隔离开关速度对特快速暂态过电压和快速暂态电流的影响研究

0引言

目前,在电力系统中,由于隔离开关生产厂家的不同、对隔离开关操作速度控制困难等诸多原因,对隔离开关操作速度产生的特快速暂态过电压和快速暂态电流的影响研究相对匮乏。有研究者曾对西开和平高两个厂家生产的GIS进行研究并现场测量,用隔离开关分合空载母线并测量其产生的VFTO,测量结果表明,两个厂家产品产生的VFTO幅值基本没有差别,测量结果没有明显的一致性规律^[1]。造成这种情况的原因可能是在某个特定的速度区间内,隔离开关速度对特快速暂态电压的影响可以忽略不计,但不能盲目地得出结论:隔离开关速度对VFTO没有影响。有研究者指出,因隔离开关操作速度的不同会导致燃弧过程中重击穿次数有所不同,因此有可能影响VFTO的幅值和波形^[2—4]。笔者曾经对此通过MATLAB建模仿真,结果表明在隔离开关速度一定的情况下,分闸过程中的最后一次重击穿在空载母线上产生的残压会很小,合闸过程中产生的VFTO幅值相对较小。若实际操作中,隔离开关操作速度对VFTO的影响较大,在GIS的设计与制作工艺中,采用相应的机构装置,再对机械运动机构进行相应优化,就有可能实现降低甚至消除VFTO的目标^[5]。此种方法较其他抑制VFTO的措施更加经济适用,因此研究隔离开关的分合闸操作速度对VFTO的影响有重要的现实意义。

1 试验平台

本次试验所用试验变压器的容量为150kV/15kVA,并联电容为300 PF,保护电阻为10 kΩ。电流传感器信号通过光电转换器由同轴电缆传至示波器。本次试验所测项目主要为负载侧电压UL和电流I,其装置图和试验回路图如图1所示。

1.1电压传感器

试验平台电压测量系统主要由高压导杆、手窗盖板、输出端口、GIS外壳、感应电极组成,其主要结构如图2所示。C2为传感器的低压侧电容,由两个圆形盖板形状的电容组成,两个电容被聚酯类薄膜隔离。C1 由高压导杆和下侧圆形电极组成,是电压传感器的高压电容。信号从圆形电极引出,经连接线Z和匹配电阻Z0传输至示波器,电压测量传感器固定在手窗盖板处。其电路图如图2所示。

1.2电流传感器

电流传感器采用的是罗氏线圈,也称柔性互感器,适用于精确测量大电流、高频率的电流信号,具有无磁饱和、无磁滞效应、高精度的优点,能够满足项目实测的要求。罗氏线圈是一个均匀包裹在非铁磁性材料上的环形线圈,根据法拉第电磁感应定律和安培环路定律,当罗氏线圈中心有被测电流穿过时,在环形绕组包裹的区间内会感应出一个变化的磁场,通过一个反向积分器将此感应电动势转化为可测量的交流电流信号。

1.3 隔离开关分合闸速度的测量

试验平台采用可更换式弹簧操动机构,如图3所示,弹簧操动机构更换安装方便,结构简单,在电力系统中有着广泛的应用。

试验平台中隔离开关速度定义为隔离开关行程的0.2~0.8与时间之比,平台中隔离开关行程为160mm,速度测量结果如表1所示。

从表1中可以看出,6号弹簧的分合闸速度最高,最高分闸速度为3.1m/s,最高合闸速度为3.3m/s。1号弹簧的分合闸速度最低,最低分闸速度为1.7 m/s,最低合闸速度为1.5m/s。选取其中编号为1、6的弹簧,对每个弹簧分别做50次合闸试验、50次分闸试验,分别测出其电压和电流,结果如表2所示。

通过分析比较得出最大VFTO和VFTC值出现在1号弹簧的分闸过程中,最大VFTO为1.52 p.u.,最大VFTC为2.62 KA。以上数据表明,在一定的速度范围区间内,隔离开关操作的速度越快时,产生的VFTO隔离开关分别进行分合闸试验,试验步骤如下:1)控制电源侧试验控制台至电压140 KV;2)进行隔离开关分合闸操作;3)降压接地;4)储存测量数据。

2.13.3 m/s速度情况下数据统计分析

使用6号弹簧分别进行100次合闸、分闸试验,分别测量负载侧端口电压UL和电源侧端口电流I,对数据进行统计分析。

2.1.1 电流幅值统计

从图4统计结果得出,合闸电流平均值为1.05KA,最大值达到1.6 KA。分闸电流平均值为1.19 KA,最大值为2.03 KA。

2.1.2 电压峰值统计

如图5所示,合闸产生VFTO的最大值为1.44p.u.,分闸产生VFTO最大值为1.45 p.u.。

2.2 1.5 m/s速度情况下数据统计分析

使用1号弹簧分别进行100次合闸、分闸试验,分别测量负载侧端口电压UL和电源侧端口电流I,对数据进行统计分析。

2.2.1 电流峰值统计

如图6所示,合闸电流最大值为3.71 KA,平均值为1.38KA。分闸电流最大值为5.12KA,平均值为1.82 KA。

2.2.2 电压峰值统计

如图7所示,合闸VFTO最大值为1.55 p.u.,分闸VFTO最大值可达1.78 p.u.。

3隔离开关分合速度对VFTO和VFTC的影响

当隔离开关操作时,不同的分合闸速度对分合闸过程中的多次击穿将产生__定影响,从而影响到VFTO和VFTC的幅值大小。方差是衡量数据波动大小的特征量,定义为各数据与平均数偏离程度的量度,方差越大,数据波动越大;方差越小,数据波动越小。图8及图9显示,在不同分合速度下,VFTO和VFTC幅值的分布规律总体上基本符合正态分布。电压的期望值随着速度的加快而减小,其方差随着速度的加快而增大;电流的期望值随着速度的加快而减小,其方差随着速度的加快而增大。

4 结论

本文主要对252 KVGIS产生的VFTO和VFTC的影响因素进行了研究和分析,通过高压开关机械特性测试仪测量了6种不同弹簧的速度。在此基础上进行了大量的试验数据分析,并对VFTO和VFTC的幅值、频率进行了统计分析。通过试验研究发现,隔离开关在一定速度范围区间内,快速隔离开关产生的最大VFTO和VFTC值小于慢速隔离开关分合闸过程中产生的最大VFTO和VFTC值;在同一隔离开关分合闸过程中,分闸产生的最大VFTO和VFTC值略高于合闸产生的最大VFTO和VFTC值。

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《机电信息》2025年第14期第1篇