关键词：并联电抗器、操作过电压、截流过电压、规划设计
随着城市电网中高电压等级的长电缆型输电线路的广泛应用，并联电抗器开始应用在变电站内主变低压侧，用于补偿变低侧负荷轻载时过剩的容性无功，从而控制电网末端电压。目前，10kV侧并联电抗器的开断均采用真空断路器。真空断路器具有结构简单、开断容量大、熄弧能力强、维护简易、可频繁操作等优点，然而在对感性负载进行开断操作时容易因截流、重燃而产生过电压，严重时甚至发生设备灼伤、爆炸等危险，对设备运行产生一定的安全隐患。近年来已有多起因真空断路器投切并联电抗器导致的周边设备闪络、短路等故障。
1 事件经过
某地市级电网220kV变电站10kV #1站用变间隔分别于7月18日、8月24日的早上8点左右连续两次发生三相短路导致站用变跳闸故障，初步分析认为两次故障是由于10kV #2电抗器自动投切操作所产生的过电压所致。
站用变开关柜内至地下电缆端有放电痕迹，柜门因瞬时高温产生的强大气流而变形。根据故障后录波图可判断是单相对地发生放电进而发展为三相短路。
2 暂态过电压现场测试
为了对真空断路器投切10kV并联电抗器时电抗器及周边设备的过电压暂态过程和发生机理进行研究，现场对#2电抗器的#529断路器进行20次合、分操作，并测量电抗器投切过程中#1站用变及#2并联电抗器两端的暂态过电压幅值、电流幅值、振荡频率、振荡衰减时间。事故发生前的系统运行状态为整个10kV母线接近空载，负荷只带有电抗器、接地变、站用变、PT各一组。本次测试时保持系统状态与故障时相同，为不停电测试。试验接线如图1所示：
图1 现场测试接线图
由测试结果可知，在电抗器投切试验的第17次分闸过程中，电抗器首端电压（U2）的暂态峰值最高达到其稳态峰值的7.116倍，暂态电流（I1）峰值达到稳态电流峰值的2.928倍，超出标准允许范围。另对暂态电压波形（图2、图3）进行分析，后者的电压电流波形震荡幅值及频率比正常分闸时电抗回路的震荡高得多。因此分析得出该次操作存在因重燃而产生过电压的现象，并进一步发展为周边设备对地放电最终造成三相短路的故障。
a)电压 b)电流
图2 正常分闸情况下电抗器首端对地电压及电流波形
a)电压 b)电流
图3 发生重燃时电抗器首端对地电压及电流波形细节图
3 过电压产生机理分析
根据电路原理，电感等效回路的电流不能突变。而并联电抗器的投切会引起电网电磁参数（电感、电容参数）的变化，因此投切电抗器时可能在系统中产生剧烈的电磁振荡，这是电网产生操作过电压的根本原因。另外，随着并联电抗器的投切和系统运行方式的变化，可能造成系统内局部的电容、电感参数匹配不当而产生谐振的危险。长期的谐振过电压也会导致设备的过热甚至放电短路等现象。
本文结合系统运行情况与系统各元件参数，进一步分析该案例中过电压发生机理，总结出如下原因可能导致该案例的操作过程中产生的暂态过电压。
3.1 截流过电压
真空断路器灭弧能力强，在切除电抗器时可能使电流强制过零点从而产生截流过电压。电抗器连接回路中假设其对地等值电容值为C，C值大小由回路电缆对地电容值、电抗器杂散电容、匝间电容等综合等效而成。在电抗器等效回路中该等效电容与电抗器电感元件并联。U0、I0为等效电路的初始电压、初始电流，即开关断开时的母线工频电压和截流值。Um为开关断开后电抗器两端的最大过电压的理论值。
根据能量守恒原理可计算得出在切除电抗器后可能产生的最大过电压的理论值：
（1）
（2）
从公式可以看出切除电抗器产生的截流过电压理论值主要与开关开断时的截流值以及系统的电容电感参数有关。
一般认为真空断路器的截流值与电压等级并无直接关系[1]，文献[1]在实验室多次进行低压截流试验得到的最大截流值为9A，文献[2]通过试验得到中压真空断路器开断并联电抗器的截流值为4~6A。为了探究截流过电压的最大值，本文选取截流值I0=9A，此时过电压水平较高。在等效电路图中的电感电容值L、C是由多种参数等效而成。本文对模型进行简化，C值主要由电抗器与断路器之间的连接电缆对地电容决定，L选取并联电抗器铭牌电感值。
该站中电抗器与断路器之间的连接电缆为三芯电缆，其型号为YJV-8.7/15-3×120，长度约25m。该型号电缆的单位长度对地电容为260.3pF/m。因此该段电缆的对地电容为C=260.3pF/m×25m=6507.5pF
电抗器铭牌中电抗参数为XL=12.72Ω，可得电感参数L=40.51mH。
U0为母线相电压峰值，则
U0=kV=8.165kV
根据式（2）可得，由工频截流产生的过电压理论值为：
Um=23.89kV=2.93U0 （3）
可以看出，投切并联电抗器时的工频截流理论上会产生约2.93倍的过电压。实际电路中，由于各类阻尼产生的衰减作用，工频截流产生的过电压会小于此数值。
3.2 高频振荡引起的过电压
断路器投切并联电抗器的暂态变化是一个复杂的过程，除了上述工频截流产生过电压之外，还有一段暂态的高频电流振荡产生过电压。在该段暂态过程中，高频电流的振荡会产生一个与工频截流具有相同特点的虚拟截流，该段虚拟截流过电压远大于工频截流产生的过电压。因此，在现场对投切并联电抗器时过电压进行监测的试验中最高出现了7.116倍的过电压，远大于理论计算所得的最大可能产生的2.93倍过电压。
产生高频振荡从而引起过电压的根本原因是系统的电感回路发生变化时要保持电流不能突变，从而引发剧烈的电磁振荡，产生高频操作过电压。
4 结论及建议
根据上述对10kV真空断路器投切并联电抗器的过电压发生机理的分析，并结合该操作下暂态过电压的现场测试结果，可初步判定发生故障的原因是真空断路器投切并联电抗器时产生了较大的操作过电压并最终导致开关重燃所致。具体的发生过程和过电压影响因素以及在规划设计阶段的相关建议总结如下：
（1）操作过电压的暂态发生过程可由两个效应叠加而成，一是工频的截流过电压，理论上可最大产生2.93倍的过电压；二是高频电流分量引起过电压，由于投切电抗器导致系统电磁参数的变化从而引起高频振荡，产生的虚拟截流过电压具有更大危害。
（2）在并联电抗器的等效回路中，根据公式（2）可知，电缆对地电容和开关截流值均会影响截流过电压。为了降低过电压倍数，可通过适当增加电缆长度（增大对地电容值）或选择截流值较小的真空断路器。
（3）在变电站内10千伏电网中增大电抗器端的等效对地电容不仅可降低操作过程中的工频截流过电压，也可有效抑制暂态过程中的高频振荡。因此，建议在规划设计阶段，在站内10千伏电网中增大对地电容值的措施，除了增加断路器与电抗器之间的电缆连接长度，还可以在并联电抗器侧加装阻容吸收装置（并联电容器+电阻）配合避雷器使用。该装置不仅可以抑制过电压幅值，也可降低暂态过程的振荡频率。
参 考 文 献
[1] 杜宁，关永刚，张景生，等．40.5kV真空断路器开断并联电抗器的现场试验[J]. 清华大学学报，2010,50（4）：517-520
[2] 杜宁，关永刚，张景升，等．真空断路器开断并联电抗器的三相建模[J]．高压电器，2010(3)：6-9．
论文作者:王凯亮
论文发表刊物:《中国电业》2019年16期
论文发表时间:2019/11/29
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