操作工频过电压压peak/kV什么意思

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500kV线路操作过电压的计算分析
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第32卷第2期2013年4月电工电能新技术AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyVol-32.No.2Apr.2叭3车载真空断路器操作过电压及其保护研究欧阳乐成,吴广宁,高国强,李天鸷(西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)摘要:动车组再生制动或经过分相绝缘段时,车载真空断路器需断开,会产生较高的操作过电压。针对动车受能供电系统建立了简化电路模型,仿真分析了影响过电压的因素,并对两种过电压保护装置进行了分析比较,确定其配置原则及参数。结果显示,变压器对地电容越大,过电压峰值越低;氧化锌避雷器能有效限制过电压幅值,但对降低过电压陡度和频率效果不明显;Rc保护装置对降低过电压幅值、陡度和频率均有较明显的效果。关键词:真空断路器;EMTP;过电压;保护;避雷器中图分类号:TM561.2文献标识码:A文章编号:l003-3076(2013)02旬087旬51引言动车组采用真空断路器作为主断路器。真空的绝缘强度高,灭弧能力强,因而真空断路器在开断过程中经常出现电流还没有过零点就发生截流的现象,尤其是动车组变频电机属于感性负载更易发生截流,截流后感性器件中储存的磁场能迅速转变为电场能,即发生电磁振荡产生截流过电压。截流过电压与原电场叠加在一起使电弧重燃又形成重燃过电压。过电压频繁冲击车载高压设备,尤其是变压器和电机,对列车安全稳定运行造成严重影响,随着高铁的进一步发展,这些安全稳定问题越来越引起人们的重视。目前,对真空断路器操作过电压的研究主要集中在电力系统范围内,专门针对动车组真空断路器操作过电压的研究相对较少,可查阅的文献资料也不多。而且车载真空断路器的工况与电力系统断路器有较大区别,如车载断路器每经过分相绝缘段时均需断开,开合非常频繁(在十万次左右);正常开断电流仅为200A,与电力断路器相比较小。本文根据动车受能供电系统建立了简化电路模型,利用EMTP对真空断路器开断瞬间的暂态过程进行了仿真,分析了过电压的影响因素及两种不同原理的过电压保护装置的保护效果,并确定其选型参数的取收稿日期:2011.12-26蝴陋姚所基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2叭lcB711105)作者简介:欧阳乐成(1985.),男,湖北籍,硕士研究生,主要研究方向为过电压分析与保护;吴广宁(1969一),男,江苏籍,教授/博导,主要研究方向为高电压与绝缘技术。万方数据88电工电能新技术第32卷机,频率变化频繁,电流、电压波动幅度大;供电过程需经过复杂的整流、逆变环节,整流电路的换向和平波使变压器原边电流波形畸变,产生大量谐波。3关。车载真空断路器平均分闸速度为1.5m/s,分断时间在O.04s左右…,开断过程需经历两个正弦周期,在正弦周期的上升和下降阶段都有可能发生截流,其中在电流上升阶段截流是真空断路器特有的现象¨1。另外,由于车载真空断路器正常开断电流系统建模及参数确定根据CRH2型动车即将过电分相时的供电过程值较小,使得截流现象更加容易发生。图3(a)、图3(b)是无防护的情况下在不同阶段截流后变压器一次侧过电压的仿真图。由图可知,截流过电压是频率很高的振荡脉冲电压,这种陡脉冲对变压器和电机绝缘有很大损伤;每一个高幅建立了如图2的电路简化模型,其中忽略电源内阻。因为接触网较长,需考虑其电感和对地电容;变压器等效成电阻串电感,并考虑其对地电容;负载变频电机为感性,也可等效为电阻串电感。值脉冲都可能击穿真空间隙使电弧重燃;经过几个‘心周期的振荡衰减,过电压消失。将图3(a)与3(b)的过电压局部放大图对比可知,真空断路器在电流上升阶段截流和在下降阶段截流所引起的过电压幅值基本相同,但在下降阶段截流,过电压衰减速度更快,陡度相比较小,对车载设备造成的冲击也略小。其原因是:在电流上升阶段截流时,触头间暂态恢复电压上升速度更快、陡度更高,使得电弧的重燃次数增加,减缓了过电压的衰减速度。Ⅵ’70宁‘厶一接触网等值电感;cI一接触网对地电容;c2一受电弓对地电容;Rl一电压互感器电阻;£2一电压互感器电感;c3一变压器对地电容;L,一变压器等效电感;尺2一变压器线圈电阻;k一电机绕组电感;玛一电机绕组等值电阻;VcB一真空断路器图2电路简化模型Fig.2Circuitsimplifiedmodel―n50主要参数计算如下:根据电磁场理论,接触网对地电容C。计算公式为八^Il【lo“I-“-0强990”0U删越∞6加d蔼触肌^^式中,s为真空介电常数;^为接触网对地高度;z为接触网长度,取16km;r为接触网导线半径;d为接触网与中性段水平距离。”赢2P醒’,‘l卯”’…“mS(a)电流上升阶段截流过电压(相位60。)::戴:;:ⅣmS变压器等效电阻和电感计算公式为:。代z2丽。L,2丁2||}醒5(b)电流下降阶段截流过电压(相位150。)1000S”’图3无防护不同阶段截流过电压Fig.30peratingovervoltageofdi珏bItntphase式中,P为变压器短路损耗;s为变压器容量,ATM9型变压器容量为3060kVA;u。为额定电压;矗为变压器短路电压百分比。仿真各参数取值为:£1=0.0137H;c1=1.23×10―9F;C2=2.5×10―10F;C3=1.83×10―9F;£3=O.008lH;尺1=3000Q;L2=1.1×1054.2变压器参数对过电压的影响操作过电压主要由系统内的电磁振荡引起,而电磁振荡取决于变压器绕组电感与对地电容¨1,因此变压器等效电感和对地电容的大小直接影响操作过电压的幅值和频率。H:4仿真结果与分析4.1截流过电压操作过电压的大小与断路器的开断性能密切相图4是在其他条件相同的情况下改变变压器对地电容所得的过电压幅值曲线,图5为对地电容分别取O.2妒和1斗F时过电压放大图。由图可看出,万方数据第2期欧阳乐成,等:车载真空断路器操作过电压及其保护研究89随着对地电容的增大,过电压幅值、频率和陡度都明显减小。这主要是因为对地电容对燃弧期间过电压的上升有限制作用”1。随着对地电容的增大,励磁电感与对地电容间的振荡频率降低,对地电容上的电压上升速度减慢,使得触头间的暂态恢复电压上升速度也减慢,故电弧重燃的几率减小,过电压的陡度下降。105100>95毒908580751E.8lE.7lE_6lE-5lE_4C难图4过电压幅值与对地电容的关系Fig.4Relationshipbetweenovervohageamplitudeandgmundcapacitancef/ms(a)对地电容较小时的过电压r/ms(b)对地电容较大时的过电压图5过电压放大图Fig.5Amplification69ureofovervoltage在实际计算中发现,当变压器容量参数取值增大时,过电压峰值也随之上升,如图6所示。这是因为变压器等效电感值与容量呈反比例关系¨1,由等效电感计算公式£=2u。扩/s也可证明。电感越小,电感对恢复电压的阻碍作用越小,变压器内部的电磁振荡越剧烈,过电压的上升速度越快,幅值越高。5过电压防护措施分析5.1避雷器机车采用无间隙金属氧化物避雷器来限制过电压,其并联在电路中,主要由聚合物瓷管和氧化锌组件构成。氧化锌组件实质是非线性电阻,在正常工万方数据105100>95考9085鲫3000400050∞6000700080009000S歆、,A图6过电压峰值与变压器容量的关系Fig.6Relationshipbetweenovenroltageamplitude8ndtransf0珊ercapacity作电压时电阻非常大,流过的电流极小;在冲击电压作用时电阻急速下降,快速释放过电压能量以起到保护作用‘引。计算采用车载LA205型交流避雷器,其主要电气参数见表1,表中标准放电电流是指给避雷器施加波形为8/20斗s的标准雷电波冲击10次时,保护器所耐受的最大冲击电流峰值。裹lLA205型避■器电气参数Tab.1P盯amete玛ofLA205a玎esterEMTP中提供了与金属氧化物避雷器非常相似的非线性元件模块,即MOV(Type一92),仿真计算采用多指数模型,并用牛顿迭代法快速求解,多指数模型可表示为:,=①(U)fsign[(IuI/u,1)风,u]o≤luI≤ul【sign[(1髟l/u,i)晟,髟]∥i一。≤luI≤髟i式中,,、U表示电阻片的电流、电压;玑、展(i=2,3……,m)为对电阻片伏安特性进行分段指数拟合所得;m表示曲线的分割点数;∽为相邻两段分段点电压及相邻两个指数曲线交点处的电压值。计算时,避雷器参考电压取U。,=57kV,残压U。。=107kV。图7是断路器在电压有效值25kV、相位均为60。的条件下开断时,加避雷器前后变压器一次侧过电压的对比图。由图7(a)与图7(b)对比可知,加避雷器后过电压峰值显著下降,从超过90kV降至55kV,衰减速度也加快,但其陡度和频率都基本没有变化。这是因为避雷器从发挥效用的原理来看其实是一种限压器¨1,是在出现过电压时降低电阻释放能量进行抑制,因此能降低幅值、加快衰减,减少重燃次数,但对高频振荡电压的频率及暂态恢复电电工电能新技术第32卷率、陡度均降低,与理论分析一致。此外,在仿真实90验中发现,如果增大保护装置中的电容,过电压幅值和陡度会有进一步下降;如果增大电阻值,则对振荡过电压的阻尼作用更加明显,如图9所示。但电容值增大,电容器体积会成倍增加,不便于装置的设计96198200,/ms6030堇o?60.90≥-30202204206和安装,同时也会增加晶闸管等元件的开通电流上升速度¨引,容易对电子器件造成伤害,加重电路中的谐波问题。电阻值也必须与电容值相匹配,否则不仅浪费而且会影响RC保护器的作用,因此,电容(a)不加防护装置器30和电阻值都不能取得过大。根据文献[11]介绍的原理计算,并在仿真中反复对比,得出电阻R在153~165n、电容C在3.0―3.8斗F较为合适。毫.,:.60。9{Ⅳmsb)加避雷器后图7过电压对比图Fig.70vervoltagecontrast69ure压的陡度没有明显的限制作用。由不加避雷器前的仿真结果得知,过电压频繁发生,幅值约为85kV,持续时间较短,少于0.1s。根据暂态过电压的这些特点,可为避雷器的选型提供依据。一般来说,在系统条件一定的情况下,避雷器额定电压和持续运行电压越高,吸收能量的能力也越强,但保护裕度会减小,因此需选择合适的电压参数使保护裕度最大化。结合《3~500kV交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》计算得CRH2型车载避雷器持续运行电压u。和额定电压M,取值范围如下:10075图8加Rc保护装置后的过电压Fig.80veI~oltageafterusingRCprotectiondevice,/mSa)增大电容值50250.25.50u。≥警叫.7w∽扎2铲4¨“式中,H。为过电压峰值。5.2.75.100,ms(b}增大电阻值RC保护器RC过电压保护器是机车上吸收操作过电压的图9改变RC装置参数后的过电压Fig.90vervolt89e址erchangingparameters主要形式,通常与变压器次边绕组并联,形成阻容支路,这样不仅可以吸收操作过电压,还可以吸收静电感应过电压¨1,是一种应用较为广泛的过电压吸收电路。、RC装置并人机车供电系统后,高频振荡回路参数会相应发生变化,负载特征阻抗减小,重燃衰减系数增大一1,因此能够有效限制过电压幅值,减小重燃振荡频率,降低恢复电压上升率du/dt。图8是RC装置中电阻为160Q,电容为3.2斗F时过电压的波形,与图7(a)对比,过电压的幅值、频6ofRCdeviee结论(1)在电流上升阶段截流和下降阶段截流所引起的过电压幅值基本相同,约为85kV(2.5pu)。但在下降阶段截流,过电压衰减速度更快,陡度相比较小。(2)变压器对地电容越大,过电压峰值越小;变压器容量越大(等效电感越小),过电压峰值也越大,因此可以通过在变压器副边绕组并联适当电容万方数据第2期来降低过电压。欧阳乐成,等:车载真空断路器操作过电压及其保护研究VcBinterruptingno―load91transf0瑚erovervoltage)[J].ofthecsEE),2002,(3)氧化锌避雷器能有效限制过电压峰值,但对降低过电压陡度和频率效果不明显;RC保护装置对降低过电压幅值、陡度和频率均有较明显的效果。(4)避雷器额定电压和持续运行电压需分别不小于41.6kV和34.7kV;RC保护器电阻取153―165n、电中国电机工程学报(Proceedings22(8):99?103.[6]李顺尧(“shunyao).金属氧化锌避雷器测试方法对比与分析(Comparison46(3):94.97.andanalysisofMOAVoltagete8tmeth-ods)[J].高压电器(HighApparatus),20lO,容取3.0―3.8心时对过电压抑制效果最好。参考文献(References):[1]邓学寿(Dengxueshou).cRH2型200km/h动车组牵引传动系统(Tractiondrivesystemof200km/hCRH2Drive[7]杜宁,关永刚,张景升,等(Duzha“gNing,GuanYonggang,Ji“gshe“g,etal-).40.5kV真空断路器开断并ofovervoltages联电抗器的过电压防护(Protectionsreactors)[J].高电压技术(Highcausedby40.5kVvacuumcircuitbreakersswitchingoffshuntVoltageEn舀?EMus)[J].机车电传动(Electrictive8),2008,(4):31―35.forLocomo―neering),20lO,36(2):345?349.[8]何安清(HeAnqing).SS。型机车列车供电回路阻容保护系统的分析(Analysisplysystemswitches’switchingon0nthe[2]王永强(wangYongqiang).真空开关操作过电压及其保护的研究(Researchover、,oltageanditsonRCcircuitofpowersup-vacuumtypess8electriclocomotive)[J].电力机protection)[D].北京:华北电力大Power车技术(TechnologyforElectricLocomotive),2000,university),(4):10一12.学(Beijng:NorthchinaElectric2001.[9]吕洋(LvYang).电力机车异常运行分析与仿真研究(Theanalysisofexc。ptionalrunningandstudyonsimula―[3]贾约明(JiaYueming).真空断路器操作过电压的保护(Protectionoftionforelec试cVcB叩erationovervoltage)[J].电力自PowerAutomationlocomotive)[D].北京:北京交通大学动化设备(Electric1999,19(4):37―39.Equipment),(Beijing:BeUingJiaotonguniver8ity),2007.[10]宫衍圣(GongYansheng).电力机车过关节式电分相过电压研究(Researchofovervoltagesofelectriclocomo―[4]刘英,韩彦华,施围(Liusearch1Ying,HanYanhua,Shitivewei).110kVGIs投切空载变压器过电压研究(Re―onpassingthearticulatedphaseinsulator)[J].铁道学Society),2008,3010kVGlSinterruptingno-loadtransfo瑚er报(JoumalofthechinaRailwayov?ervoltage)[J].高压电器(High2000,(4):7一lO.(4):103-107.VoltageApparatus),[11]谢书勇(xieshuyong).真空断路器操作过电压的保护装置-阻容保护器(ProtectivedeviceforVCBinternlp.[5]安昌萍,司马文霞,廖瑞金,等(An载变压器时过电压的研究(Researchchangping,simatingWenxia,LiaoRuijin,eta1.).35kV真空断路器开断空onovervoltage-Rcprotector)[J].高压电器(High35kVcircuitryVoltageApparatus),1997,33(6):15-18.StudyonVehicle-mOuntedVacuumcircuitbreakerswitchingOVerV0ltageanditsprotectiOnOUYANGLe-cheng,WUGuang-ning,GAOGuo-qiang,LITian―zhi(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniVersity,Chengdu6l0031,China)Abstract:TheVehicle―mountedVacuumcircuitbreakerwiUopenthecircuitwhenlocomotiVeregenerativebrakingorpassingmeaniculatedphaseinsulator.ItwiUproducehighoperatingovervoltage.Simplifiedcircuitmodelistoes-tablishedinthispaperaccordingthepowersupplysystemoflocomotive.BasedareonThetransientprocessofvacuumcircuitinnuencingfactorsofovervoltagearebreakerinterlllptionissimulatedusingEMTP.andtwothesimulationresults,dif&rentove“oltageProtectiondevieesanalyzed.Theparametersoftheproteetorsoftransfornleris,notalsodetermined.Theresultsindicatethat,thegreaterthegroundcapacitancethelowertheovenroltagepeakwillbe;MOAcanlimittheamplitudeofovenroltageobviously,butitiscanefkctiveenoughtoreducethegradientandfrequencyofovervoltage;RCdevieereducetheamplitude、steepdegreeandfrequencyofovervoltagewell.Keywords:vacuumcircuitbreaker;EMTP;oVervoltage;protection;an.ester万方数据车载真空断路器操作过电压及其保护研究作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):欧阳乐成, 吴广宁, 高国强, 李天鸷, OUYANG Le-cheng, WU Guang-ning, GAO Guo-qiang, LITian-zhi西南交通大学电气工程学院,四川成都,610031电工电能新技术Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy) 参考文献(11条) 1.邓学寿 CRH2型200km/h动车组牵引传动系统 .王永强 真空开关操作过电压及其保护的研究 20013.贾约明 真空断路器操作过电压的保护 1999(04)4.刘英.韩彦华.施围 ll0kV GIS投切空载变压器过电压研究 2000(04)5.安昌萍.司马文霞.廖瑞金 35kV真空断路器开断空载变压器时过电压的研究 .李顺尧 金属氧化锌避雷器测试方法对比与分析 2010(03)7.杜宁.关永刚.张景升 40.5kV真空断路器开断并联电抗器的过电压防护 .何安清 SS8型机车列车供电回路阻容保护系统的分析 .吕洋 电力机车异常运行分析与仿真研究 200710.宫衍圣 电力机车过关节式电分相过电压研究 2008(04)11.谢书勇 真空断路器操作过电压的保护装置-阻容保护器 1997(06)
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