在切除空载线路的过程中,断路器切断的是几十安到几百安的电容电流,比短路电流小得多,但使用的断路器灭弧能力不强,在切断这种电容电流时就可能出现电弧的重燃,从而引起电磁振荡,造成过电压。
其电路简化图和波形示意图如下所示:
e(t)为电源电压、L为等值电感、CT为等值电容、uc(t)线路上的电压、Ur(t)断路器触头间的恢复电压。
在t1时刻之前,电容电压等于电源电压。
在t1时刻时,断路器断开,工频电流过零点(证明电感中已无能量),断路器熄弧。线路上负荷无处释放,uc(t)保持为Em,则此时触头间电压为:
Ur(t)=e(t)-Em=Em(coswt-1)
半个周期后来到t2时刻,e(t)=-Em,两触头间电压即恢复电压为-2Em。若此时触头间的介质绝缘强度没有很好的恢复,或介质绝缘强度的上升速度不够快,会在t2时电弧重燃,相当于电路再次导通,形成一振荡回路。
此时电容C通过电感L放电,放电电流方向与电源电流方向(与t2时刻之前相反)一致,由于自感作用总是阻碍电流的变化,所以电路里的电流不能立刻达到最大值,而是由零逐渐增大,这时线圈周围的磁场逐渐增强,电容器的电场因电荷逐渐减少而减弱(Em到0)。这样,电路里的电场能(电源+电容的能量)逐渐转化为磁场能。当电容器放电完毕,Q=0时,电路中的电流达到最大值,电场能全部转化为磁场能(2Em)。电容放电完毕,由于自感作用,电路中依然有保持原方向的电流(与电源电流方向一致),但逐渐减弱,这样就使得电容器逐渐充电,不过两极所带电荷符号都跟原来相反,充电完毕,电流减小到零,磁场能全部转化为电场能(此时电容电压为电源+电感能量,3Em),此时为t3。
t3时刻时,线路电流减小至0,断路器熄弧,t4时刻,其触头间电压上升至4Em,又发生重燃,形成振荡回路。最后电容上的电压达到5Em。
以上即是切空载线路产生过电压的整个过程。
影响因素:
1、电弧的重燃、熄弧。
重燃与熄弧在时间上具有很强的随机性,重燃时间对过电压有直接影响。
例如:
当重燃在1/4工频周期内产生,则不会导致过电压。
熄弧也不一定在高频电流第一次过零时发生,在第二次过零或更后的时间才被切断,线路上的残余电压大大降低。
2、断路器性能。
重点是自能式断路器(利用电弧本身的热量对气缸内的SF6气体进行加热,使其体积膨胀压力增高,提高断路器的吹弧能力),在开断小电流(几十安至几百安)时,表现不佳。
3、中性点接地方式。
中性点不接地系统,由于三相分闸的不同期(3ms),会形成瞬时的不对称结构,中性点电位也会发生偏移,使得熄弧重燃过程变得更为复杂。一般情况下,中性点不接地系统过电压比中性点直接接地系统过电压高20%。
4、电网接线方式。
a、线路侧的电磁式PT及电晕损耗。
线路侧的电磁式PT:由于线路电容、PT的激磁电感及等值电阻(约3~15kΩ)构成阻尼振荡回路,几个工频周波内残余电荷几乎可全部释放。
电晕损耗:过电压越高,冲击电晕越强烈,能量损失越大,反过来限制过电压的作用也越显著。
电晕:在带电体表面在气体或液体介质中发生局部放电的现象,能产生臭氧、氧化氮等物质。主要原因是因为不平滑的导体产生极不均匀的电场,在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时,由于空气游离就会发生放电,形成电晕。
b、母线上有其他出线或者大电容。
这时,相当于上图中的C1值增大,重燃时电荷分配降低空载电路的初始电压(重燃时间内,当电感元件由于自感效应放电时,同时对线路侧对地电容及母线侧对地电容放电,由于充电电流与电容成正比,会有更多的电荷进入母线侧电容,从而降低了线路残压)。另外出线的有功负荷(相当在C1上串联一电阻),增加了阻尼效应,降低重燃过电压。
限制措施:
⑴、并联电抗器
降低重燃后的工频稳态分量,触头间的恢复电压为拍频振荡,上升速度大为降低;并使断弧后线路上的残压不在是直流电压,而是交流衰减正弦电压。
⑵、断路器设并联电阻
与合空载线路时相反,先分主触头,将R串入回路,一是泄放残余电荷,二是降低触头间电压,在此过程中希望R值小。
经1.5-2周波,在断开辅助触头DL2,此过程中希望R值大,电容上分压小,恢复电压小,不易重燃。
综上,并联电阻的大小选择合适,能大大降低过电压幅值。
⑶、采用氧化锌避雷器作为保护
如上图所示,当线路上出现较高幅值的过电压时,当该电压波传播到空载线路末端时,由于电压全反射使末端电压增加一倍,避雷器动作后,阀片电阻接入并通过电流,线路末端电压降为阀片残压。