变电站断路器与隔离开关瞬态电场计算

变电站断路器与隔离开关瞬态电场计算

1现场开关操作产生的瞬态电场的测量由于电气系统的磁强干扰和兼容性问题，越来越受到重视。(1）通过测量可以对变电站开关操作产生瞬态电场的特征有所了解，包括瞬态场时域特性和频域特性；(2）由于变电站内接线复杂，线路存在交叉和下垂等因素，变电站内电场的理论分析和数值仿真较困难，实际测量可对变电站电场计算模型的验证提供依据；(3）变电站自动化水平的提高及保护小室下放到现场，使得变电站电磁干扰问题研究更加有必要；(4）对于AIS和GIS变电站，专家认为一些变电站事故与开关操作时的过电压及瞬态电磁场干扰有关，但是需进一步验证。基于以上原因，本文作者对现场开关操作产生的瞬态电场进行了测量，获得了一些重要的数据。这两次测量的项目主要包括隔离开关分合空载母线和断路器合空载长线和投空载变压器等。这是国内第一次对500kV变电站开关操作产生瞬态电场进行现场测量。2测量设备和测量对象2.1db带宽(1）球形有源三维瞬态电场探头负区测量范围为-0.1～-30kV/m和正区0.1～48kV/m,3dB带宽15Hz～100MHz，探头校正系数为16.67kV/m/V；球径为90mm;(2）数字存储示波器带宽200MHz,存储长度可达2MB;(3）屏蔽车用来屏蔽现场干扰对测量的影响。2.2测量项目(1）隔离开关分合空载母线和短线；(2）断路器合空载变压器；(3）断路器合空载长线。2.3进行瞬态电场的测量，对于自500kV变电站单相主接线图如图1(a)所示。现场测量过程中主要选择四个地点进行测量。在位置（1）测量断路器合空载变压器产生的瞬态电场，在位置（2）测量隔离开关操作空载母线产生的瞬态电场，在位置（3）测量隔离开关操作空载短线产生的瞬态电场，在位置（4）测量断路器合空载长线产生的瞬态电场。图中所有的断路器均是SF3由于隔离开关操作产生的瞬态电所特性3.1隔离开关操作单次重燃产生的瞬态电场的特征(1）隔离开关操作单次重燃产生的瞬态电场的全过程本文给出隔离开关操作空载短线单次重燃产生的瞬态电场波形。在高压变电站内，隔离开关经常操作断路器与隔离开关之间的引线。图2为隔离开关合短线时单次燃弧产生的瞬态电场的波形该段引线长度约为20m，测点高度为2.0m。可以看到：隔离开关对短线操作时产生的瞬态电场振荡峰值很大，为17kV/m；电场强度在上升沿变化速率大约为35.7kV/m/µs；电场的振荡过程是单极性的；单次燃弧产生的过渡过程大约持续15µs。(2）隔离开关操作单次燃弧产生的瞬态电场的初期波形和中期波形图3给出X变电站隔离开关50332对空载母线进行合闸操作时单次重燃所产生的瞬态电场初期和中期波形。母线长度约为80m。图3(a)为单次重燃波形的初期阶段，图3(b)为中期阶段。由于重燃的后期波形基本稳定，因此后期阶段波形未给出。从波形初期阶段可看出：在采样率为10MHz，电场振荡频率较高；振荡的峰值最高约为11kV/m；电场强度在上升沿变化速率最高为22kV/m/µs。隔离开关操作中期阶段的瞬态电场的振荡频率与初期相比有所下降。从图2和图3还可以看出开关操作时随母线长度的增加瞬态电场的振荡峰值将减小。3.2隔离开关操作卡及分闸操作时多次重燃产生的瞬态电场的特征(1）隔离开关合短线时产生的多次重燃瞬态电场的特征图4为X变电站50312隔离开关对断路器5031与隔离开关50312之间短线进行合闸充电时产生的电场波形。测量时探头距地面高2.0m。该短线的长度约20m。这是所有隔离开关操作中操作对象长度最短的一次操作。从波形图中可以看出：随着合闸过程隔离开关触头与母线间断口距离的减小，每半个周波单次重燃的最大幅值有减小的趋势；每半个周波的重燃次数有增多的趋势；在系统电压到达正负最大值时单次重燃过渡过程振荡峰值最大，单次重燃电场强度最大峰值为17kV/m。(2）隔离开关分母线时多次重燃产生的瞬态电场的特征图5是X变电站50332隔离开关分闸操作时产生的瞬态电场波形。操作对象为一段短线加三相母线，总共长度约80m。从波形中可以看出：隔离开关由于重燃而产生的瞬态电场的过程时间很长，图中经过100ms的时间暂态过程还没有结束；在每半个周波里重燃次数约3～4次，随着隔离开关断口的增大，重燃次数有变少的趋势；在每个系统电压峰值处或附近都有重燃现象，并且与前后重燃产生的瞬态电场峰值相比，在系统电压峰值处的瞬态电场振荡峰值较大，负峰值处的振荡峰值更大，且在到达系统电压幅值之前发生重燃；在系统电压峰值附近重燃的时间间隔较长，在正负峰值之间的重燃时间间隔较短，可能由于系统电压的变化速率不同；随着分闸的进行，断口的距离增大，重燃产生的瞬态电场的振荡峰值有增加的趋势。图6是Y变电站50111隔离开关分闸操作时产生的瞬态电场波形。本次操作对象为隔离开关与母线之间的短线和三相母线，总共长度约为200m。该次测量的采样率与图5采样率相同,采样时间短,只有10ms，即半个周期。该次操作与X变电站50332隔离开关操作空载母线长度相比，母线长度要长得多。从两波形比较可以看出：图6单次重燃产生的瞬态电场的振荡峰值较图5要小；重燃的次数为6次，比图5的单位时间重燃次数多；在系统电压负的幅值之前处重燃产生的瞬态电场振荡峰值最大。4在断线操作中产生的瞬态典属性4.1单次重燃产生的瞬态电场的形成断路器合空载长线时单次燃弧产生的瞬态电场波形如图7所示。图7(a)是X变电站5033断路器给长线充电时单次重燃产生的瞬态电场初期波形。在单次重燃的初期电场波形振荡频率高，振荡时间短；振荡峰值最高约为3.8kV/m。图7(b)是操作时产生的瞬态电场的中期波形。从图中可以看出：该阶段振荡的频率减小，振荡的峰值减小。单次重燃瞬态电场后期的波形振荡幅值很小，振荡基本消失，本文未给出后期的波形。整个重燃过程大约十几微秒。4.2hsfp3-线路运行特性图8是Y变电站5012断路器合空载变压器时产生的瞬态电场波形。从波形图可以看出断路器合空载变压器时瞬态电场时间很短，约为10ms；振荡最大峰值约为8.5kV/m；没有明显的行波反射产生的暂态过程。图9是X变电站5033断路器合长线操作时产生的瞬态电场波形。从波形中可以看出断路器合空载线路时产生两种瞬态场：合闸初期是在断路器动静触头完全闭合之前电弧重燃产生的瞬态电场占主导；另一种瞬态场是动静触头完全闭合后行波的反射产生的瞬态电场。在断路器动静触头闭合前的瞬态电场中存在一次振荡峰值较大的单次瞬态场，其它重燃的瞬态电场的振荡峰值相对来说很小。当断路器动静触头完全闭合后，由于行波的存在，电场的暂态过程仍然存在，而且还要持续一段时间。图8与图9相比较可以发现：断路器合空载变压器不存在明显行波反射的过渡过程，而断路器合空载线路时将存在明显行波反射的过渡过程；两者单次重燃产生的振荡峰值都不是很大。5通过开关操作单次重燃产生的瞬态电分析5.1隔离开关操作缺失的瞬态电场分析本节给出了隔离开关和断路器操作产生的瞬态电场的频谱图，并进行了讨论。图10为一隔离开关操作短线时单次重燃产生的瞬态电场的频谱。该次测量的采样率为10Ms/s，采样时间长度为10ms。表1是分析后各次谐波的幅值。从表1可以看出直流分量和基波分量幅值较大，其它成分的幅值较小。大于约500kHz的分量就更小了。5.2滤波器操作单次谐波幅值图11和图12分别为断路器操作长线时单次重燃产生的瞬态电场的波形图和单次重燃瞬态电场的频谱图。表2给出断路器操作长线产生的瞬态电场的频谱图。该次测量采样率为50MHz，采样时间长度为20ms。从图12和表2中可以看出断路器操作产生的瞬态电场较隔离开关操作短线时产生的瞬态电场的各次谐波幅值要小。在大约大于1.5MHz后电场谐波分量就更小了。6由于开关脉象场测量数据的一致性和分散性，6.1隔离开关操作场和分闸初期、中期开口距离(1）在隔离开关操作初期，合闸操作重燃次数少于分闸操作重燃次数，合闸操作单次重燃最大瞬态电场峰值大于分闸操作单次重燃最大瞬态电场峰值。这主要是由于合闸初期开关动静触头距离大于分闸初期开关动静触头之间距离。(2）隔离开关操作合闸和分闸中期并无明显的区别，这主要是由于合闸分闸过程中期隔离开关断口距离相差不多。(3）随着隔离开关操作对象长度的增加，瞬态电场的峰值在减小。6.2重燃次数和时间间隔由于操作时刻随机性和合分闸角不同，所以在同一开关的同一种操作中（例如合闸操作），不同的次测量绘有不同的重燃次数和最大振荡峰值，重燃的时间间隔也存在差异。6.3不同的测量比较本文与文献7巷道充放电操作(1）单次重燃时电场的振荡是单极性的。(2）断路器与隔离开关相比，断路器操作产生的瞬态电场时间短，幅值小。(3）断路器在给长线充电时，除重燃产生的瞬态电场外，还存在明显的行波在长距离线路上反射产生的瞬态电场，因此断路器给长线充电的瞬态过程较投空载变压器时的瞬态电场