的条件下,使过电压显著提高,远高出中性点接地时的过电压。

1.1.2 抑制措施

切除空载过电压是选择线路绝缘水平和确定电气设备试验要求的重要依据,采取措施消除或限制这种过电压,对于保证系统安全运行和进一步降低电网绝缘水平具有现实意义。因此,为有效抑制这种过电压,除选用灭弧能力强的快速开关外,还常采用以下措施。

(1)并联电阻。如图5所示,在开关主触头K1上并联一定大小(约3000Ω)的电阻R和辅助触头K2,以实现线路的逐级开断。在拉闸时,主触头K1先断开,此时并联电阻R1就被串联在回路中,抑制回路中的震荡,这时K1触头两端的恢复电压只是电阻R两端的压降,主触头K1上的电弧不易重燃,同时电阻R将消耗掉线路电容中一部分能量,经1～2个工频周期,在触头K2分闸时,由于前一阶段回路中的振荡受到了抑制,线路残余电压又较低,过电压也就显著下降。

图5 带并联电阻的开关

(2)线路侧接电磁式电压互感器。由于电压升高,引起磁路饱和后,阻抗降低的泄流作用,将降低线路上的残余电压,从而使这种过电压具有较低的数值。我国在220kV线路上试验结果表明,线路侧的电磁式互感器可使最大重燃过电压降低约30%左右[2]。同样道理,在直流接地系统中,当变压器低压侧连同变压器切除空载线路时,变压器铁芯的饱和对降低这种过电压也起到一定的作用。

(3)并联电抗器也可以减少电弧重燃的机会。

1.2 空载线路的合闸过电压

1.2.1 产生过电压的物理过程

等值电路同图2所示的切除空载线路。在合闸后的稳态过程中,线路上的电压由于电容效应自首端到线路末端将按正弦规律逐渐增高,在合闸初瞬间的暂态过程中,电源电压通过电感LS对电容CT充电,回路中将发生高频振荡过程,由于振荡频率很高可以认为在振荡初期电源电压为恒定值,故按等值电路来计算:E=Lsdi/dt+1/CT∫idt,E为合闸瞬间电源电压瞬时值,由此得出:E=LsCTd2Uc/dt2+Uc,它是线路电容CT上的电压UC对时间的微分方程,其解为:Uc=Asinω0t+Bcoωs0t+E,其中, ,A、B为积分常数。

由起始条件t0=0时,Uc=0,i=CTdUc/dt=0,故Uc=E(1-cosωt);当t=π/ω0时,coωs0t=-1,即合闸后π/ω0时刻Uc达到最大值Ucmax=2E。

1.2.2 抑制措施

(1)采用带并联电阻的开关,如图5所示,带并联电阻开关合闸时动作顺序与分闸相反,辅助触头K2先接通,电阻R对回路中的振荡过程起阻尼作用,使过渡过程中的过电压降低,电阻越大,阻尼作用越强,过电压也就越低,经1～2个工频周期以后,主触头K1闭合,将合闸电阻短接,完成了合闸操作。

(2)降低残余电压。采用接在线路侧的电磁式电压互感器在开关初合后几个工频周期内,就能把全部残余电荷泄放掉。

此外,据资料介绍,同步合闸也在研究中,即通过专门装置控制,使开关恰好在触头电位差为零时完成操作,就能基本上消除暂态过程,合闸过电压就大大降低。

2 应用情况

根据上面的分析,结合专家组的建议,安庆铜矿在后期的供电网络改造中,主要采用了在主开关并接电阻和在线路侧接电磁式电压互感器的方法,有效地解决了前期因操作过电压造成的供、用电设备损害问题,改造后未发生过因过电压而导致设备损坏的事故,保证了生产、生活正常供电,取得了明显的效果。

[1]苏文成.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,1990.

[2]熊开伟.交直流输变电技术[M].北京:水利电力出版社,1979.

2009-10-12)