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谈谈开断感性负荷

January 5, 2016 • Commentary from Professor Zhang, Utility Practice & Experience, 最近文章汇总

这一期有一篇投切并联电抗器的专栏文章,本文将对其中的某些概念进行说明。 运行经验指出, 在电力系统中, 由于操作过程以及一些偶然发生的运行情况, 会 产生某些严重破坏系统正常运行的现象, 所以在研究电力系统的运行情况时, 往 往需要将稳态运行现象和操作过程或系统状态变化时所发生的暂态现象分开来 讨论。后者的变化主要是由系统中某一部分能量的增大或减少所引起的, 不管 如何操作或系统如何变化, 因为发电机仍然在运行, 所以系统中的能量是不灭 的, 能量不灭的形式只能是不同能量的转化或相同能量的传递。现代电力系统 各部分能量和能量密度的不断提高, 促使电气暂态过程的重要性不断地提高。 除了操作过程所引起的暂态过程外, 在电力系统中, 特别是在高压大型电力系统 中, 往往由于接地、导线短路、断线、雷电、误操作等其他难以避免的原因, 都会 引起偶然性的暂态现象。所有这些事故, 几乎都会导致电力系统正常运行情况的 严重破坏, 使其出现过电流和过电压。 在讨论各种暂态过程的本质时, 必须应用数学方法来进行研究, 因为只有应用数 学才能很简洁地得到许多量之间的峰值的相互关系。特别是要用到微分和积分, 因为暂态过程是一种随着时间而变化的现象, 而这些变化只有应用无限小的分 析方法才能精确地进行研究。 本文仅对切空载变压器引起的过电压 (简称切空变过电压) 进行讨论, 而且不涉 及到繁琐的数学, 只讨论一些重要的方程和概念背后的东西。 电网中能量的转化 (指磁能转化为电能) 或能量的传递 (主要是指电能通过各部 分相互之间电容的传递) 所产生的电网电压升高, 称为电网的内过电压。内过电 压作用在高压设备的绝缘上, 如果把该绝缘视为电容C, 则内过电压是指高压设 备的电容上的电能增加了。电容上的能量Wc =1⁄2CU2,能量增加了,电容上的电压 按平方率增加, 过电压就是这样产生的。 能量的转化或传递需要激发!例如电网的拉闸,电流从有到无,电流的变化率变 化了;或者电网的合闸, 电流从无到有, 电流的变化率也变化了;或者电网的故障, 电流的变化率也会急剧变化。上述操作都是激发能量转化的原因, 激发的磁场能 量转化为电场能量, 由这种原因引起的内过电压称为操作过电压。内过电压的能 量来源于电网本身, 所以它的幅值和电网的工频电压基本成正比。 电网中用断路器切断空载变压器是一种常规操作方式。在这种操作过程中, 有可 能产生过电压, 这是一种典型的操作过电压。以前有的变压器上没有避雷器的直 接保护, 就发生过事故。例如, 用110千伏少油断路器切空变引起套管相间1.1米 和0.9米间隙放电;有的引起断路器瓷套爆炸 (因为断路器触头间的电流从有到 无, 变化率大, 转化成电能的过电压就加到了触头上)。 运行经验证明:断路器的灭弧能力越强, 切空变的过电压事故就越多。所以, 这 种过电压和断路器在切断变压器的激磁电流时灭弧能力太强有关。 断路器应当能切断变压器的短路电流, 而激磁电流不过为短路电流的几百分之 一到几万分之一。所以, 在切断激磁电流时, 有可能不是在电流经过工频自然零 点时熄弧, 而是在电流瞬时值尚为一定数值时, 因断路器灭弧能力太强被迫很快 下降到零, 即激磁电流的变化率趋近于负的无穷大 (因为电流从有到无, 所以为 负) , 于是在变压器激磁电感上将感应出过电压, 它等于电感乘以激磁电流的变 化率, 将趋近于负的无穷大。
影响切空变过电压幅值的因素有三个: 1. 断路器的吹灭小电流电弧的能力以及断口之间绝缘强度恢复的速度; 对于过去的多油和无压油活塞的少油断路器, 它们的吹灭电弧的能力与被切 电流的大小有关。被切电流越小, 断路器中电弧产生的气体越少, 所以在切空 变时, 因为激磁电流小, 不易灭弧, 所以没有明显的电流被立即截断的现象, 所以过电压不大。
对空气断路器或有压油活塞的少油断路器, 由于其吹弧 能力不是或者不完全是由被切电流决定的, 因此在切空 变时, 会有明显的电流瞬间被截断的现象, 电流变化率 极大, 所以过电压产生了。 2. 变压器绕组电容的大小以及变压器激磁电流的大小; 变压器绕组的电容与变压器绕组相并联。当变压器绕组 中的电流在瞬时值 被强迫截断时, 此时电感L中的磁场 能量为 1⁄2Li02, 它将转化为在变压器绕组电容C中的电 场能量,等于1⁄2Cu2。按照能量不灭定律,两者应该相等
1⁄2Li02 = 1⁄2Cu2, 再可推出: u=i L
0C 其中u为C上的电压, 也就是L上的电压。
由上式可见, 绕组电容较大时, 过电压 (变压器绕组上 的电压) 较小。 另外, 当变压器的激磁电流较小时, i0 也小, 过电压也较 小。现在的变压器采用冷轧硅钢片, 其激磁电流仅达额 定电流的0.5% (非冷轧硅钢片达5%以上), 同时由于采 用了纠结式绕组, 大大增加了绕组的电容, 所以在切这 种变压器时, 过电压倍数一般不大于2。 3. 断路器有无并联电阻以及断路器切断电流后变压器绕组 上是否装有避雷器。
如果断路器的断口有并联电阻, 则即使在电流为 i0 时分 闸, 电流仍可沿并联电阻流通, 因此变压器电感中的电 流不会突然变化到零, 从而限制了过电压。 但是, 如果并联电阻比激磁阻抗小得多 (例如中值并联 电阻=1000-3000欧), 则当拉开并联电阻时, 仍然会有 比较大的截断电流现象, 即仍然会有比较高的过电压, 所以一般来说, 只有高阻并联电阻才能限制这种过电 压 (高值并联电阻应该与激磁阻抗值为同一数量级, 一 般为几十千欧)。 综上所述, 只有在使用无高值并联电阻的空气断路器 和有压油活塞的少油断路器去切断空载的老式变压器 (非冷轧硅钢片 (即 i0小) 及非纠结式绕组 (即C小)) 时, 才会产生较高的过电压。此时应该在变压器高压侧与 断路器间装设避雷器。由于空载变压器绕组的磁能比 避雷器允许通过的能量要小得多, 所以这种保护是可 靠的。由于这组避雷器是保护内过电压的, 所以在非 雷雨季节也不要退出。 如果变压器高低压电网中性点接地方式为一个类型 (例 如都是直接接地), 那么可以不在高压侧装这组避雷器, 而只在低压侧装避雷器, 这样就经济方便多了。 张德赛 武汉大学电气工程学院 desaizhang@whu.edu.cn 寻找解答绝缘子, 避雷器, 套管, 电缆附件 负荷 谈谈开断感性负荷 INMRSOLVE

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