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用来开断很大的故障电流, 但断路器还有许多与开断短路电流完 全不同的开断任务。感性负载开断就是其中的一种
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投切并联电抗器的不确定性

January 5, 2016 • Columns, From Research View, 最近文章汇总

对大容量试验室而言, 其传统意义上大多数任务的目的是验证断路器开断短路 电流的能力。一旦故障发生, 断路器必须从根本上避免大规模有形和无形资产受 损。尽管被设计用来开断很大的故障电流, 但断路器还有许多与开断短路电流完 全不同的开断任务。感性负载开断就是其中的一种。 与实际应用最相关的感性负载是并联电抗器。安装在电力系统中的并联电抗器 用于吸收无功功率并保证电压稳定。并联电抗器与电网直接连接或串接在变压 器的平衡绕组中, 通常由断路器进行投切。由于系统中的负载在变动, 以及对无 功功率的需求通常也随昼夜而变化, 断路器需要频繁地投切并联电抗器, 相比之 下, 用于清除故障或系统重构的常规断路器每年可能只操作几次。 另外一个主要区别是被切换的电流。系统中的故障电流可以达到几十千安, 而并 联电抗器的负荷电流只有几十到几百安培。尽管断路器被设计用来开断故障电流, 但电流太低, 加之大量的切换次数, 对设备而言是相当大的考验, 有时被称为 ‘断 路器的噩梦’。CIGRE最近的可靠性调查报告支持了这一观点, 即高压并联电抗器 侧断路器每切换100次, 就会有近2.5次重大切换失败, 比架空线断路器的故障发 生率高10倍。原因之一是机械上的, 即操作次数多, 另外一个原因是电气上的。 由于断路器是用来开断最大短路电流的, 其巨大的灭弧能力同样会作用于切断低 电流感性负载, 这就导致在电流自然过零前电弧已被清除。鉴于此, 一个很小的 ‘截断电流’ 仍然被困在感性负载中, 电弧熄灭后在触头间产生了电压。由于电流 的相位角滞后于电压90度, 电流过零时刻电压刚好最大。 ‘截流’ 引起的过电压和 自然暂态恢复电压进行叠加, 就有可能会造成触头间隙击穿和电弧复燃。在这种 开断过程中, 由于所有的暂态过程都起源于相邻的单一并联电抗器, 暂态过程以快 于开关间隙绝缘恢复的速度接踵而来, 从而通常可以观察到密集的复燃现象, 造成 电压上升过程中的多次过零。这些快速暂态电压侵入系统, 与断路器紧邻的设备 会经受巨大的考验, 尤其是变压器绕组。变压器事故调查中的一个典型问题是: 断 路器产生的快速复燃暂态电压是否太剧烈了, 或变压器绕组的绝缘强度是否不能 足以抵抗非常快速的暂态电压? 在关键的应用场合, 推荐采用可控开断的方法避免电弧复燃, 即将电弧熄灭延迟 到触头间隙大到足以承受暂态电压的时刻。 2012年更新版的IEC 62271-110标准中所说明的对并联电抗器开断的要求承认了 电弧复燃的危害性。这一标准的关键特点是要求视复燃的现状为理所当然, 只允 许其在单次开断操作中出现。对额定电压为52kV以下, 用断路器开断的并联电抗 器引入了新的试验要求。 IEC的理念是说明只要暂态恢复电压波形参数与标准化的值相符, 试验即为有效。 然而, 并联电抗器的开断普遍存在复燃并且受高频现象所控制。这使很小的试验 回路参数变化会使试验结果大不相同。更确切地说, 电弧复燃引起的高频电流是 否能被断路器开断取决于电路参数, 但标准并没有对此做出规定。 由于真空断路器技术进入了传统上由SF6断路器主宰的输电电压领域, 导致了这 一模棱两可的不确定性更为明显, 高压标准事实上是依据SF6开关设备量身定制 的。与SF6断路器相比, 真空断路器更易受试验回路杂散电容和电感的影响。因 此, 在进行高压真空断路器的并联电抗器开断试验时, 即使暂态恢复电压与标准 所规定的标准波形完全一致, 但由于开断过程中的高频作用不同, 在不同试验室 所得到的试验结果也不同。
也许在未来的新版标准中应该对并联电抗器试验回路的高频特性做出更详细的说 明, 以便更公平地比较不同试验室所测得的试验结果。现成的一个例子就是:IEC 高压电机开断标准显然是专门为真空断路器制定的。 Dr. René Smeets
Rene.Smeets@dnvgl.com

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