35 kV干式空芯電抗器的操作過電壓特性及絕緣性能研究.pdf

1、真空斷路器具有開斷容量大、滅弧性能好、環(huán)境友好型等特點，在電力系統(tǒng)中廣泛得到應(yīng)用。真空斷路器在投切10 kV及以下并聯(lián)無功補償設(shè)備時，運行可靠。近年來，真空斷路器在35 kV系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越多，其中最為常見的用途是投切并聯(lián)電抗器。然而，在35 kV電網(wǎng)中，采用真空斷路器開斷并聯(lián)電抗器時，事故特征與10 kV等級相比具有明顯的區(qū)別。且每年頻繁（上百次）的投切，在某些情況下，即使過電壓水平符合要求，投切事故仍時有發(fā)生。因此，本文從過電壓

2、產(chǎn)生機理和過電壓累積作用導(dǎo)致匝間絕緣擊穿以及匝間絕緣材料（聚酯薄膜）在長期熱老化作用下絕緣性能失效機理三個方面，對真空斷路器開斷35 kV干式空芯電抗器的故障機理進行綜合分析。
　　為獲得過電壓的特征，根據(jù)云南某220 kV變電站35 kV側(cè)運行回路相關(guān)設(shè)備連接方式及其參數(shù)，以及故障發(fā)生時故障錄波器記錄的電壓、電流波形，論文采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件，搭建真空斷路器開斷35 kV電抗器三相仿真模型，進行了仿真研究，獲得了

3、開斷操作時的暫態(tài)波形，并與現(xiàn)場試驗所得數(shù)據(jù)進行比較。
　　針對在過電壓幅值并不高，卻發(fā)生了絕緣故障的實際工況：（1）考慮頻繁投切過電壓對匝間絕緣產(chǎn)生的累積效應(yīng)，基于電抗器故障時多表現(xiàn)為匝間擊穿這一現(xiàn)象，采用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics對電抗器匝間絕緣擊穿時的磁場分布以及電場分布情況進行了計算和分析。并對高頻振蕩波用于檢測匝間短路故障時，其高頻下的電壓分布特性和工頻下的等價性進行了研究；（2）考慮電抗器匝間絕

4、緣材料（聚酯薄膜）長期在較高溫度下運行（最高可達130℃），導(dǎo)致絕緣發(fā)生熱老化的可能性，研究了不同老化程度和老化溫度對絕緣材料（聚酯薄膜）的相關(guān)絕緣性能的影響規(guī)律。
　　基于上述三個方面的研究，論文的主要研究工作如下：
　?、倩贏TP-EMTP軟件，搭建真空斷路器開斷電抗器的三相仿真模型，該模型考慮了相間多種耦合作用以及各相對地的雜散電容等因素。其中的斷路器開關(guān)模型主要考慮了開斷時的截流值，介質(zhì)絕緣強度恢復(fù)能力，斷路器的高

5、頻熄弧能力。這三個因素是根據(jù)廠家提供的參數(shù)以及現(xiàn)場開斷電抗器時，故障錄波器記錄的相關(guān)電壓和電流波形確定的。基于該仿真模型，在無任何保護和幾種過電壓保護措施下，對真空斷路器開斷電抗器的操作過電壓幅值和頻率進行了比較，并對開斷操作暫態(tài)過程和結(jié)果進行了分析，給出了該工況下產(chǎn)生嚴(yán)重過電壓的機理，并提出了幾點過電壓抑制措施。
　?、诨谟邢拊治鲕浖﨏OMSOL Multiphysics，搭建了準(zhǔn)靜態(tài)電場計算模型，分析了匝間雙層絕緣介質(zhì)界面

6、由于制造工藝分散性或熱脹冷縮效應(yīng)，存在空氣間隙時，電場強度在間隙處的畸變情況。同時，根據(jù)廠家提供的電抗器設(shè)計參數(shù)，搭建了電抗器的有限元仿真模型，對干式空芯電抗器在穩(wěn)態(tài)和發(fā)生匝間擊穿時的電磁場分布、被短接線圈中電流變化進行了研究，并對高頻振蕩波用于檢測匝間短路故障時，其高頻下的電壓分布特性和工頻下的等價性進行了驗證。
　　③基于掃描電鏡（SEM）、寬頻介電譜儀以及空間電荷測量平臺（PEA），對不同老化溫度（80℃和130℃）和老化程

7、度（0h、336h、720h、1000h）的匝間絕緣材料（雙層聚酯薄膜）的表面微觀形貌、介電常數(shù)和介電損耗、空間電荷演變特性、電荷陷阱能級、密度以及由電荷引起的電場畸變等角度，分析了熱老化對絕緣材料絕緣性能的影響規(guī)律，解釋了絕緣材料在長期較高溫度下運行時絕緣性能下降的現(xiàn)象。
　　綜合以上研究得出：真空斷路器開斷35 kV并聯(lián)電抗器時，若安裝了不恰當(dāng)?shù)倪^電壓保護裝置，極易發(fā)生高頻截流和多相重燃現(xiàn)象，使得在系統(tǒng)中形成幅值與頻率極高的暫

8、態(tài)過電壓，這是現(xiàn)場事故最為可能的原因。但這一現(xiàn)象可以通過在并聯(lián)電抗器側(cè)安裝RC阻容吸收器來消除，即使過電壓幅值和頻率滿足要求。同時，基于ATP-EMTP軟件搭建的三相仿真模型的仿真結(jié)果與試驗波形數(shù)據(jù)基本一致；基于有限元分析軟件COMSOL Multiphysics的仿真結(jié)果表明，當(dāng)雙層絕緣介質(zhì)界面存在空氣間隙時，電場強度將在間隙處嚴(yán)重畸變；在頻繁投切過電壓的累積作用下，若線圈發(fā)生匝間擊穿，在發(fā)生擊穿的線圈處，磁場強度是正常運行狀態(tài)下的好

9、幾倍，同時，被短接線圈中的電流將急劇增大。除擊穿處的線圈之外，其他地方的磁通密度與正常運行狀態(tài)下的磁通密度基本一致。10 kHz下的中間線圈和端部線圈匝間電壓比與50 Hz下的匝間電壓比近似相同，即電抗器匝間耐壓試驗時與工頻運行時的電場強度分布存在一致性；基于熱老化對聚酯薄膜絕緣性能影響的研究表明，材料的表面微觀形貌、相對介電常數(shù)及介質(zhì)損耗、電荷陷阱能級和密度、電場畸變程度都會受到熱老化因素的影響。本文重點從過電壓產(chǎn)生機理和過電壓的累積