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1、第五届输配电技术国际会议2 005 真空熄弧型有载分接开关和真空断路器中过电压的比较 D r D S h e n l ，K R o i d e r l ，D r D D o h n a l lH H i i r i n 9 2D r K 一H W e c k 3 王梦云教授4 1 德国M R 公司：2 广东莱茵豪森有载开关公司；3 德国高压和高电流研究所( F ( 避) ；4 中国电力科学研究院 1 绪言 最近二十年，真空开关技术已经发展成为中压断路器和大电流接触器的主导技术。真空开关技术不仅 可替代其他开关技术，并提供了一系列优越性。优越性之一是真空开关管的全密封系统，与周围介质无交 互作用
2、，从而减少了维修的需要。 在有载分接开关领域也有类似趋势。从上世纪8 0 年代中期，M R 已经为美国市场研制了采用真空开关管 的电抗式有载分接开关。M R 在1 9 9 5 年首次生产了使用真空开关管的快速电阻式有载分接开关并投入市场。 这种产品适用于干式变压器的调压，使之充分发挥其独特的优点：减少火灾危险、无对水的污染、允许直 接安装于负载中心等等。从本世纪开始，一个完整采用真空开关管的有载分接开关系列真空熄弧型有载 分接开关V A C U T A P 已经开发成功。真空开关技术正在成为调压变压器领域的主导技术。 在真空开关技术开发的初期，真空开关管通断操作时产生的过电压屡屡成为议论的对象
3、。有关过电压 问题的议论就少不了真空开关管及其应用。所以人们对有载分接开关的真空开关管在操作时可能产生的过 电压问题的关注，可以理解但无依据。因此，有必要对有载分接开关和断路器作一比较。 虽然这两种设备都采用真空开关管作为开关元件，但是通断条件却大不相同。断路器开断的是系统电 流，甚至是短路条件下的敖障电流。真空开关管断口上的恢复电压是系统电压，鉴于介电水平的限制，它 只能用于中压范围。而有载分接开关则不同，它不中断负载电流，而只是将其从变压器调压绕组的一个分 接转换到下一个分接。真空开关管两端的恢复电压是两个分接头之间的所谓级电压加上过渡电阻上的电压 降，过渡电阻的接入是为了限制过桥瞬间的循
4、环电流。大多数的电力变压器，级电压大约是系统电压的1 。 由于恢复电压与系统电压没有直接联系，所以真空开关管可以一直用到设备最高电压3 6 2 k V 的有载分接开 关上。 另一方面，有载分接开关的操作次数非常高。随有载分接开关应用，如电网变压器、移相变压器、整 流变压器、电弧炉变压器等等，其操作次数也大不相同，从每年几千次到几十万次。这是断路器在其整个 寿命期限内也不会达到的。在此应用的要求下，通常用于断路器中的真空开关管却不完全适用于有载分接 开关。所以，真空开关管必须采用专门设计，进行新的材料优化，才能将此真空开关技术应用于有载分接开 关。 2 过电压现象 当断路器开断一个感性负载例如空
5、载的变压器时，真空开关管的电流截断是产生过电压的主要原因之 一。负载可以看作是电阻和电感的串联再和等值电容的并联。其中也包括杂散电感和导线电阻( 图1 ) 。 U C B 只T L T R r ：绕组电阻 L r ：绕组电感，折算到变压器线端 ：导线电阻 L s ：绕组杂散电感 C ：纵向电容 圈1 变压爨和断l 舞嚣的单相等值电路 1 2 0 3 第五届输配电技术国际会议2 0 05 根据能量守恒定律，在电流截断瞬间存储的静电能和感应能，在电流截断之后即全部转化为并联电容 中的静电能，如果导线中不存在感应能，也没有杂散损耗，即有： 丢c u ? + i 1 。卜三c u 之。 式中，U l
6、和I 是截流时刻的瞬时值，h 是折算到发生切换操作线端的总电感。这个瞬变现象伴随着过 电压，随后发生高频振荡。变压器线端的过电压最大值U l 。娃可以按下式计算： U l 眦2= u 。瓜和 ( 2 ) 式中l 【c B 为过电压系数。变压器空载时，激磁电流和端电压的相位移接近9 0 。所以在电流截断瞬间， U l 几乎达到最大值。h 很高，等于激磁电感。如果电容很小，过电压可能对变压器绝缘构成威胁【8 】。这时 必须采用金属氧化电阻或者R C 电路。 3 采用真空开关管的有载分接开关 真空开关管在切换开关中是和机械式开关配合使用的。电流由真空开关管切换，而机械式开关则不开 断任何电流。这种设
7、计概念已经用于M R 生产的真空熄弧型有载分接开关系列V A C I 玎A 姗，A v T 和 V R C N R E 型。其他的结构方案本文不再讨论，因为，从原理上说，它们的过电压条件基本类似。 图2 是变压器调压绕组从一个分接变换到下一个分接的切换顺序。从研究过电压角度，主要讨论其中 的两个步骤，即： 步骤2 ：在切换顺序6 一l 中，主通断触头打开，负载电流转移到过渡电阻。 步骤4 ：在切换顺序1 6 中，过渡触头打开，切断两个分接之间的循环电流。 S K S K 圈2M R 的真空I 毫弧型有t 分接开关系列V A C U T M 。、C V 羹在从个分接变换到下个分接的6 个切换步骤
8、 S K ：切换开关的“主触头”真空开关管 H K ：切换开关的“过渡触头”真空开关管 R ：过渡电阻 图3 是变压器的单相等值电路，它以电路形式表达了有载分接开关从一个分接到下一个分接的变换过 程。在分接位置1 上负载电流流过整个绕组，在分接位置2 上负载电流只流过绕组的剩余部分，甩掉了两 个分接之间具有电感L 和并联电容A C 的那一部分。 前面已经指出，有载分接开关不开断负载电流。电流的截断迫使绕组甩掉部分中储存的能量转移到剩 余部分，即： 1 2 0 4 昕 生c = o 七 第五届输配电技术国际会议20 05 U U 丢c u ? + i 1k n 丢A C U 蚤+ 1 2 A L
9、 1 2 乏1C U ? m = + 五1 。产 0 L T C ( a ) 有载分接开关位于分接位置1 时 O L T c R 6 1 A R T L ( b ) 有载分接开关位于分接位置2 时 圈3 变压器和有藏分接开关的单相等值电路 1 2 0 5 U s r A R v L ( 3 ) 第五届输配电技术国际会议2 0 05 变压器线端的过电压最大值可以按下式计算： 弘一= 由于U s x 大约是u l 的l ，上式中的第二项可以忽略不记，等式( 4 ) 可被简化为： U l 础2 k o L r c ：7 A L 雨1 2 = 0 0 1 2 百可 ( 4 ) ( 5 ) 通常，电感跟
10、匝数的平方成正比。由于两个分接之间的匝数约为总匝数的1 ，所以L 近似为L 的 O 0 1 。分接产生的等式( 5 ) 中的过电压系数k O L T C 比由于切断引起的等式( 2 ) 中的过电压系数k c B 低几 个数量级，没有危险，可以忽略。 过电压如此之低是因为，真空开关管截断的仅仅是绕组很小一部分的电流。储存于这一部分绕组中的 磁能是有限的。在分析中曾假定，能量全部转移到了绕组的剩余部分。能量能不能限制在这一部分绕组的 空间内昵? 会不会在局部例如两个分接之间产生过电压昵? 比照上述分析，两个分接之间的过电压可以由下 式算出： U 趼眦= 1 扛k s r 。和 k = 篙西1 2
11、绕组被甩掉部分的电感或电容和剩余部分都是串联连接的。通常可以按照如下关系式估算： U s r = l _ A L ：( 1 ) 2 一C ：1 竺：( 1 _ ) 3 生U l0 、。 C 一1 刚C u 7C 使用( 7 ) 中的关系式，两个分接之间的过电压系数l 【s T 可表达为： ， 1 2 k = ( 1 ) 詈斋。( 1 ) ( 8 ) 一 一1 过电压系数K S T 比K 凸低两个数量级。 为了取得定量资料来验证上述分析，借助改进后的电磁瞬变程序( E M T P ) 对M R 公司采用真空开关管 的切换开关性能进行了调查研究，其中特别注重对变压器绕组的瞬变行为和真空开关管的开关
12、特性做准确 地模拟。 4 模拟方案 4 1 变压器绕组的模型 详细的绕组模型由一系列基本元素组成【2 ，3 ，4 】。图4 显示一个由R L C 电路构成的基本元素。一个基 本元素代表可自由定量的绕组部分，它可以是一个线饼、几个线饼甚至是调压绕组中的一匝或者几匝。 变压器模型的各种基本元素之间的相互耦合极为重要。经验表明，仅限于相邻元素之间的耦合是不够 的，绕组大部分之间的耦合必须考虑。电阻R 1 随频率而变，它的模拟也很重要。在时域上，这个随频率而 变的电阻是用R L 元素近似模拟的。 1 2 0 6 第五届输配电技术国际会议2 0 05 k C ；一个线段的纵向有效电容 C 话一个线段和相
13、邻线段之间的耦合电容 C E i对地的杂散电容 L i一个线段的有效电感 k k一个线段和另一个线段的互感 R i一个线段中的产生涡流损耗的电阻 G i一个线段的纵向有效电导 圈4 基本绕组元素的等值电路图 瞬变电压的调查研究必须在时域中进行。对达到此目的，比较合适的还是采用世界周知并广泛采用的 瞬变程序E M T P ，特别是在某些应用上需要用传统的线元素模拟。问题是，当要求耦合元素必须达到一定 数目，现有的程序版本不敷应用，不得不作相应的扩展。这个扩展程序已经得到E M T P 程序开发者，T s u h e i L i u 博士和S c o t tM e y e r 博士( B P A
14、，P o r t l a n d ，U S A ) 的支持，对此我们深表感谢。E M T P 程序新版本的适 用性已通过计算和测量之间的比较得到验证【5 】。 4 2 真空开关管的模型 在真空开关管开断的模拟上，已将开关电流、电流的陡度、开关管两端的电压、真空间隙的动态绝缘 强度考虑在内。由于所有必要参数的统计分散性都有很大，所以很详细的模型并不增加对变压器所承受电 压强度计算的可靠信，也没采纳文献【1 0 】的真空断路器物理学的模型。因此，真空开关管闭合和断开之间的 过渡，选用了计算稳定性所容许的，尽可能短暂的时间。所以获得的结果是保守的。 对真空开关管开断或闭合的控制是按开关电流i s 和
15、断口电压u 。来进行的。第一次截流发生在电流瞬时 值低于截流值I A 5 咂。，后续截流低于I A H F 。对于后续截流，还必须满足附加条件即电流的导数d i d t 低于已选 值。在计算中，截流值采用I A 5 0 也= 5 A 和I A H F = 2 5 A 。这些数值和文献【3 ，6 ，9 】的数值基本一致。但是， 必须指出，这些数值的正确性仅在处理的电流值的有限范围内得到验证。对于高频截流值，文献中有不同 的资料。极限电流上升率取5 叫ps 。 4 3 变压器的模型 为调查真空开关管操作产生的过电压强度，从实际应用上选取了一个真实情况。所采用的参数对应于 1 6 1 6 9 k V
16、 变压器三相组的一相，2 1 0 M V A ，Y 结。为了调查自耦变压器的调压绕组，又选择了2 3 0 6 9 k V 变 压器三相组，3 0 0 M V A 。调压绕组有粗调绕组和分接绕组，两者在同一个心柱上，并分别分作两个并联线 段。调压范围约为1 8 。 图5 左侧是原理接线图，右侧是详细的绕组接线图。虽然图中只显示了粗调绕组比调压绕组多一级的 情况，但是对两个绕组的匝数相等的情况也作了调查。 1 2 0 r 7 第五届输配电技术国际会议2 0 0 5 一d _ _ h - b m o 吣n e c 岫w i t h t r a n s i t 嘛 圈5 变压器模型的原理接线图 左图是原理图，右图是调压绕组的详细接线图和全部选用的基本计算元素 图5 是变压器一相的布置图，高压绕组和低压绕组分别分作4 0 个基本元素。两个粗调绕组各分成1 1 个元素，两个分接绕组各分成1 0 个元素。变
