如何安全地切除空载线路？

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：切除空载线路，是系统中常见的操作之一。的过电压，可见电弧的多次重燃是切除空载线路时产生危险的过电压的根本原因。由于Xs不同，Utr0也不同，而Utr0对断路器间隙的复燃与重击穿会产生影响，因而进行开断空载线路试验时应对Xs作出规定。早年的断路器，由于设计、制造等技术的限制，切除空载线路产生的过电压曾是一个重要问题。中性点接地方式对切除空载线路过电压有较大的影响。

切除空载线路，是系统中常见的操作之一。多年的运行经验表明，若使用的断路器的灭弧能力不够强，以致电弧在触头间重燃时，就容易发生切除空载线路过电压。切除空载线路过电压是高压电网中典型的操作过电压。而断路器触头间电弧重燃，是产生这种过电压的根本原因。

1）用T型等值电路来代替一条空载线路，如图4-8a所示。其中L_T、C_T分别为线路的总电感、对地电容，电源电感为L_S。若不计母线电容及损耗，即可得到图4-8b的简化电路。

图4-8 切断空载线路的等效电路

a）等效电路 b）简化电路

L_T—线路电感 L_S—发电机和变压器的漏感之和 C_T—空载线路对地电容

在断路器QF打开前，由于ωL1/ωC_T，所以电流i是容性电流，超前线路电压90°，且电容上（即线路）的电压近似于电源电压。若u=U_mcosωt，则i=-U_mωC_Tsinωt，如图4-9所示。

图4-9 切断空载线路的过电压发展过程（三次重燃）

当断路器断开后，触头间的电弧将在电流i通过工频零点时熄灭，如图4-9中t₁时刻，这时电源上电压刚好为最大值+U_m。电弧熄灭后，C_T上的残余电荷无处流动，相当于一个直流电压。断路器与线路相连的触头保持此电压+U_m，而与电源相连的触头随着电源电势仍按余弦曲线变化。经过工频半波后，u变为-U_m，这时两触头间的电压，即恢复电压为2U_m。如果两触头尚未拉开到足够距离，触头间介质的绝缘强度没有得到很好的恢复，或绝缘强度的上升速度不够快，则可能在2U_m作用下使触头间隙发生电弧重燃，如图4-9中t₂时刻，进而发生振荡过程和过电压。

C_T上起始电压为+U_m，电弧重燃后，它将具有新的稳态电压，即

U_cmax=-U_m+（-U_m-U_m）=-3Um

式中 U_cmax——电弧第一次重燃后出现的最大过电压。

该回路的振荡角频率为，一般情况下，ω0ω。若高频电流过零时，如图4-9中的t₃时刻，电弧又熄灭，导线上的残留电位为-3U_m，电源仍按余弦曲线变化。再经过半个工频周波，u由-U_m变为+U_m，这时触头间恢复电压达到4U_m，若再发生电弧重燃，可求得振荡过程中C_T上的过电压为

式中 U_cmax2——电弧第二次重燃后出现的最大过电压。

若电弧继续重燃下去，则可能出现-7U_m、-9U_m、…的过电压，可见电弧的多次重燃是切除空载线路时产生危险的过电压的根本原因。由上面分析可见，过电压所需的能量是由电源提供的。

上面是一种理想化的分析，是最严重的情况，它有助于了解此类过电压产生的机理，系统实测结果表明，超过3U_m的过电压概率是很小的，这是因为过电压受多种因素影响的缘故。

2）若考虑空载线路较长属于分布参数，线路首端电压和末端电压有一定的差别，还考虑电源端的感抗和对地杂散电容，则过电压数值比上述分析小得多。

图4-10为考虑以上因素的分析空载线路开断过程的简化图。图中L_S代表电源侧电感，感抗为X_S，C_S为电源侧对地电容；输电线单位长度的电感为l₁，单位长度的电容为c₁，输电线长度为S。

图4-10 开断具有分布参数空载线路的单相简化电路

断路器QF开断前，U₁=U₂=U+I_cX_S，U₃与U₂之间的关系可由下式表示：

式中 ω——电源电压角频率（rad/s）；

v——电磁波的传播速度，v=3×10⁵km/s；

S——输电线长度（km）。

断路器分断后，u₁、u₂、u₃将发生变化。假如电弧在电流过零时熄灭，各点电压正好处在峰值位置。下面分析B₁与B₂点电压变化。

B₁点：电流过零电弧刚熄灭时，u₁正好达到电压峰值，（U+I_cX_s）。电弧熄灭后B₁点的稳态电压为，因此B₁点的电压将由U_1m变化到U_mcosωt，这一过程以振荡形式出现，振荡频率。

B₂点：电弧刚熄灭时，（U+I_cX_s），u₃=U_3m。电弧熄灭后，B2点的电压将与B₃点相同，其稳态电压为。B₂点电压由U_2m变化到m也是以振荡形式出现，其振荡频率，与输电线长度有关。

u₁与u₂的变化曲线如图4-11所示。断路器的恢复电压u_tr=u₁-u₂，变化曲线如图4-12所示。

图4-11 u₁与u₂的变化曲线

图4-12 u_tr的变化曲线

在恢复电压起始部分有一个频率为f₁的振荡分量，其峰值为

它与开断的电容电流I_c以及电源侧感抗X_s有关。由于X_s不同，U_tr0也不同，而U_tr0对断路器间隙的复燃与重击穿会产生影响，因而进行开断空载线路试验时应对X_s作出规定。

断路器触头两端恢复电压最大值U_trm由下式决定：

由上式可看出，当输电线长度较大，电源侧感抗X_S较小时，U_trm＞2U_2m。若X_S较大，U_trm就减小，对熄弧有利。

3）影响切空线过电压的因素还有以下3个方面：

①断路器的性能。如前所述，断路器中电弧的重燃是产生过电压的根本原因。但是断路器重燃有明显的随机性，分闸时，不一定每次都产生重燃，即使重燃也不一定在电源到达最大值并与线路残余电压极性相反时发生。如果重燃提前发生，则振荡振幅和相应的过电压随之降低；当重燃在断弧后的1/4工频周期内产生（这种情况称为复燃），则不会引起过电压。正是由于这一原因，油断路器触头间介质强度虽在断弧后恢复得很慢，可能发生多次重燃，但也不一定产生严重的过电压。

其次，熄弧也有明显的随机性，重燃后不一定在高频电流第一次过零时熄弧，显然，若高频电流在第二次过零或更后时间才被切断，则线路上残余电压大大降低，断路器触头间的恢复电压和重燃过电压都大大减小。

如果断路器触头分得快，灭弧性能好，触头间绝缘恢复强度的上升速度大于触头间恢复电压上升速度，则电弧就不会发生重燃，当然也就不会出现高的过电压。早年的断路器，由于设计、制造等技术的限制，切除空载线路产生的过电压曾是一个重要问题。随着对断路器研究的不断深入，以及制造质量的提高，断路器已能做到基本上不重燃，使这类过电压降到了次要的位置。

②中性点接地方式。中性点接地方式对切除空载线路过电压有较大的影响。而上述分析都是在单相电路上进行的。

在中性点直接接地的电网中，虽然存在线路间的耦合，但各相可各自形成独立回路，所以开断过程的分析可近似用单相电路代替。

在中性点不接地或经消弧线圈接地时，因三相断路器动作不同期以及熄弧时间的差异等原因，会形成瞬间不对称电路，中性点有位移电压，三相之间互相牵连，在不利条件下，使重燃过电压显著增大。一般来说，比中性点直接接地电网的过电压增大20%左右。

更严重的是线路发生单相接地，健全相电压升高。以图4-13为例，当K点发生B相接地短路故障，若断路器QF₂先分开，接着QF₁再分开。此时，断路器B相开断短路电流；A、C相开断空载线路。若A、C相开断时，B相电弧尚未熄灭即B相对地短路故障仍然存在，则健全相A、C相的电压U_A、U_C将升高，即

式中 U_p——电源相电压；

X₀——零序短路感抗；

X₁——正序短路感抗。

图4-13 一相接地，空载线路的开断

当X₀=3X₁时，上式中U_A=U_C=1.25U_p。因此，A、C相开断空载电路时由于电源电压升高，断口间恢复电压也升高，给开断空载线路带来困难。

另外，由于甩负荷也会引起恢复电压升高。仍以图4-13为例，原来线路中的负荷电流为I，1处母线相电压为U_p。由于B相接地短路故障，QF₂先动作，动作后对于1处的电源来说相当于负荷突然甩去，电流由I减小到空载电流I_c，此时发电机电动势E_S′来不及变化，1处的母线电压由U_p增加至U_p′。负荷电流I愈大，母线电压增加也愈多，严重情况下，电压升高可达20%，对断路器开断电路带来新的困难。

③损耗。切除空载线路出现过电压后，线路上会产生强烈的电晕，电晕要消耗能量，相应地降低了过电压。此外计及电源及线路损耗也会使过电压降低。

4）限制切除空载线路过电压有以下3个方面的措施：

①采用不重燃断路器。从国外断路器发展技术来看，制造不重燃断路器是完全可能的。现代SF₆断路器，空气断路器由于采用的是他能式灭弧原理，熄弧性能很强，开断小电流的灭弧能力强，介质强度恢复快，一般在开断空载线路时不易出现重击穿。我国220kV断路器在限制切除空载过电压方面的性能已大有改善，363kV、550kV断路器基本做到了电弧不重燃。

②断路器装设分闸电阻。分闸电阻也叫并联电阻，如图4-14所示。在切除线路时，先打开主触头QF₁，此时电源通过分闸电阻R仍和线路相连，线路上的残余电荷通过分闸电阻向电源释放，R上的压降就是主触头两端的恢复电压。R越小，主触头恢复电压就越小，即不产生重燃。当经过一段时间后，辅助触头QF₂才打开，此时它的恢复电压也较低，不会发生电弧的重燃，即使发生重燃，R将对其振荡过程产生阻尼，使过电压降低。

图4-14 断路器带并联电阻切空线

③在线路上装设泄流装置。若在线路侧接有并联电抗器或电磁式电压互感器，都能使线路上的残余电荷得以泄放或产生衰减振荡，改变幅值与极性，最终降低断路器间的恢复电压，减少重燃的可能性，达到降低过电压的目的。

如何安全地切除空载线路？

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