過電壓真空斷路器或接觸器切合小電感電流負(fù)荷(如感應(yīng)電動機(jī)) 時(shí)可能產(chǎn)生過電壓。在切除過程中，小電流電弧在真空中的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生截流過電壓，另外，當(dāng)電流開斷相角很小時(shí)，會發(fā)生多次復(fù)燃過電壓；在關(guān)合過程中，由于其具有較強(qiáng)的高頻電弧熄滅能力，在預(yù)擊穿或觸頭發(fā)生彈跳時(shí)，易發(fā)生多次復(fù)燃過電壓，這些過電壓均會對電動機(jī)的絕緣產(chǎn)生危害，成為普遍引起關(guān)注的問題。某大型泵站運(yùn)行了1 a 多來，改善功率因素的補(bǔ)償電容器組的串聯(lián)干式電抗器發(fā)生了多次損壞事故，電抗器表面環(huán)氧絕緣明顯開裂，其部位大多在電抗器靠端部的匝間。該補(bǔ)償支路與電動機(jī)支路并聯(lián)，每次啟停電動機(jī)組時(shí)，真空接觸器同時(shí)切合電動機(jī)和補(bǔ)償電容器組，這對于泵站是最頻繁和典型的操作方式。有必要對這些系統(tǒng)操作方式產(chǎn)生的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行模擬計(jì)算研究和實(shí)測，尋找事故原因采取應(yīng)對策略。

　　1　泵站配電系統(tǒng)及其運(yùn)行工況簡介泵站配電系統(tǒng)為單母線分段方式。兩路35 kV 電源進(jìn)線，分別通過兩臺主變降壓到6 kV 系統(tǒng)； 每段母線帶6 臺電動機(jī)組。

　　以6 kV I段為例，該段母線送電到6 臺電動機(jī)組，母線對地安裝一組電容電感補(bǔ)償支路和一組避雷器。每一回電動機(jī)支路上，真空接觸器和電動機(jī)組之間對地安裝一組電容電感補(bǔ)償支路和一組避雷器，主要用于改善功率因數(shù)并限制對地過電壓。電動機(jī)主要參數(shù)為額定輸出功率1 400 kW，額定電壓6 000 V，額定電流195.3 A，額定轉(zhuǎn)速298 r/min，真空接觸器主要參數(shù)為額定工作電壓6 kV，額定工作電流400 A，額定開斷能力(25次) 3.2 kA。高峰運(yùn)行時(shí)，一般投入6 臺電動機(jī)組，每段母線各帶3 臺，根據(jù)實(shí)際情況增加或減少機(jī)組的投入，因此，既有其它電動機(jī)組停運(yùn)時(shí)單臺機(jī)組起停的工況，也有其它電動機(jī)組運(yùn)行時(shí)單臺機(jī)組的起停工況，需要分別進(jìn)行研究。

　　2　EM TP 模擬計(jì)算和實(shí)測研究采用電磁暫態(tài)程序(EM TP) 對該配電系統(tǒng)各元件包括電源、架空線和電纜、變壓器、改善功率因數(shù)的電容器和電抗器、避雷器、電動機(jī)組和開關(guān)分別進(jìn)行了詳細(xì)的模擬。其中開關(guān)采用理想開關(guān)模型。開關(guān)合閘時(shí)，觸頭兩端電壓為零；開關(guān)分閘時(shí)，流過開關(guān)的電流為零。按廠家提供數(shù)據(jù)模擬，開關(guān)合閘三相不同期不超過3 m s，合閘彈跳時(shí)間不超過2m s，分閘截流小于3A。過電壓具有統(tǒng)計(jì)特性，在模擬計(jì)算時(shí)采用統(tǒng)計(jì)開關(guān)模型，每次切合操作都采用360 次隨機(jī)操作，在一周波內(nèi)均勻分布，并考慮計(jì)算中的最大過電壓。避雷器采用分段非線性電阻模擬。電動機(jī)組采用通用電機(jī)模型模擬，模擬電動機(jī)組原始參數(shù)。

　　根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了兩種計(jì)算工況，分別計(jì)算空母線合切電動機(jī)的暫態(tài)過程和母線上有多組電動機(jī)運(yùn)行時(shí)合切電動機(jī)的暫態(tài)過程。受到系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況的限制，現(xiàn)場實(shí)測了空母線合切電動機(jī)和母線上有一組電動機(jī)運(yùn)行時(shí)合切電動機(jī)的暫態(tài)過程。現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)測主要是驗(yàn)證計(jì)算，因此開關(guān)的操作次數(shù)僅為單合單分4 次循環(huán)，以觀察實(shí)測中有無分閘重燃等特殊現(xiàn)象。運(yùn)行中損壞的為電抗器，因此電抗器的端電壓是關(guān)注的重點(diǎn)。在切電動機(jī)時(shí)，過電壓主要是由于截流和重燃引起的。電動機(jī)側(cè)有補(bǔ)償支路，切電動機(jī)磁場能量可以通過補(bǔ)償?shù)碾娙蓦姼谢芈氛袷庒尫?，形成了拍頻振蕩(見2) ，使開關(guān)觸頭兩端的恢復(fù)電壓上升速度變緩而不易發(fā)生重燃，過電壓不會太高，即使有截流，除了開斷時(shí)有一幅值小于工頻穩(wěn)態(tài)幅值約一半的高頻振蕩外，與無截流時(shí)無多大區(qū)別。在實(shí)測中未發(fā)現(xiàn)分閘重燃現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的過電壓。計(jì)算時(shí)亦不考慮重燃。表1 統(tǒng)計(jì)了計(jì)算的最大過電壓數(shù)值。

      國標(biāo)規(guī)定的66 kV 以下不接地系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)水平為計(jì)算最大操作過電壓4.0 pu。計(jì)算和實(shí)測均表明，各設(shè)備對地過電壓均低于2 pu，更遠(yuǎn)低于電氣設(shè)備的絕緣水平，補(bǔ)償支路中電容器兩端的最大過電壓小于1.5 pu，電抗器兩端的最大過電壓小于0.8 pu，母線上有多臺電動機(jī)組運(yùn)行時(shí)分閘過電壓要比空母線時(shí)還略低些，這些電氣設(shè)備的正常絕緣水平都應(yīng)完全能夠耐受這種過電壓。

　　在關(guān)合電動機(jī)時(shí)，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓，國內(nèi)外研究表明，電動機(jī)合閘過電壓最高可達(dá)到3.8 pu，合閘過電壓與開關(guān)的性能(彈跳、三相非同期等) 和電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)有關(guān)，在開關(guān)發(fā)生預(yù)擊穿或觸頭彈跳時(shí)，易發(fā)生多次復(fù)燃過電壓。本泵站系統(tǒng)不考慮彈跳和考慮彈跳時(shí)的計(jì)算過電壓，及實(shí)測的過電壓統(tǒng)計(jì)如表2。

　　計(jì)算時(shí)，如果不考慮合閘彈跳(即正常情況)時(shí)，空母線和母線上有幾臺電動機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生過電壓大小基本相當(dāng)，遠(yuǎn)小于4 pu，避雷器不會動作，對電氣設(shè)備的正常絕緣無威脅。計(jì)算時(shí)，如果考慮合閘彈跳時(shí)，對過電壓影響甚大，以電抗器對地電壓為最高，接近3.5 pu，但仍在電氣設(shè)備絕緣水平允許范圍內(nèi)。電抗器兩端過電壓大幅度上升，接近2.7 pu，且波頭很陡，從正峰值到負(fù)峰值之間不到350µs，為高頻過電壓(見圖3) ，因此對電抗器的匝間和層間絕緣有較大的威脅。

　　由于實(shí)測操作次數(shù)少，不能象微機(jī)計(jì)算能夠模擬大量的操作，因此不一定能捕捉到最嚴(yán)重的過電壓。但實(shí)測能夠反映系統(tǒng)的實(shí)際情況，可對理論算結(jié)果進(jìn)行校核，從而驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果。表2 表明實(shí)測過電壓數(shù)值和計(jì)算不考慮彈跳時(shí)相一致，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的過電壓，應(yīng)該指出，從實(shí)測波形可知，電容器對地的過電壓主要為工頻過電壓，而電抗器對地過電壓主要為高頻過電壓。從圖4實(shí)測的電抗器對地電壓波形，可以看到波形上有數(shù)kHz 高頻的振蕩波形。這是由于真空接觸器在合閘時(shí)發(fā)生彈跳具有分散性，計(jì)算考慮了最嚴(yán)重的情況(彈跳時(shí)間2 m s) ，實(shí)際在預(yù)擊穿或觸頭發(fā)生微弱彈跳時(shí)，由于真空接觸器具有較強(qiáng)的高頻電弧熄滅能力，可能發(fā)生多次復(fù)燃的高頻過電壓，雖然幅值不高，但這種陡度的過電壓會對電抗器的匝間絕緣產(chǎn)生威脅，計(jì)算表明這種過電壓嚴(yán)重時(shí)電抗器端對地達(dá)3.5 pu，在電抗器兩端接近2.7 pu。多機(jī)系統(tǒng)分合閘暫態(tài)過程中，未發(fā)現(xiàn)有諧振現(xiàn)象。

　　3　補(bǔ)償支路電抗器損壞原因分析計(jì)算和實(shí)測均表明，真空接觸器關(guān)合電動機(jī)組的過程中會產(chǎn)生高頻的過電壓。在正常運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)端的電容電感補(bǔ)償支路中，電容器承受大部電壓，主要用來產(chǎn)生容性無功，改善功率因數(shù)，而電抗器兩端電壓很低。但在操作時(shí)，尤其在關(guān)合過程中，補(bǔ)償支路會承受高頻的電壓，這種電壓突變的分量顯然會集中在電抗器的兩端，形成高頻過電壓，危害電抗器的縱絕緣，尤其是對繞組端部的匝間絕緣，故障電抗器損壞部位也確在靠近端部?，F(xiàn)有的避雷器可以將電抗器對地過電壓限制在允許范圍內(nèi)，但對極間過電壓限制作用不大。

　　4　改進(jìn)的措施與方法針對上述的分析結(jié)論，可采取如下措施避免電抗器的損壞的頻繁發(fā)生。

　　(1) 要求更換的串聯(lián)電抗器按《并聯(lián)電容器組串聯(lián)電抗器標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)，以考驗(yàn)其匝間和層間絕緣耐受操作過電壓的能力。操作過電壓試驗(yàn)波形可按標(biāo)準(zhǔn)操作波波形250/2 500 µs，其幅值應(yīng)在2.5～3.5 pu。

　　(2) 對現(xiàn)已投運(yùn)但未發(fā)生損壞的電抗器極間，并接合適的氧化鋅避雷器和小電阻串聯(lián)支路。正常運(yùn)行狀況下，避雷器承受電壓，近似開路，基本無功率損失，過電壓發(fā)生時(shí)，避雷器和小電阻將過電壓限制在電氣設(shè)備允許的水平以下。