過電壓真空斷路器或接觸器" href="http://m.023bufankeji.cn/pinpaishow.asp?categoryid=310&id=831" target="_blank">交流接觸器" href="http://m.023bufankeji.cn/pinpaishow.asp?categoryid=310&id=830" target="_blank">接觸器切合小電感電流負(fù)荷(如感應(yīng)電動機) 時可能產(chǎn)生過電壓。在切除過程中，小電流電弧在真空中的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生截流過電壓，另外，當(dāng)電流開斷相角很小時，會發(fā)生多次復(fù)燃過電壓；在關(guān)合過程中，由于其具有較強的高頻電弧熄滅能力，在預(yù)擊穿或觸頭發(fā)生彈跳時，易發(fā)生多次復(fù)燃過電壓，這些過電壓均會對電動機的絕緣產(chǎn)生危害，成為普遍引起關(guān)注的問題。某大型泵站運行了1 a 多來，改善功率因素的補償電容器組的串聯(lián)干式電抗器發(fā)生了多次損壞事故，電抗器表面環(huán)氧絕緣明顯開裂，其部位大多在電抗器靠端部的匝間。該補償支路與電動機支路并聯(lián)，每次啟停電動機組時，真空接觸器同時切合電動機和補償電容器組，這對于泵站是最頻繁和典型的操作方式。有必要對這些系統(tǒng)操作方式產(chǎn)生的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行模擬計算研究和實測，尋找事故原因采取應(yīng)對策略。
1 泵站配電系統(tǒng)及其運行工況簡介泵站配電系統(tǒng)為單母線分段方式。兩路35 kV 電源進(jìn)線，分別通過兩臺主變降壓到6 kV 系統(tǒng)； 每段母線帶6 臺電動機組。
以6 kV I段為例，該段母線送電到6 臺電動機組，母線對地安裝一組電容電感補償支路和一組避雷器。每一回電動機支路上，真空接觸器和電動機組之間對地安裝一組電容電感補償支路和一組避雷器，主要用于改善功率因數(shù)并限制對地過電壓。電動機主要參數(shù)為額定輸出功率1 400 kW，額定電壓6 000 V，額定電流195.3 A，額定轉(zhuǎn)速298 r/min，真空接觸器主要參數(shù)為額定工作電壓6 kV，額定工作電流400 A，額定開斷能力(25次) 3.2 kA。高峰運行時，一般投入6 臺電動機組，每段母線各帶3 臺，根據(jù)實際情況增加或減少機組的投入，因此，既有其它電動機組停運時單臺機組起停的工況，也有其它電動機組運行時單臺機組的起停工況，需要分別進(jìn)行研究。
2 EM TP 模擬計算和實測研究采用電磁暫態(tài)程序(EM TP) 對該配電系統(tǒng)各元件包括電源、架空線和電纜、變壓器、改善功率因數(shù)的電容器和電抗器、避雷器、電動機組和開關(guān)分別進(jìn)行了詳細(xì)的模擬。其中開關(guān)采用理想開關(guān)模型。開關(guān)合閘時，觸頭兩端電壓為零；開關(guān)分閘時，流過開關(guān)的電流為零。按廠家提供數(shù)據(jù)模擬，開關(guān)合閘三相不同期不超過3 m s，合閘彈跳時間不超過2m s，分閘截流小于3A。過電壓具有統(tǒng)計特性，在模擬計算時采用統(tǒng)計開關(guān)模型，每次切合操作都采用360 次隨機操作，在一周波內(nèi)均勻分布，并考慮計算中的最大過電壓。避雷器采用分段非線性電阻模擬。電動機組采用通用電機模型模擬，模擬電動機組原始參數(shù)。
根據(jù)系統(tǒng)運行的實際情況，設(shè)計了兩種計算工況，分別計算空母線合切電動機的暫態(tài)過程和母線上有多組電動機運行時合切電動機的暫態(tài)過程。受到系統(tǒng)實際運行情況的限制，現(xiàn)場實測了空母線合切電動機和母線上有一組電動機運行時合切電動機的暫態(tài)過程。現(xiàn)場試驗的實測主要是驗證計算，因此開關(guān)的操作次數(shù)僅為單合單分4 次循環(huán)，以觀察實測中有無分閘重燃等特殊現(xiàn)象。運行中損壞的為電抗器，因此電抗器的端電壓是關(guān)注的重點。在切電動機時，過電壓主要是由于截流和重燃引起的。電動機側(cè)有補償支路，切電動機磁場能量可以通過補償?shù)碾娙蓦姼谢芈氛袷庒尫牛纬闪伺念l振蕩(見2) ，使開關(guān)觸頭兩端的恢復(fù)電壓上升速度變緩而不易發(fā)生重燃，過電壓不會太高，即使有截流，除了開斷時有一幅值小于工頻穩(wěn)態(tài)幅值約一半的高頻振蕩外，與無截流時無多大區(qū)別。在實測中未發(fā)現(xiàn)分閘重燃現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的過電壓。計算時亦不考慮重燃。表1 統(tǒng)計了計算的最大過電壓數(shù)值。
國標(biāo)規(guī)定的66 kV 以下不接地系統(tǒng)的絕緣設(shè)計水平為計算最大操作過電壓4.0 pu。計算和實測均表明，各設(shè)備對地過電壓均低于2 pu，更遠(yuǎn)低于電氣設(shè)備的絕緣水平，補償支路中電容器兩端的最大過電壓小于1.5 pu，電抗器兩端的最大過電壓小于0.8 pu，母線上有多臺電動機組運行時分閘過電壓要比空母線時還略低些，這些電氣設(shè)備的正常絕緣水平都應(yīng)完全能夠耐受這種過電壓。
在關(guān)合電動機時，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓，國內(nèi)外研究表明，電動機合閘過電壓最高可達(dá)到3.8 pu，合閘過電壓與開關(guān)的性能(彈跳、三相非同期等) 和電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)有關(guān)，在開關(guān)發(fā)生預(yù)擊穿或觸頭彈跳時，易發(fā)生多次復(fù)燃過電壓。本泵站系統(tǒng)不考慮彈跳和考慮彈跳時的計算過電壓，及實測的過電壓統(tǒng)計如表2。
計算時，如果不考慮合閘彈跳(即正常情況)時，空母線和母線上有幾臺電動機組運行時產(chǎn)生過電壓大小基本相當(dāng)，遠(yuǎn)小于4 pu，避雷器不會動作，對電氣設(shè)備的正常絕緣無威脅。計算時，如果考慮合閘彈跳時，對過電壓影響甚大，以電抗器對地電壓為最高，接近3.5 pu，但仍在電氣設(shè)備絕緣水平允許范圍內(nèi)。電抗器兩端過電壓大幅度上升，接近2.7 pu，且波頭很陡，從正峰值到負(fù)峰值之間不到350μs，為高頻過電壓(見圖3) ，因此對電抗器的匝間和層間絕緣有較大的威脅。
由于實測操作次數(shù)少，不能象微機計算能夠模擬大量的操作，因此不一定能捕捉到最嚴(yán)重的過電壓。但實測能夠反映系統(tǒng)的實際情況，可對理論算結(jié)果進(jìn)行校核，從而驗證理論計算的結(jié)果。表2 表明實測過電壓數(shù)值和計算不考慮彈跳時相一致，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的過電壓，應(yīng)該指出，從實測波形可知，電容器對地的過電壓主要為工頻過電壓，而電抗器對地過電壓主要為高頻過電壓。從圖4實測的電抗器對地電壓波形，可以看到波形上有數(shù)kHz 高頻的振蕩波形。這是由于真空接觸器在合閘時發(fā)生彈跳具有分散性，計算考慮了最嚴(yán)重的情況(彈跳時間2 m s) ，實際在預(yù)擊穿或觸頭發(fā)生微弱彈跳時，由于真空接觸器具有較強的高頻電弧熄滅能力，可能發(fā)生多次復(fù)燃的高頻過電壓，雖然幅值不高，但這種陡度的過電壓會對電抗器的匝間絕緣產(chǎn)生威脅，計算表明這種過電壓嚴(yán)重時電抗器端對地達(dá)3.5 pu，在電抗器兩端接近2.7 pu。多機系統(tǒng)分合閘暫態(tài)過程中，未發(fā)現(xiàn)有諧振現(xiàn)象。
3 補償支路電抗器損壞原因分析計算和實測均表明，真空接觸器關(guān)合電動機組的過程中會產(chǎn)生高頻的過電壓。在正常運行時，電動機端的電容電感補償支路中，電容器承受大部電壓，主要用來產(chǎn)生容性無功，改善功率因數(shù)，而電抗器兩端電壓很低。但在操作時，尤其在關(guān)合過程中，補償支路會承受高頻的電壓，這種電壓突變的分量顯然會集中在電抗器的兩端，形成高頻過電壓，危害電抗器的縱絕緣，尤其是對繞組端部的匝間絕緣，故障電抗器損壞部位也確在靠近端部。現(xiàn)有的避雷器可以將電抗器對地過電壓限制在允許范圍內(nèi)，但對極間過電壓限制作用不大。
4 改進(jìn)的措施與方法針對上述的分析結(jié)論，可采取如下措施避免電抗器的損壞的頻繁發(fā)生。
(1) 要求更換的串聯(lián)電抗器按《并聯(lián)電容器組串聯(lián)電抗器標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行匝間絕緣試驗，以考驗其匝間和層間絕緣耐受操作過電壓的能力。操作過電壓試驗波形可按標(biāo)準(zhǔn)操作波波形250/2 500 μs，其幅值應(yīng)在2.5～3.5 pu。
(2) 對現(xiàn)已投運但未發(fā)生損壞的電抗器極間，并接合適的氧化鋅避雷器和小電阻串聯(lián)支路。正常運行狀況下，避雷器承受電壓，近似開路，基本無功率損失，過電壓發(fā)生時，避雷器和小電阻將過電壓限制在電氣設(shè)備允許的水平以下。
