断路器均压电容爆炸原因的仿真分析与研究

1、断路器均压电容爆炸原因的仿真分析与研究周莉1, 童雪芳2，文习山2，鲁海亮2【摘 要】针对某变电站断路器均压电容器在正常操作情况下发生爆炸的事故提出了用ATP仿真程序模拟该过程，来确定故障原因的方法。通过自动暂态控制开关（TACS）编程实现了对断路器重燃过程和电容器击穿过程的模拟，对提出的三种故障可能原因分别进行了仿真，得到了与故障录波图吻合的仿真波形图，从而确定出故障的真正原因是并联均压电容本身的绝缘存在缺陷，没有承受住正常的操作过电压而发生多次击穿引起的。【关键词】均压电容器； 爆炸； ATP仿真； 重燃 中图分类号：TM864 文献标识码：A 文章编号：1003-6520（2005）09

2、-0034-04引言电力系统规模越来越大，结构也越来越复杂，这样的大系统在发生故障时往往很难分析原因。以前故障分析手段主要是依靠试验数据、运行经验配合理论分析，大致得出故障原因13。通过这样的分析方法得出的结论不够直观，从而影响了其可信度和说服力。本文借助ATP仿真软件4用仿真方法对某变电站断路器并联均压电容发生爆炸的过程进行模拟，重现了大致故障过程，得出了与现场故障录波器得到的故障录波图一致的仿真波形图，从而验证了对故障原因的推断。这种方法得到的结果非常直观，从而大大增加了故障原因推断的可信度和说服力。1 事故概况2005年1月，在某500kV输电线停电操作过程中，当断开该线一端A站5022

3、开关后，随即该线另一端的变电站内5053开关C相线路侧并联均压电容发生爆炸脱落，并产生燃烧，爆炸碎片击中5053开关C相CT和5053C相开关至5032C相刀闸间支柱瓷瓶，使C相CT磁套破裂漏气和支柱瓷瓶严重损坏。事故前，5052、5053和5021开关均已正常开断。系统接线示意图如图1所示。2 事故原因初步分析图1 接线示意图经调查，C相两只均压电容均损坏，停电操作过程属于正常操作程序，从A和B两个变电站的电压录波图可以看出，A变电站5022开关操作前线路上电压处于正常状态，5022开关断开后，A、B两相线路上电压变化不大，C相线路上出现了一个电压过冲（脉冲），随即有一定程度的下降，而后又继

4、续振荡上升，直到接近额定电压的1.5倍。A和B两个变电站的电压录波图还表明了在线路两端的变化趋势是相同的。经初步分析，认为有三种可能引起此事故：1）A变电站5022开关断开时由于重燃产生操作过电压，B变电站5053开关均压电容不能承受此过电压，引起爆炸；2）由于B站5053开关均压电容电容器存在缺陷，此电容在正常的操作过电压下击穿，产生放电，引起电弧燃烧，又进一步产生过电压，直至电容器爆炸脱落。3）由于均压电容和PT发生谐振，均压电容器不能承受此谐振过电压56，引起爆炸。3 仿真研究A和B变电站故障录波器所测得的故障时刻前后的电压、电流波形如下：图2 B站侧线路电压录波图（从上到下依次为ABC

5、三相）图3 A站侧线路电压录波图（从上到下依次为AB两相，横坐标与图2一致） 图4 A站侧电流录波图（从上到下依次为ABC三相）注：图中横坐标轴为时间，单位ms。两端线路中线电流电压录波图及相关数据等此处不再列出。以下借助ATP仿真软件对上面提出的三种情况分别进行仿真分析，通过比较仿真结果与录波图及有关数据来判断均压电容爆炸的原因。3.1 判断是否由于5022开关的重燃引起 重燃过电压的产生机理及其定性分析已在许多论著中阐述7-8，等值计算图如下图所示：图5 等值计算图由于5021开关和5052开关均处于开断状态，5021开关所在支路和5052开关所在支路各元件的参数几乎完全一致（电压相位略有

6、不同），因而这两条支路几乎是对称的，且仅通过均压电容与系统弱联接，故可以忽略，不会影响结果的判断，通过验证，事实也的确如此。 图中，电压源幅值取（kV），各相并联均压电容均为两个电容串联，每个取4000pF，母线对地电容取不妨取50pF（此值大小对仿真波形的影响很小），三相线路采用Jmarti模型， 开关重燃和电容器击穿的过程910均采用ATP仿真软件中的TACS控制开关通过编程来模拟。模拟5022开关重燃的设计原理为：其初始状态为闭合，于0.2s开断，这之后，当开关两端电压超过一定值时，开关重燃（即闭合），持续一时间（此处取0.002s）后，若开关电流小于某个值，电弧熄灭（即开关断开）；0.

7、4s时开关彻底开断，不再发生重燃，燃弧时间0.2s。5053开关采用时控开关模拟，其一直处于开断状态，5053开关C相均压电容与TACS控制开关GOPC并联，开关GOPC用来模拟C相均压电容的击穿过程，其设计原理为：在5022开关断开后（即0.2s后），若C相均压电容两端电压超过一定值时，开关GOPC闭合（即相当于C相均压电容被击穿），经过一段持续时间（此处设为0.002s，模拟时延）后，若电流小于某个很小的值（用来模拟电流过零），则开关又断开（即电弧熄灭），这样反复击穿和熄弧，经过一段时间后（这里取0.2s），开关彻底断开，不再有重燃过程，且开关SSS也断开，模拟电容器脱落。仿真结果如下：图

8、7 B端线路C相电压波形图图6 B端线路A相电压波形图 图8 A端线路A相电流波形图上面前两图中，在前0.2s，电压经过一段振荡再恢复到正弦波形，这是由于5022开关是采用TACS控制开关模拟的，其初始状态为闭合，而TACS控制开关内部默认是从0s时刻开始的，即相当于0s时刻开关闭合，因而有一暂态过程。由图可知，上述所列各波形与所给对应录波图并不相符，经验证，其它波形（如A端线路ABC相电压，电流波形等）也均与实际录波图的特征不相符，文中不再列举出来。3.2 判断是否由于均压电容的绝缘存在缺陷，致使在正常的操作过电压下反复击穿而引起爆炸等值计算图与图5相似，只是5052开关不再模拟出重燃过程，

9、直接用三相时控开关模拟即可，其初始状态为闭合，于0.1s（注意前面仿真图取的是0.2s，这只是为了观察方便而已）时刻正常开断，无重燃出现，其三相并联均压电容均为4000pF。 仿真结果如下：图10 B 端线路C相电压波形图图9 B 端线路A相电压波形图 图11 A 端线路A相电流波形图从上述各图中可看出，各波形图与所给录波图虽然并不相同，但两者经过比较，应认为是一致的。理由如下：仿真波形的基本特征与录波图一致（由于A站侧线路电压的振荡幅值大一点，因而A站侧线路电压录波图更清晰的表现了波形特征），均是C相出现过电压， A、B两相没有，振荡的周期相同，且在每一周期内，正半周和负半周的电压均是振荡衰

10、减的；稳态时，B端线路各相电压（即图中前0.1s）的有效值约为（V），A端各相电压稳态时的有效值约为 V，与录波图中的60点几伏相差很小，差别原因是仿真图中的各部件的参数并不是和实际条件完全一致，实际中的三相线路也不完全对称，稳态时同一点中心线的电压也并不为零值（三相对称且为稳态时，三相电压幅值应该相等，相位相差120度，三相之和应为0）；在暂态时，各电压波形比所给录波图中表面上多了一些幅值稍大一点尖脉冲，且具有很明显的周期性，尖端的差别是由于录波器存在采样过程，它并不能录到所有的尖端，实际上录波图中的某些地方也录到了尖端；而各电压的仿真波形的周期性比所给录波图表现得更明显，这种差别原因在于仿

11、真过程中忽略了弧道电阻，弧道电阻是个动态参数，它会消耗能量，使周期性减弱；对于电流波形，稳态时A端各相电流有效值约为（A），与录波器所给参数0.04A0.05A基本相同，存在差别的原因同稳态时电压波形差别原因一致。至于暂态时，仿真图中存在一系列的尖脉冲（高频小电流），而录波图中电流却一直为零，原因在于CT频响无法检测到它们。其它仿真波形也均与录波图基本一致，此处不再列出。从仿真波形及上述分析基本已可推出此次电容器爆炸的原因即是由于5022开关断开时，5053开关的并联均压电容的绝缘存在一定的问题，其未能承受住正常的操作过电压而发生击穿，形成了一高频小电流，而此电流因线路CT的频响无法检测到，所

12、以在电流录波图上没有表现出来，电弧在电流过零时熄灭，电压迅速升高，并再次击穿均压电容，形成了反复击穿，持续时间约0.2s，直至并联电容器脱落。3.3 判断是否是由于并联均压电容和PT间的铁磁谐振引起电容爆炸等值计算图与3.2节中的计算图相似，只是在Jmarti传输线的两端通过ATP中的Splitter元件加上星型接线的具有磁滞回线特性的非线性电感来模拟互感器，如图12所示。由于不知道PT的等效非线性电感的i特性曲线（而这在非线性电感的模拟中是输入参数之一），不妨取几种不同的i特性曲线输入其中，当CT的i特性曲线改变时，谐振频率和电压、电流的幅值会发生变化，但波形的基本特征却是不变的。观察仿真结

13、果，比较仿真图形与录波图的相似程度来确定是否是由于铁磁谐振的原因。通过验证，电容器爆炸并不是此种原因造成。图12 PT模拟示意图取某一种i特性曲线的仿真结果如下：图14 B 端线路C相电压波形图图15 A 端线路A相电流波形图图13 B 端线路A相电压波形图 图中，在前0.1s时，B端A相电压发生了谐振而A端A相电压未发生谐振是由于前0.1s5022开关是闭合的，均压电容被短接，所以A端未发生铁磁谐振，而前0.1s5053开关一直都是开断的，B端非线性电感则直接与5053的均压电容串联发生了谐振。上面各波形图与所给对应的录波图有很大差别，应判断为不同。经验证，其它波形图（如B端B相电压、A端B

14、C相电压和三相电流波形等）均与所给录波图有很大出入。再另取其它不同的i特性曲线，也可得到相同的结论。因而可判断，5053开关均压电容爆炸的原因不是铁磁谐振的过电压造成的。3.4 补充说明图16 B 端线路A相电压波形图由于电容器不含有灭弧室，因而有一旦击穿起弧接通空载线并燃弧10个工频周期脱落的可能，对于此种情况，同样采用ATP中的TACS控制元件编程实现，计算电路图与上述各种情况下的仿真图类似，只是将其中GOPC控制元件的程序改变一下即可。此种情况下上述第二种情况的仿真图如图16所示，其它仿真图不再列出。从仿真结果可以看出，仿真波形与录波图明显不符。因此，击穿起弧接通空载线持续10个工频周期

15、后再脱落的情况不是本次事故的原因。3.5 结论 通过上述仿真分析，结合现场提供的电压、电流录波图及当时的现场情况，得出此次故障的原因是第二种原因，即B站开关的线路侧并联均压电容的绝缘本身存在一定的问题，此并联电容未能承受住线路端与母线电源侧的压差，电容器击穿，电弧在电流过零处熄灭，电压迅速升高，并再次击穿均压电容，形成了反复击穿，持续时间200ms，直至并联电容脱落。此结论与该电容器生产单位的调查研究得出的结论一致。4结 语本文通过ATP仿真软件对一起断路器均压电容爆炸的事故进行了仿真分析，利用TACS控制开关编程实现了断路器重燃和电容器击穿过程的模拟。对重燃、电容器本身存在绝缘缺陷和铁磁谐振

16、三种情况分别进行了仿真模拟，结果表明此次故障的原因是电容器本身的绝缘存在问题。在更换了B站5053开关两侧的均压电容后，建议对5022开关进行介损和耐压试验，试验合格后方可投运。参 考 文 献1 刘人灿. 耦合电容器爆炸事故的分析J. 电力电容器，2000，（2）：31332 陈林. 电力电容器爆炸原因分析J. 电气时代，2002，（2）：503 张大立. 一起大型电容器爆炸事故分析J. 中国电力，1995，（8）：32354 ATPDRAW version 3.5 for Windows 9x/NT/2000/XP, Users Manual M5 焦 瑾. 南京供电公司铁磁谐振事故分析J. 高电压技术，2004，30（8）：68696 赵