03-2 李秋玮 发电机出口断路器瞬态恢复电压(TRV)研究

发电机出口断路器瞬态恢复电压（TRV）研究

东北电力设计院 李秋玮，刘尧

摘要：

断路器的瞬态恢复电压对于断路器开断故障电流至关重要。本文通过仿真计算，得到了不同故障情况下的发电机出口断路器的瞬态恢复电压波形，并针对影响瞬态恢复电压的因素进行了研究，得出了各种因素作用下，发电机出口断路器瞬态恢复电压所受影响的情况。最后，本文又针对工程实例，对发电机出口断路器瞬态恢复电压进行了计算，得到的结果满足IEC 62271-100-200对电缆系统断路器瞬态恢复电压的要求。

关键词：断路器；瞬态恢复电压；幅值；上升率 一 概述

断路器瞬态恢复电压是指断路器电弧熄灭之后，在断路器触头上出现的具有显著瞬变特性的恢复电压。从灭弧角度来看，在开断短路故障时，瞬态恢复电压具有决定性的意义。该电压取决于回路和断路器的特性，由工频分量和瞬态分量（可以是非周期的、单频或多频的振荡）叠加而成[1]。

目前国内对于发电机出口断路器瞬态恢复电压的研究较少。张万荣、赵伯南、苟锐锋[2]对发电机出口真空断路器瞬态恢复电压进行了计算，对阻容吸收器对瞬态恢复电压的影响进行了计算，但对避雷器对瞬态恢复电压的影响仅做的定性分析。对于发电机出口断路器，其额定电压通常不大于27kV（根据发电机出线电压不同），IEC 62271-100-200和GB 1984-2003中对其TRV的描述方法采用两参数法。

本文中将采用EMTPE（Electromagnetic Transient & Power Electronics）软件对发电机出口断路器瞬态恢复电压（TRV）进行计算，并对影响断路器瞬态恢复电压的外部因素分别进行计算分析。 2 计算模型 2.1 电气主接线

为了简化计算模型，本报告中将先对单台发电机组-变压器-系统的接线型式进行计算，多台机组的接线形式将在后面进行计算。

单台发电机组-变压器-系统的接线图见图1。

图1 单台发电机组-变压器-系统的接线图

2.2 故障设置

对于短路故障，计算中将考虑以下两种短路情况。 (1) 主变压器低压侧出线端发生三相短路；

(2) 发电机出线端发生三相短路。

对于三相短路故障，首开相的瞬态恢复电压最大，因此在研究中将针对三相短路故障时首开相瞬态恢复电压进行计算。

对于失步故障，考虑最严重情况，即发电机出口断路器断开后，在断路器断口两侧的电势相位差为180度。

3 计算结果及分析

两种短路情况及失步故障时的发电机出口断路器瞬态恢复电压波形见图2，3，4。计算结果对比见表1。从计算结果中可以看出，两种短路故障情况下，主变压器低压侧出线端三相短路时的瞬态恢复电压的幅值较大，而发电机出线端三相短路时的上升率较大。失步故障的瞬态恢复电压幅值和上升率都很大。

表1 断路器瞬态恢复电压计算结果对比表

瞬态恢复电压幅值 百分比 瞬态恢复电压上升率 百分比 主变压器低压侧出线端三相短路 40.71kV 100% 3.107kV/us 100 发电机出线端三相短路 34.04kV 83.62% 4.753kV/us 152.98% 失步故障 53.28kV 130.88% 7.139kV/us 229.77%

图2 主变压器低压侧出线端三相短路时断路器瞬

态恢复电压波形

图3 发电机出线端发生三相短路时断路器瞬态恢

复电压波形

图4 失步故障时断路器瞬态恢复电压波形

4 影响瞬态恢复电压的因素分析 4.1 电容器的影响

为了抑制发电机出口断路器瞬态恢复电压，通常的做法是在发电机出口断路器的两侧各设置一个电容器。增加电容器后，两种短路情况及失步故障时的发电机出口断路器瞬态恢复电压波形见图5，6，7。断路器两侧增加电容器前后的瞬态恢复电压结果对比见表2。

从对比结果可以看出，发电机出口断路器两侧增加电容器后，其断路器瞬态恢复电压幅值变化不大，但是瞬态恢复电压上升率却大幅度降低，这对于断路器的灭弧有很大的好处。

需要注意的是，失步故障时，断路器两侧增加电容器后，失步震荡的中心发生了变化，导致瞬态恢复电压幅值反而较增加电容器前增大了。

表2 断路器两侧增加电容器前后的瞬态恢复电压结果对比 主变压器低压侧出线端三相短路 增加电容器前 40.71kV 100% 3.107 kV/us 100 增加电容器后 40.92kV 100.5% 0.085 kV/us 2.7% 发电机出线端三相短路 增加电容器前 34.04kV 100% 4.753 kV/us 100% 增加电容器后 36.29kV 106.6% 0.060 kV/us 1.3% 失步故障 增加电容器前 53.28kV 100% 7.139 kV/us 100% 增加电容器后 61.50kV 115.4% 0.113 kV/us 1.58% 瞬态恢复电压幅值 百分比 瞬态恢复电压上升率 百分比

图5 主变压器低压侧出线端三相短路（增加电容

器）时的瞬态恢复电压波形

图6 发电机出线端三相短路（增加电容器）时

的瞬态恢复电压波形

图7 失步故障（增加电容器）时的断路器瞬态恢复电压波形

4.2 避雷器的影响

发电机出口断路器的两侧通常都设有避雷器，下面将对避雷器对断路器瞬态恢复电压的影响进行计算分析。按照DL/T 620-1997，避雷器可以选择Y5W-25/53.4型（发电机额定电压为20kV）。目前国内

外大型火电机组发电机中性点多采用高电阻接地方式，发生单相接地时，过电压低于2.6相电压，且瞬时切除，避雷器额定电压再降一级是可以承受的；且由于发电机运行一定时间后，绝缘水平会相应下降，避雷器额定电压降低后，残压也相应降低，对于保护发电机来说是有利的。按此原则，将避雷器额定电压降低一档，选择Y5W-20/42型避雷器。断路器两侧增加Y5W-25/53.4型及Y5W-20/42型避雷器前后的瞬态恢复电压结果对比见表3。

从对比结果可以看出，Y5W-25/53.4型避雷器对短路故障时断路器瞬态恢复电压没有影响，只对失步故障时的断路器瞬态恢复电压的幅值有一点的抑制。产生这种情况的原因在于断路器灭弧之后，断口两侧的电压分别进行震荡，振幅均不大，避雷器的泄压作用不明显。但由于断口两侧电压震荡的方向相反，因此断口处的瞬态恢复电压幅值仍较高。

而采用Y5W-20/42型避雷器后，避雷器的残压大幅度降低，对短路故障和失步故障时的断路器瞬态恢复电压的幅值均有一定的抑制作用，但对于瞬态恢复电压的上升率影响很小。

表3 断路器两侧增加避雷器前后的瞬态恢复电压结果对比

主变压器低压侧出线端三相短路 无避雷器 Y5W-25/53.4型避雷器 40.71 kV 100% 3.107 kV/us 100 Y5W-20/42型避雷器 39.32 kV 96.59% 3.102 kV/us 99.84% 无避雷器 34.04 kV 100% 4.753 kV/us 100% 发电机出线端三相短路 Y5W-25/53.4型避雷器 34.04 kV 100% 4.753 kV/us 100% Y5W-20/42型避雷器 32.23 kV 94.68% 4.752 kV/us 99.98% 无避雷器 53.28 kV 100% 7.139 kV/us 100% 失步故障 Y5W-25/53.4型避雷器 52.87 kV 99.2% 7.088 kV/us 99.3% Y5W-20/42型避雷器 47.34 kV 88.85% 7.088 kV/us 99.29% 瞬态恢复40.71 kV 电压幅值 百分比 瞬态恢复电压上升率 百分比 100% 3.107 kV/us 100 4.3 多台发电机组的影响

以上的研究均为针对单台发电机组的，下面将研究多台发电机组时的发电机出口断路器瞬态恢复电压的特性。不同机组数量的断路器瞬态恢复电压的计算结果对比见表4，5，6。从表中可以看出，发电机组数量越多，断路器瞬态恢复电压的幅值就越小，断路器瞬态恢复电压的上升率也越低，对于断路器的灭弧越有利。

发电机组数量对于主变压器低压侧出线端三相短路时的瞬态恢复电压较小，这是由于此时断路器开断的电流由发电机提供，受发电机侧参数的影响较大，其他发电机组对其的影响很小。

表4 不同机组数量主变压器低压侧出线端三相短路的瞬态恢复电压结果 瞬态恢复电压幅值 百分比 瞬态恢复电压上升率 百分比 1台发电机组 40.71kV 100% 3.107kV/us 100% 2台发电机组 40.70kV 99.98% 3.103kV/us 99.87% 3台发电机组 40.68kV 99.93% 3.100kV/us 99.77% 4台发电机组 40.65kV 99.85% 3.097kV/us 99.68% 表5 不同机组数量发电机出线端三相短路的瞬态恢复电压结果

瞬态恢复电压幅值 百分比 1台发电机组 34.04kV 100% 2台发电机组 33.52kV 98.47% 3台发电机组 33.07kV 97.15% 4台发电机组 32.69kV 96.03% 瞬态恢复电压上升率 百分比 1台发电机组 4.753kV/us 100% 2台发电机组 4.689kV/us 98.65% 3台发电机组 4.639kV/us 97.60% 4台发电机组 4.579kV/us 96.34% 表6 不同机组数量失步故障的瞬态恢复电压结果

瞬态恢复电压幅值 百分比 瞬态恢复电压上升率 百分比 5 实际算例

以某工程为例，对实际工程中发电机出口断路器的瞬态恢复电压进行计算。电气主接线如图8所示。

1台发电机组 53.28kV 100% 7.139kV/us 100% 2台发电机组 51.76kV 97.15% 7.014kV/us 98.25% 3台发电机组 51.15kV 96.00% 6.953kV/us 97.39% 4台发电机组 50.62kV 95.01% 6.902kV/us 96.68% 图8 电气主接线

两种短路情况及失步故障时的发电机出口断路器瞬态恢复电压波形见图9，10，11。计算结果与IEC 62271-100-200中对断路器瞬态恢复电压的要求对比见表7。

通过对比可以看出，计算结果满足IEC 62271-100-200对电缆系统断路器瞬态恢复电压的要求。需要注意的是，由于仿真计算中需要进行很多假设，使得计算得到的瞬态恢复电压的幅值和上升率都比实际值要大。

表7 断路器瞬态恢复电压结果对比 出线端故障 主变压器低压侧出线端三相短路计算结果 40.86kV 0.085kV/us 发电机出线端三相短路计算结果 35.80kV 0.060kV/us IEC 62271对电缆系统的要求 41.2kV 0.47kV/us IEC 62271对线路系统的要求 45.3kV 1.05kV/us 失步故障计算结果 60.99kV 0.112kV/us 失步故障 IEC 62271对电缆系统的要求 61.2kV 0.35kV/us IEC 62271对线路系统的要求 61kV 0.71kV/us 瞬态恢复电压幅值 瞬态恢复电压上升率

图9 主变压器低压侧出线端三相短路时的瞬态恢

复电压波形

图10 发电机出线端三相短路时的瞬态恢复电

压波形

图11 失步故障时的瞬态恢复电压波形

6 结论

(1) 对于两种短路故障和失步故障的瞬态恢复电压，主变压器低压侧出线端三相短路时的瞬态恢复电压的幅值较大，而发电机出线端三相短路时的上升率较大。失步故障的瞬态恢复电压幅值和上升率都很大。

(2) 电容器对断路器瞬态恢复电压幅值变化不大，但可使瞬态恢复电压上升率大幅度降低。 (3) 按DL/T 620-1997中要求选取的避雷器型号对断路器瞬态恢复电压影响很小，但将避雷器的额定电压降低一档后，可以有效的降低断路器瞬态恢复电压的幅值。。

(4) 发电机组数量越多，断路器瞬态恢复电压的幅值就越小，断路器瞬态恢复电压的上升率也越低。 (5) 针对工程实例计算得到的发电机出口断路器瞬态恢复电压进行了计算，得到的结果满足IEC 62271-100-200对电缆系统断路器瞬态恢复电压的要求。

参考文献：

[1] 徐国政等．高压断路器．清华大学出版社．2000年

[2] 张万荣、赵伯南、苟锐锋．发电机出口真空断路器瞬态恢复电压的研究．高压电器．2000年第4期

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