35 kV干式空芯電抗器的操作過(guò)電壓特性及絕緣性能研究.pdf

1、真空斷路器具有開(kāi)斷容量大、滅弧性能好、環(huán)境友好型等特點(diǎn)，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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，運(yùn)行可靠。近年來(lái)，真空斷路器在35 kV系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越多，其中最為常見(jiàn)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(kāi)斷并聯(lián)電抗器時(shí)，事故特征與10 kV等級(jí)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(guò)電壓水平符合要求，投切事故仍時(shí)有發(fā)生。因此，本文從過(guò)電壓

2、產(chǎn)生機(jī)理和過(guò)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(zhǎng)期熱老化作用下絕緣性能失效機(jī)理三個(gè)方面，對(duì)真空斷路器開(kāi)斷35 kV干式空芯電抗器的故障機(jī)理進(jìn)行綜合分析。
　　為獲得過(guò)電壓的特征，根據(jù)云南某220 kV變電站35 kV側(cè)運(yùn)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(shí)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(kāi)斷35 kV電抗器三相仿真模型，進(jìn)行了仿真研究，獲得了

3、開(kāi)斷操作時(shí)的暫態(tài)波形，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
　　針對(duì)在過(guò)電壓幅值并不高，卻發(fā)生了絕緣故障的實(shí)際工況：（1）考慮頻繁投切過(guò)電壓對(duì)匝間絕緣產(chǎn)生的累積效應(yīng)，基于電抗器故障時(shí)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(duì)電抗器匝間絕緣擊穿時(shí)的磁場(chǎng)分布以及電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了計(jì)算和分析。并對(duì)高頻振蕩波用于檢測(cè)匝間短路故障時(shí)，其高頻下的電壓分布特性和工頻下的等價(jià)性進(jìn)行了研究；（2）考慮電抗器匝間絕

4、緣材料（聚酯薄膜）長(zhǎng)期在較高溫度下運(yùn)行（最高可達(dá)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(duì)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(gè)方面的研究，論文的主要研究工作如下：
　　①基于ATP-EMTP軟件，搭建真空斷路器開(kāi)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(duì)地的雜散電容等因素。其中的斷路器開(kāi)關(guān)模型主要考慮了開(kāi)斷時(shí)的截流值，介質(zhì)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)能力，斷路器的高

5、頻熄弧能力。這三個(gè)因素是根據(jù)廠家提供的參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)斷電抗器時(shí)，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(wú)任何保護(hù)和幾種過(guò)電壓保護(hù)措施下，對(duì)真空斷路器開(kāi)斷電抗器的操作過(guò)電壓幅值和頻率進(jìn)行了比較，并對(duì)開(kāi)斷操作暫態(tài)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行了分析，給出了該工況下產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)電壓的機(jī)理，并提出了幾點(diǎn)過(guò)電壓抑制措施。
　　②基于有限元分析軟件COMSOL Multiphysics，搭建了準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)計(jì)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(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度在間隙處的畸變情況。同時(shí)，根據(jù)廠家提供的電抗器設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建了電抗器的有限元仿真模型，對(duì)干式空芯電抗器在穩(wěn)態(tài)和發(fā)生匝間擊穿時(shí)的電磁場(chǎng)分布、被短接線圈中電流變化進(jìn)行了研究，并對(duì)高頻振蕩波用于檢測(cè)匝間短路故障時(shí)，其高頻下的電壓分布特性和工頻下的等價(jià)性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　?、刍趻呙桦婄R（SEM）、寬頻介電譜儀以及空間電荷測(cè)量平臺(tái)（PEA），對(duì)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(jí)、密度以及由電荷引起的電場(chǎng)畸變等角度，分析了熱老化對(duì)絕緣材料絕緣性能的影響規(guī)律，解釋了絕緣材料在長(zhǎng)期較高溫度下運(yùn)行時(shí)絕緣性能下降的現(xiàn)象。
　　綜合以上研究得出：真空斷路器開(kāi)斷35 kV并聯(lián)電抗器時(shí)，若安裝了不恰當(dāng)?shù)倪^(guò)電壓保護(hù)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(guò)電壓，這是現(xiàn)場(chǎng)事故最為可能的原因。但這一現(xiàn)象可以通過(guò)在并聯(lián)電抗器側(cè)安裝RC阻容吸收器來(lái)消除，即使過(guò)電壓幅值和頻率滿足要求。同時(shí)，基于ATP-EMTP軟件搭建的三相仿真模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)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(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度將在間隙處嚴(yán)重畸變；在頻繁投切過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度是正常運(yùn)行狀態(tài)下的好

9、幾倍，同時(shí)，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(yùn)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(yàn)時(shí)與工頻運(yùn)行時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布存在一致性；基于熱老化對(duì)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(duì)介電常數(shù)及介質(zhì)損耗、電荷陷阱能級(jí)和密度、電場(chǎng)畸變程度都會(huì)受到熱老化因素的影響。本文重點(diǎn)從過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理和過(guò)電壓的累積