斷路器均壓電容爆炸原因的仿真分析與研究

1、斷路器均壓電容爆炸原因的仿真分析與研究周莉1, 童雪芳2，文習(xí)山2，魯海亮2【摘 要】針對某變電站斷路器均壓電容器在正常操作情況下發(fā)生爆炸的事故提出了用ATP仿真程序模擬該過程，來確定故障原因的方法。通過自動暫態(tài)控制開關(guān)（TACS）編程實現(xiàn)了對斷路器重燃過程和電容器擊穿過程的模擬，對提出的三種故障可能原因分別進(jìn)行了仿真，得到了與故障錄波圖吻合的仿真波形圖，從而確定出故障的真正原因是并聯(lián)均壓電容本身的絕緣存在缺陷，沒有承受住正常的操作過電壓而發(fā)生多次擊穿引起的?！娟P(guān)鍵詞】均壓電容器； 爆炸； ATP仿真； 重燃 中圖分類號：TM864 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6520（2005）09

2、-0034-04引言電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，這樣的大系統(tǒng)在發(fā)生故障時往往很難分析原因。以前故障分析手段主要是依靠試驗數(shù)據(jù)、運行經(jīng)驗配合理論分析，大致得出故障原因13。通過這樣的分析方法得出的結(jié)論不夠直觀，從而影響了其可信度和說服力。本文借助ATP仿真軟件4用仿真方法對某變電站斷路器并聯(lián)均壓電容發(fā)生爆炸的過程進(jìn)行模擬，重現(xiàn)了大致故障過程，得出了與現(xiàn)場故障錄波器得到的故障錄波圖一致的仿真波形圖，從而驗證了對故障原因的推斷。這種方法得到的結(jié)果非常直觀，從而大大增加了故障原因推斷的可信度和說服力。1 事故概況2005年1月，在某500kV輸電線停電操作過程中，當(dāng)斷開該線一端A站5022

3、開關(guān)后，隨即該線另一端的變電站內(nèi)5053開關(guān)C相線路側(cè)并聯(lián)均壓電容發(fā)生爆炸脫落，并產(chǎn)生燃燒，爆炸碎片擊中5053開關(guān)C相CT和5053C相開關(guān)至5032C相刀閘間支柱瓷瓶，使C相CT磁套破裂漏氣和支柱瓷瓶嚴(yán)重?fù)p壞。事故前，5052、5053和5021開關(guān)均已正常開斷。系統(tǒng)接線示意圖如圖1所示。2 事故原因初步分析圖1 接線示意圖經(jīng)調(diào)查，C相兩只均壓電容均損壞，停電操作過程屬于正常操作程序，從A和B兩個變電站的電壓錄波圖可以看出，A變電站5022開關(guān)操作前線路上電壓處于正常狀態(tài)，5022開關(guān)斷開后，A、B兩相線路上電壓變化不大，C相線路上出現(xiàn)了一個電壓過沖（脈沖），隨即有一定程度的下降，而后又繼

4、續(xù)振蕩上升，直到接近額定電壓的1.5倍。A和B兩個變電站的電壓錄波圖還表明了在線路兩端的變化趨勢是相同的。經(jīng)初步分析，認(rèn)為有三種可能引起此事故：1）A變電站5022開關(guān)斷開時由于重燃產(chǎn)生操作過電壓，B變電站5053開關(guān)均壓電容不能承受此過電壓，引起爆炸；2）由于B站5053開關(guān)均壓電容電容器存在缺陷，此電容在正常的操作過電壓下?lián)舸?，產(chǎn)生放電，引起電弧燃燒，又進(jìn)一步產(chǎn)生過電壓，直至電容器爆炸脫落。3）由于均壓電容和PT發(fā)生諧振，均壓電容器不能承受此諧振過電壓56，引起爆炸。3 仿真研究A和B變電站故障錄波器所測得的故障時刻前后的電壓、電流波形如下：圖2 B站側(cè)線路電壓錄波圖（從上到下依次為ABC

5、三相）圖3 A站側(cè)線路電壓錄波圖（從上到下依次為AB兩相，橫坐標(biāo)與圖2一致） 圖4 A站側(cè)電流錄波圖（從上到下依次為ABC三相）注：圖中橫坐標(biāo)軸為時間，單位ms。兩端線路中線電流電壓錄波圖及相關(guān)數(shù)據(jù)等此處不再列出。以下借助ATP仿真軟件對上面提出的三種情況分別進(jìn)行仿真分析，通過比較仿真結(jié)果與錄波圖及有關(guān)數(shù)據(jù)來判斷均壓電容爆炸的原因。3.1 判斷是否由于5022開關(guān)的重燃引起 重燃過電壓的產(chǎn)生機理及其定性分析已在許多論著中闡述7-8，等值計算圖如下圖所示：圖5 等值計算圖由于5021開關(guān)和5052開關(guān)均處于開斷狀態(tài)，5021開關(guān)所在支路和5052開關(guān)所在支路各元件的參數(shù)幾乎完全一致（電壓相位略有

6、不同），因而這兩條支路幾乎是對稱的，且僅通過均壓電容與系統(tǒng)弱聯(lián)接，故可以忽略，不會影響結(jié)果的判斷，通過驗證，事實也的確如此。 圖中，電壓源幅值?。╧V），各相并聯(lián)均壓電容均為兩個電容串聯(lián)，每個取4000pF，母線對地電容取不妨取50pF（此值大小對仿真波形的影響很?。?，三相線路采用Jmarti模型， 開關(guān)重燃和電容器擊穿的過程910均采用ATP仿真軟件中的TACS控制開關(guān)通過編程來模擬。模擬5022開關(guān)重燃的設(shè)計原理為：其初始狀態(tài)為閉合，于0.2s開斷，這之后，當(dāng)開關(guān)兩端電壓超過一定值時，開關(guān)重燃（即閉合），持續(xù)一時間（此處取0.002s）后，若開關(guān)電流小于某個值，電弧熄滅（即開關(guān)斷開）；0.

7、4s時開關(guān)徹底開斷，不再發(fā)生重燃，燃弧時間0.2s。5053開關(guān)采用時控開關(guān)模擬，其一直處于開斷狀態(tài)，5053開關(guān)C相均壓電容與TACS控制開關(guān)GOPC并聯(lián)，開關(guān)GOPC用來模擬C相均壓電容的擊穿過程，其設(shè)計原理為：在5022開關(guān)斷開后（即0.2s后），若C相均壓電容兩端電壓超過一定值時，開關(guān)GOPC閉合（即相當(dāng)于C相均壓電容被擊穿），經(jīng)過一段持續(xù)時間（此處設(shè)為0.002s，模擬時延）后，若電流小于某個很小的值（用來模擬電流過零），則開關(guān)又?jǐn)嚅_（即電弧熄滅），這樣反復(fù)擊穿和熄弧，經(jīng)過一段時間后（這里取0.2s），開關(guān)徹底斷開，不再有重燃過程，且開關(guān)SSS也斷開，模擬電容器脫落。仿真結(jié)果如下：圖

8、7 B端線路C相電壓波形圖圖6 B端線路A相電壓波形圖 圖8 A端線路A相電流波形圖上面前兩圖中，在前0.2s，電壓經(jīng)過一段振蕩再恢復(fù)到正弦波形，這是由于5022開關(guān)是采用TACS控制開關(guān)模擬的，其初始狀態(tài)為閉合，而TACS控制開關(guān)內(nèi)部默認(rèn)是從0s時刻開始的，即相當(dāng)于0s時刻開關(guān)閉合，因而有一暫態(tài)過程。由圖可知，上述所列各波形與所給對應(yīng)錄波圖并不相符，經(jīng)驗證，其它波形（如A端線路ABC相電壓，電流波形等）也均與實際錄波圖的特征不相符，文中不再列舉出來。3.2 判斷是否由于均壓電容的絕緣存在缺陷，致使在正常的操作過電壓下反復(fù)擊穿而引起爆炸等值計算圖與圖5相似，只是5052開關(guān)不再模擬出重燃過程，

9、直接用三相時控開關(guān)模擬即可，其初始狀態(tài)為閉合，于0.1s（注意前面仿真圖取的是0.2s，這只是為了觀察方便而已）時刻正常開斷，無重燃出現(xiàn)，其三相并聯(lián)均壓電容均為4000pF。 仿真結(jié)果如下：圖10 B 端線路C相電壓波形圖圖9 B 端線路A相電壓波形圖 圖11 A 端線路A相電流波形圖從上述各圖中可看出，各波形圖與所給錄波圖雖然并不相同，但兩者經(jīng)過比較，應(yīng)認(rèn)為是一致的。理由如下：仿真波形的基本特征與錄波圖一致（由于A站側(cè)線路電壓的振蕩幅值大一點，因而A站側(cè)線路電壓錄波圖更清晰的表現(xiàn)了波形特征），均是C相出現(xiàn)過電壓， A、B兩相沒有，振蕩的周期相同，且在每一周期內(nèi)，正半周和負(fù)半周的電壓均是振蕩衰

10、減的；穩(wěn)態(tài)時，B端線路各相電壓（即圖中前0.1s）的有效值約為（V），A端各相電壓穩(wěn)態(tài)時的有效值約為 V，與錄波圖中的60點幾伏相差很小，差別原因是仿真圖中的各部件的參數(shù)并不是和實際條件完全一致，實際中的三相線路也不完全對稱，穩(wěn)態(tài)時同一點中心線的電壓也并不為零值（三相對稱且為穩(wěn)態(tài)時，三相電壓幅值應(yīng)該相等，相位相差120度，三相之和應(yīng)為0）；在暫態(tài)時，各電壓波形比所給錄波圖中表面上多了一些幅值稍大一點尖脈沖，且具有很明顯的周期性，尖端的差別是由于錄波器存在采樣過程，它并不能錄到所有的尖端，實際上錄波圖中的某些地方也錄到了尖端；而各電壓的仿真波形的周期性比所給錄波圖表現(xiàn)得更明顯，這種差別原因在于仿

11、真過程中忽略了弧道電阻，弧道電阻是個動態(tài)參數(shù)，它會消耗能量，使周期性減弱；對于電流波形，穩(wěn)態(tài)時A端各相電流有效值約為（A），與錄波器所給參數(shù)0.04A0.05A基本相同，存在差別的原因同穩(wěn)態(tài)時電壓波形差別原因一致。至于暫態(tài)時，仿真圖中存在一系列的尖脈沖（高頻小電流），而錄波圖中電流卻一直為零，原因在于CT頻響無法檢測到它們。其它仿真波形也均與錄波圖基本一致，此處不再列出。從仿真波形及上述分析基本已可推出此次電容器爆炸的原因即是由于5022開關(guān)斷開時，5053開關(guān)的并聯(lián)均壓電容的絕緣存在一定的問題，其未能承受住正常的操作過電壓而發(fā)生擊穿，形成了一高頻小電流，而此電流因線路CT的頻響無法檢測到，所

12、以在電流錄波圖上沒有表現(xiàn)出來，電弧在電流過零時熄滅，電壓迅速升高，并再次擊穿均壓電容，形成了反復(fù)擊穿，持續(xù)時間約0.2s，直至并聯(lián)電容器脫落。3.3 判斷是否是由于并聯(lián)均壓電容和PT間的鐵磁諧振引起電容爆炸等值計算圖與3.2節(jié)中的計算圖相似，只是在Jmarti傳輸線的兩端通過ATP中的Splitter元件加上星型接線的具有磁滯回線特性的非線性電感來模擬互感器，如圖12所示。由于不知道PT的等效非線性電感的i特性曲線（而這在非線性電感的模擬中是輸入?yún)?shù)之一），不妨取幾種不同的i特性曲線輸入其中，當(dāng)CT的i特性曲線改變時，諧振頻率和電壓、電流的幅值會發(fā)生變化，但波形的基本特征卻是不變的。觀察仿真結(jié)

13、果，比較仿真圖形與錄波圖的相似程度來確定是否是由于鐵磁諧振的原因。通過驗證，電容器爆炸并不是此種原因造成。圖12 PT模擬示意圖取某一種i特性曲線的仿真結(jié)果如下：圖14 B 端線路C相電壓波形圖圖15 A 端線路A相電流波形圖圖13 B 端線路A相電壓波形圖 圖中，在前0.1s時，B端A相電壓發(fā)生了諧振而A端A相電壓未發(fā)生諧振是由于前0.1s5022開關(guān)是閉合的，均壓電容被短接，所以A端未發(fā)生鐵磁諧振，而前0.1s5053開關(guān)一直都是開斷的，B端非線性電感則直接與5053的均壓電容串聯(lián)發(fā)生了諧振。上面各波形圖與所給對應(yīng)的錄波圖有很大差別，應(yīng)判斷為不同。經(jīng)驗證，其它波形圖（如B端B相電壓、A端B

14、C相電壓和三相電流波形等）均與所給錄波圖有很大出入。再另取其它不同的i特性曲線，也可得到相同的結(jié)論。因而可判斷，5053開關(guān)均壓電容爆炸的原因不是鐵磁諧振的過電壓造成的。3.4 補充說明圖16 B 端線路A相電壓波形圖由于電容器不含有滅弧室，因而有一旦擊穿起弧接通空載線并燃弧10個工頻周期脫落的可能，對于此種情況，同樣采用ATP中的TACS控制元件編程實現(xiàn)，計算電路圖與上述各種情況下的仿真圖類似，只是將其中GOPC控制元件的程序改變一下即可。此種情況下上述第二種情況的仿真圖如圖16所示，其它仿真圖不再列出。從仿真結(jié)果可以看出，仿真波形與錄波圖明顯不符。因此，擊穿起弧接通空載線持續(xù)10個工頻周期

15、后再脫落的情況不是本次事故的原因。3.5 結(jié)論 通過上述仿真分析，結(jié)合現(xiàn)場提供的電壓、電流錄波圖及當(dāng)時的現(xiàn)場情況，得出此次故障的原因是第二種原因，即B站開關(guān)的線路側(cè)并聯(lián)均壓電容的絕緣本身存在一定的問題，此并聯(lián)電容未能承受住線路端與母線電源側(cè)的壓差，電容器擊穿，電弧在電流過零處熄滅，電壓迅速升高，并再次擊穿均壓電容，形成了反復(fù)擊穿，持續(xù)時間200ms，直至并聯(lián)電容脫落。此結(jié)論與該電容器生產(chǎn)單位的調(diào)查研究得出的結(jié)論一致。4結(jié) 語本文通過ATP仿真軟件對一起斷路器均壓電容爆炸的事故進(jìn)行了仿真分析，利用TACS控制開關(guān)編程實現(xiàn)了斷路器重燃和電容器擊穿過程的模擬。對重燃、電容器本身存在絕緣缺陷和鐵磁諧振

16、三種情況分別進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果表明此次故障的原因是電容器本身的絕緣存在問題。在更換了B站5053開關(guān)兩側(cè)的均壓電容后，建議對5022開關(guān)進(jìn)行介損和耐壓試驗，試驗合格后方可投運。參 考 文 獻(xiàn)1 劉人燦. 耦合電容器爆炸事故的分析J. 電力電容器，2000，（2）：31332 陳林. 電力電容器爆炸原因分析J. 電氣時代，2002，（2）：503 張大立. 一起大型電容器爆炸事故分析J. 中國電力，1995，（8）：32354 ATPDRAW version 3.5 for Windows 9x/NT/2000/XP, Users Manual M5 焦 瑾. 南京供電公司鐵磁諧振事故分析J. 高電壓技術(shù)，2004，30（8）：68696 趙