摘 要：近年来，随着真空断路器在电力系统的普及应用，与之相关的系统过电压事故也时有发生，特别是在开断感性负载时更为常见。为了能对过电压的发展过程进行更为深入地研究，应用EMTP对某变电站真空断路器开断并联电抗器过程中产生的操作过电压进行仿真分析。通过建立电弧电流过零判断、重燃判断、真空开关介质动态绝缘强度曲线等模型，模拟真空断路器开断过程中的重燃过程。仿真结果表明，真空断路器开断感性负载时，一旦发生三相电弧的反复重燃，操作过电压峰值会远高于系统额定运行电压，对系统绝缘带来严重的安全隐患。
关键词：真空断路器；操作过电压；并联电抗器；EMTP
0 引言
真空断路器具有开断容量大、灭弧能力强等优点，因而在电网低压侧得到了广泛的应用。然而统计显示，近几年电网运行中，在操作真空断路器开断并联电抗器时，多次发生绝缘击穿事故。目前国内外学者研究认为，真空断路器在开断感性负载时，易发生电弧的反复重燃，产生极高的操作过电压，使系统绝缘薄弱处击穿。
由于开断过程中的过电压发展过程复杂，影响因素多，试验条件苛刻，因此计算机仿真分析被广泛应用于过电压研究中。20世纪90年代就有国外学者使用可控电阻模型来模拟真空断路器开断过程中的截流与重燃现象，后经HELMER.J等人的发展建立了更加完备的断路器模型[1-4]。国内亦有许多学者对此作了大量的研究，建立了考虑断路器动态绝缘特性、相间耦合、截流能力等因素的仿真模型[5-6]。
1 过电压产生机理
真空断路器在开断感性负载时，电网状态的变化导致系统内部电容和电感间的电磁能量相互转换，造成振荡，产生操作过电压[7]。当电弧电流小，断路器灭弧能力强，强制熄弧时，则会产生截流过电压。此外真空断路器开断过程中，触头两端的恢复电压为母线侧工频电压和负载侧高频振荡电压叠加形成，若断路器介质动态绝缘强度不足会导致断路器再次击穿；若上述过程在开断过程中反复发生，会在断路器触头两端叠加产生极高的恢复过电压，即重燃过电压。同时，由于断路器开断过程中三相间的耦合作用，首相熄弧过程中产生的高频电流会通过耦合作用在其他两相产生高频电流，导致另两相产生比首相截流过电压更高的操作过电压[8]。
2 系统模型建立
针对某220 kV变电站35 kV侧系统，运用EMTP（电力系统暂态仿真程序）对系统操作过程中的过电压进行了仿真分析。EMTP软件于1968年由加拿大H.W.Dommel教授首先创立，后经众多研发人员的努力，逐步完善，具有规模大、功能强等优点，已广泛应用于电力系统的稳态及暂态仿真计算。
该站在采用真空断路器开断35 kV 1号并联电抗器的过程中，35 kV母线侧2号接地所用变压器（以下简称所用变）发生绝缘击穿故障。故障前系统运行方式为：
（1）1号主变压器（简称主变）送35 kVⅠ段、Ⅱ段母线，35 kV母分断路器闭合。
（2）35 kV 1号、2号、3号、4号电容器热备用，35 kV备用间隔冷备用。
（3）35 kV 1号、2号电抗器运行。
（4）35 kV 1号、2号接地所用变运行（发生故障时已运行1.5 h）。
系统简化接线图与EMTP系统仿真图如图1、图2所示。
图1 系统简化接线
仿真电路元件模型参照该站参数进行计算。1号主变35 kV侧电源的短路阻抗根据厂家试验数据计算为0.375 mH。35 kV侧接地所用变型号DKSC-1500/400/37，等值参数根据厂家提供试验数据计算。油浸式并联电抗器型号BKS-10000/35，星型连接，中性点不接地，各相电感值均为444.2 mH。电缆参数根据资料近似选取，电缆的单位长度电感约为0.4μH/m。系统杂散电容、变压器开口电容等参数均参照文献[9-11]近似选取。该系统仿真未考虑避雷器的影响。
图2 EMTP系统仿真
注：接地变压器简称接地变。
3 真空断路器EMTP模型
此处真空断路器的仿真模型参考了现有国内外学者的研究成果[10，12-15]，主要包含电弧电流过零判断模块、开关介质动态绝缘强度模块、电弧重燃判断模块、开断信号输出等模块，见图3。真空断路器采用TACS控制断路器（SW-TACS），其余逻辑控制模块均采用TACS元件搭建。
图3 真空断路器模型
3.1 电弧电流过零判断模块
真空断路器具有较强的熄弧能力，能在电流过零点熄弧。基于EMTP采用数值计算方法，其计算步长Δt远小于工频电流的周期；因此可以通过判断t时刻以及t-Δt时刻电流的正负符号变化情况来判断该时刻电流是否过零点[10]。首先将断路器的电流信号通过TACS元件取出，通过延时器（TACS：DEVICE53）将电流信号延迟Δt后输出，再与t时刻的电流共同通过比较器（TACS：DEVICE60）。 若两信号相乘结果为负值， it×it-Δt〈0，则判断在这段时间内，电流过零，电弧熄灭，该t时刻即为断路器的开断时刻[10]。电流过零判断模块逻辑如图4所示。
图4 电流过零判断模块
3.2 动态绝缘强度及电弧重燃判断模块
真空断路器开断过程中，随着断路器两触头间距离的增加，触头间的绝缘强度也不断增大，称为断路器介质动态绝缘强度。很多仿真分析将断路器动态绝缘强度与时间取近似直线关系，但是实际开断过程中受断路器工艺等因素影响，它们并非完全呈线性关系。此处介质动态绝缘强度曲线选取由试验数据所拟合的公式。由于断路器开断过程中恢复过电压波形的幅值受到断路器绝缘特性的限制，因此恢复电压波形的上部包络线即可认为是断路器的动态绝缘特性曲线。断路器分断时间从电流第一次过零熄弧时刻算起。将试验得到的恢复电压波形上部包络线拟合即可得到断路器动态绝缘强度公式[9]。动态绝缘强度ud（kV）与断路器分断时间td（ms）拟合公式为式1，其关系曲线如图5所示。
图5 介质动态绝缘强度与分断时间关系
电弧开断的同时，触头间的恢复电压亦会发生振荡变化。如果恢复电压大于触头间动态绝缘强度，则判定真空断路器发生了电弧重燃。电弧重燃判断模块的流程如图6所示。
图6 真空断路器的电弧重燃判断流程
4 仿真结果分析
图7 真空断路器断口间恢复过电压
根据断口恢复电压波形显示，见图7，采用真空断路器开断35 kV侧1号并联电抗器过程中，断路器内部发生了三相电弧的反复重燃，随着重燃次数和时间的增加，触头两端的恢复过电压不断叠加升高，且存在较高频分量。三相电弧重燃时间分布约在5.5～7.5 ms，断路器触头两侧恢复过电压峰值发生在B相可达到约160 kV。图8为开断过程中电弧电流波形，每次电弧的重燃均会在回路中产生高频电流，且随着重燃次数的增加，电弧电流亦会逐渐增大，峰值同样出现在B相，可达约38 kA。
图8 三相电弧电流波形
断路器的电抗器侧过电压波形表明（见图9），并联电抗器在开断过程中的过电压峰值会升至约130 kV，对电抗器绝缘造成冲击。
电弧重燃过程中，系统母线侧的电压亦会发生较大幅度的高频振荡，峰值近70 kV（见图10），远超系统额定电压，对母线侧设备运行造成安全隐患。直至电弧重燃过程结束，系统电压才逐步稳定。在此过程中，母线侧的设备经历了过电压的考验，这导致实际操作中，该站系统绝缘薄弱处即2号接地所用变进线位置，发生绝缘击穿。
图9 电抗器侧三相过电压
仿真结果表明，真空断路器开断并联电抗器过程中可能发生三相电弧重燃，并产生较高的过电压，因此建议在真空断路器选型时应加强对分闸特性及重燃特性的考核。根据目前研究现状，主要可通过2种方式消除开断并联电抗器时产生的操作过电压：
（1）通过加装阻容吸收器，末端开断并抗等改变电气回路的方式来使操作过电压尽量减小。但是由于操作过电压存在较大的高频分量，其受变电站线路参数、变压器参数、系统杂散电容等分布参数影响较大，因此改变电气回路的方式对于不同的变电站效果不同，很难实现统一的解决方案；且增加设备会使系统更加复杂，可能带来其他的负面影响。
图10 母线侧三相电压
（2）使用灭弧性能更强、动态绝缘强度特性更好的高性能断路器，以及具有相控分闸技术的断路器等方式来抑制并抗开断过程中产生的操作过电压。该方式重在提高断路器的开断特性，从源头上消除并抗开断过程中电弧重燃现象发生，避免操作过电压的产生，值得进一步的发展研究。
5 结语
基于EMTP软件建立了真空断路器的仿真模型，并针对实际事故案例进行了操作过电压的仿真分析。该模型考虑了真空断路器开断过程中介质动态绝缘强度及三相间电路的相互影响，定量反映了开断过程中重燃过电压的发展过程。仿真结果对于断路器的技术指标、结构设计等具有一定的指导意义，对实际生产中断路器的选型及绝缘配合的设置也有一定的帮助。
