断路器合闸操作过电压限制方法研究

阙东睿

中国医科大学,沈阳 110011

断路器合闸操作过电压限制方法研究

阙东睿

中国医科大学,沈阳 110011

空载长线合闸操作过电压是特高压与超高压电网中最严重的过电压[1]。本文采用ATP-EMTP软件对国内某550kV变电站合闸操作过电压进行仿真，对采用合闸电阻、无任何限制措施及采用避雷器三种情况下，线路上的过电压进行比对分析。在没有任何限制措施的情况下，线路过电压幅值达到1.95p.u.，采用合闸电阻可将线路过电压幅值限制到1.20p.u.以下，采用避雷器可将线路过电压限制到1.70p.u.以下。

断路器；合闸电阻；避雷器；合闸过电压

概述

空载长线合闸过电压是选择特高压与超高压电力系统绝缘水平起决定作用的因素[2]，对这种过电压的限制，一般有两种做法：一种是将断路器并联合闸电阻；另一种是仅仅利用避雷器来限制合闸过电压[3]。合闸电阻限制合闸过电压效果比较好，但是它是断路器中最薄弱的环节之一。随着避雷器制造技术的进步，具有较大吸收能力的金属氧化物避雷器(MOA)已在超高压电网中得到广泛应用[4]。国内某些工程为降低设备造价，已取消了断路器合闸电阻，仅用MOA限制500kV电网操作过电压[5]。

本文从可靠性出发，对国内某变电站断路器取消合闸电阻的可行性进行了研究，对该变电站操作过电压进行分析研究，并对仿真结果进行分析，比较了采用断路器合闸电阻与避雷器对合闸过电压的限制效果及两种方式的优缺点。

1 合闸过电压仿真计算

本文采用EMTP为仿真工具对该变电站中装有合闸电阻的断路器合闸时产生的过电压进行计算，然后在仿真等值电路中去掉合闸电阻，并在线路末端装设避雷器限制合闸过电压进行计算，将两种方式的过电压限制效果进行比较。

1.1 等效参数

1.1.1 母线排。母线排侧连接的是电源端，因此将其等效为一个幅值为1p.u.（450kV），频率为50Hz的电源。

1.1.2 断路器。本文涉及的断路器为双断口断路器，每个断口的极间电容为700pF，双断口串联电容为350pF。

1.1.3 输电线路。输电线路波阻抗为300Ω，波速为3*108m/s，长度为286. 34km。

1.1.4 高压电抗器。高压电抗器抗的容量为3*70MVar，高抗值为1444.7Ω，中性点小抗为1300Ω。

1.1.5 避雷器。本文中避雷器等效为非线性电阻，额定电压为444kV。

进行合闸操作过电压理论计算时，假定断路器三相完全同期操作，这时线路上三相的强制分量、暂态分量之和均为零，过渡过程的电压只取决于正序参数，即可用单相回路进行分析。

在断路器合闸时，存在合闸相角的问题，在电磁暂态程序的断路器模型中将开关的闭合和断开过程理想化，采用时控开关模型，考虑合闸在最苛刻的工作条件下，将开关设置在峰值合闸。考虑到线路中可能产生过高的过电压，这里将线路分成7段，并分别测量其过电压幅值。

本文在计算过程中时间步长取10μs，仿真时间为0.1s。

1.2 采用合闸电阻的操作过电压仿真计算

断路器并联合闸电阻是限制操作过电压的最主要措施之一[6]。概括地说，整个合闸过程分成两个阶段：第一阶段是接入合闸电阻，第二阶段是短接合闸电阻。第一阶段中由于合闸电阻对过渡过程起阻尼作用，所以希望其值较大，合闸电阻值越大，过电压就越低；第二阶段中合闸电阻值越大，闭合主触头时过渡过程越剧烈，过电压也就越高，所以希望合闸电阻值越小越好。所以要选择合适的阻值。这里取合闸电阻为425Ω。

本文中的断路器有两个主断口开关K1、K2和一个辅助断口开关K3。断路器合闸时，主断口开关K1、K2同时闭合，将合闸电阻接入，10ms后辅助断口开关K3闭合，将合闸电阻短接。

在对操作过电压计算时，计算了线路上各节点的过电压幅值，如表1所示。

断路器并联合闸电阻将线路上过电压限制到1.20 p.u.以下，合闸操作过电压沿线分布呈现缓慢上升的趋势，限制效果比较明显。

经过计算可得合闸电阻产生的热量约为224kJ。合闸电阻受热容量限制，接入时间一般不能超过10ms，故需规定热容量和接入时间。若超过规定热容量或不能及时短接合闸电阻，合闸电阻就会发生爆炸，损坏断路器和周围设备。

当合闸电阻 时，即去掉合闸电阻，操作过电压无任何限制措施时，计算了线路上各点的过电压幅值，如表2所示。这时，线路上各点的过电压幅值比较大，线路末端最大，达到1.95 p.u.。

1.3 采用避雷器的操作过电压仿真计算

避雷器是一种保护电器，用来限制电器设备上承受的过电压。现代避雷器除限制雷电过电压外，还能限制一部分操作过电压。随着金属氧化物避雷器(Metal Oxide Surge Arrester，以下简称MOA)质量的不断提高，越来越广泛的应用于限制各种操作过电压。

在输电线路首端和末端加设避雷器限制合闸过电压，计算线路上各点的过电压幅值，如表3所示。

从表3中可以看出，在节点7出有沿线过电压最大值1.70p.u.，距离线路首端约240km处。合闸操作过电压沿线分布呈现两端低、中间高的弓形，限制效果不如采用合闸电阻效果明显，可限制在1.70 p. u.以下。

2 结论

对比两种限制措施下的合闸过电压，可以得出以下结论：

2.1 在断口并联合闸电阻的方式对限制操作过电压起到很好的作用，可以将线路过电压限制在1.20p.u.以下，使线路过电压降低了43.6%，采用合闸电阻的效果要优于采用避雷器的效果。

2.2 装设避雷器也可限制线路上过电压，合闸操作过电压沿线分布呈现两端低、中间高的弓形，限制效果不如采用合闸电阻效果明显，可限制在1.70p.u.以下，使线路中部和末端过电压分别降低了12.8%和13.8%。如果取消合闸电阻采用避雷器限制线路过电压仍能满足限制合闸过电压的要求，那么取消合闸电阻不仅可提高断路器本身的可靠性，从而提高电力系统的可靠性，而且可以获得明显的经济效益。

[1]杜澍春.500kV电网线路断路器取消合闸电阻的可行性研究，电网技术[J]，1995，11（19）：30-34

[2]潘锡芒，王晓林，王秉钧.500kV断路器取消合闸电阻问题的探讨，西安工业学院学报[J]，2000，9（3）：187-193

[3]杨鹏程，陈水明，周宗川，张爽，黄永宁.避雷器代替750 kV线路合闸电阻.高电压技术[J]，2008，6（34）：1105-1108

[4]谷定燮，李国兴，周沛洪，梁志勇.取消500kV断路器合闸电阻有关问题的研究，中国电力[J]，1996，6（29）：28-31

[5]潘锡芒，王晓林，王秉钧.取消500kV电力系统线路侧断路器合闸电阻判据及分析，电气开关[J]，2000（4）：24-30

[6]王志刚，苏平.神头二电厂500 kV升压站线路断路器取消合闸电阻可行性论证分析，山西电力[J]，2005，12（6）：4-11

表1 采用合闸电阻的沿线路过电压幅值

表2 无限制措施的沿线过电压幅值

表3 采用避雷器的沿线过电压幅值

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.073