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(西安高压电器研究院有限责任公司，西安 710077)

0 引言

在电力系统中装设并联电抗器可以吸收系统中多余的无功功率，起到补偿系统中电容的目的。同时，输电线路轻载或空载时，输电线路呈电容效应，并联电抗器可以有效减低线路上的“长线容升效应”，达到抑制工频电压升高的目的。此外，装设并联电抗器的空载线路合闸时，并联电抗器改善了空载线路对地电容的电器参数，从而可以有效降低合闸空载线路过电压；装设并联电抗器的空载线路被切除时，沿线路分布的残余电荷可以通过并联电抗器泄放，并和线路的对地电容共同作用起到衰减振荡的作用，使得线路侧瞬态恢复电压的幅值和极性得到极大的改善，高压交流断路器断口间的恢复电压也有效降低，开断的成功率大大的得到提高[1-3]。

开合并联电抗器试验回路主要是验证高压交流断路器切除并联电抗器的能力。由于开合并联电抗器为小感性电流开合，断口间会产生很高的截流过电压和复燃过电压，对高压交流断路器的考核比较严酷，所以在容量试验站对高压断路器进行并联电抗器开合能力的试验验证非常重要[2，4-7]。

设计与实现的开合并联电抗器试验回路要满足国家标准《GB/T 29489—2013高压交流开关设备和控制设备的感性负载开合》对电流和电压试验参数的要求[8-12]。电源侧回路所产生的瞬态恢复电压(TRV)相对负载回路可以忽略不计，由电容、电感组成的负载回路要确保试验回路的预期瞬态恢复电压满足标准需求。复燃过电压和截流过电压对负载回路的绝缘性能造成很大的威胁，因此试验回路的设计与实现时要充分考虑避雷器的参数和过电压保护策略。

1 开合并联电抗器试验的标准解析

为了验证断路器开合并联电抗器电流的能力，并能够耐受开断所产生的截流过电压和可能的复燃过电压，标准规定了开合并联电抗器的试验回路和试验参数[8-9]。

1.1 试验回路

1.1.1 系统中运行的回路结构

电力系统输配电系统中并联电抗器运行的回路结构见表1所示。

表1 系统中运行的回路结构Table 1 In-service load circuit configurations of power system

我们国家的电力系统在额定电压126 kV以上为中性点有效接地系统，额定电压126 kV以下为中性点非有效接地系统，而额定电压126 kV包括中性点有效接地和非有效接地两种系统[12]。并联电抗器的中性点在系统中分为接地和绝缘两种。由于电力系统的中性点接地电抗相比较于电抗器的电抗器可以忽略，如表1所示的系统结构为1、2、3时，TRV的首开极系数为1.5；特别地，电力系统和电抗器中性点都接地时(系统结构4)，由于电力系统的中性点接地电抗相比较于电抗器的电抗器可以忽略，其TRV的首开极系数均为1.0。

1.1.2 标准规定的试验回路

依据《IEC 62271—110:2012 Inductive load switching》及《GB/T 29489—2013高压交流开关设备和控制设备的感性负载开合》，标准给出的并联电抗器开合试验三相回路和单相回路原理图见图1、图2所示。

图1 并联电抗器开合试验三相回路Fig.1 Three-phase circuit of shunt reactor switching tests

图2 并联电抗器开合试验单相回路Fig.2 Single-phase circuit of shunt reactor switching tests

图1、图2中：Us为试验电源；LS为试验回路电抗器；Cs为试验回路电源侧对地电容；Lb1、Lb2为被试断路器电源侧和负载侧连接线电感；L为负载侧电抗；CL为负载侧电容；R—负载侧电阻；CB为被试断路器

1.1.3 电源侧回路的要求

标准规定，电源回路电感LS既不应小于断路器额定短路电流对应的电感，也不应大于负载回路电感L的10%。电源侧电容CS至少应是负载侧电容CL的10倍。电源侧回路所产生的TRV对整个试验回路的影响可以忽略不计。导线连接回路的总电感Lb=Lb1+Lb2应尽可能的小。

1.1.4 负载侧回路的要求

负载回路由空心或铁芯电抗器并联有一定数值的电容器和电阻组成，用来确保产生标准所规定的预期的TRV。电容主要用来调节TRV的峰值时间t3，电阻主要用来调节TRV的幅值Uc。

1.2 试验参数

为了验证高压断路器开合并联电抗器的能力，《IEC 62271—110:2012 Inductive load switching》及《GB/T 29489—2013高压交流开关设备和控制设备的感性负载开合》在每个额定电压等级下规定了两档试验电流及电压参数，分别对应于负载回路1、负载回路2。实际上就是电抗器分别取两档电感值时，系统中的负载电流值和开断后的TRV值。见表2

表2 负载回路1、2的电流参数Table 2 The current parameters of load circuit 1 and load circuit 2

2 开合并联电抗器试验回路暂态电压计算

2.1 首开极单相等效电路

高压断路器开合系统中的并联电抗器，截流过电压和复燃过电压最严酷的工况将出现在首开极。因此，仅需计算出断路器开合并联电抗器时首开极的暂态电压，设计并联电抗器开合试验三相回路和单相回路时以首开极的暂态电压为设计参考，充分考虑过电压保护与绝缘配合。

电力系统中断路器开合并联电抗器的三相等效开合电路如图3(a)所示，首开极开断时的等效电路如图3(b)所示，当首开极开断时晚开两极的电源侧可以等效通过无线长母线接地。

(a)三相开合电路 (b)首开极开断过程 L-单相并联电抗器电感；CL-并联电抗器的对地电容； LN-并联电抗器中性点电抗器电感；CN-并联电抗器中 性点电抗器对地电容。图3 并联电抗器开合电路及首开极开断过程Fig.3 Circuit of shunt reactor switching and breaking process of first-pole-to-clear

由图3(b)可以得出首开极单相开断等效电路如图4所示。

图4 首开极等效开断电路Fig.4 Equivalent circuit of first-pole-to-clear

首开极开断后负载电抗等效为电感值为L′的负载电抗器，k=1/(2+L/LN)为中性点偏移系数。根据表1所示的系统运行回路结构，对于中性点接地的电抗器LN=0，k=0，则L′=L；对于中性点绝缘的电抗器LN=∞，k=0.5，则L′=1.5L。U0是开断时刻工频对地峰值电压，是单相电抗器上的峰值电压。

2.2 截流过电压计算

高压断路器开断负载电抗器，截流时刻区域的电流及电压变化如图5所示，当电流减小到ich及电弧电压为ua时电流截断，断路器开断电抗器的感性负载电流。

图5 截流开断电流及电压图解Fig.5 The current and voltage diagram of current chopping

以开断时刻工频对地峰值电压U0为基准电压，则图5中截流瞬间电弧电压的标幺值为kin-1。当开断瞬间电容和电感上存储的电磁能量全部转移到电容上时，电抗器开断点的对地过电压的达到最大值，不难得出对地抑制峰值过电压的标幺值ka为

(1)

从式(1)中可以看出，对于系统运行结构已知的情况下，影响ka的主要因素为电弧电压和截断电流，分别对应于电容上存储的电场能量和电感上储存的磁场能量。不同类型高压断路器的电弧电压和截断电流均不同，在具体计算时可以查阅相关的研究数据。

考虑到负载侧回路的固有振荡频率要比电源的频率高出很多倍，因此负载侧回路再经过二分之一周期振荡，电容上的电能反向振荡到最大，此时电源侧开断点的电压保持U0不变。为了简化理论分析，且考虑绝缘裕度，忽略负载侧回路的电阻R，取振幅系数为2.0，则并联电抗器对地暂态电压峰值的标幺值kc为

kc=2k+ka

(2)

作用在断路器断口间的TRV标幺值krv为

krv=1+kc=1+2k+ka

(3)

TRV标幺值kc和krv的图解如图6所示。抑制对地电压峰值的标幺值kc是电流开断后，单相并联电抗器对地的电压，该电压值低于等效电抗器L′两端的最大过电压，首开极开断后电抗器的中性点偏移所造成的，k表征中性点电压偏移幅值的标幺值。

2.3 复燃过电压计算

高压断路器开断并联电抗器的燃弧时间达到最短燃弧时间时，容易在截流过电压的幅值处发生复燃，从而导致最大的复燃过电压。假定在图5所示的截流过电压幅值处发生复燃，定义复燃过电压的阻尼系数为β，则并联电抗器对地暂态电压峰值的标幺值kp为

kp=1+β(1+2k+ka)

(4)

作用在断路器断口间的TRV标幺值ks为：

ks=kp+kc=(1+β)(1+2k+ka)

(5)

标幺值kp和ks的图解如图6所示。重燃是正常现象，但对灭弧室和并联电抗器绕组上的绝缘会形成很大的威胁，基于实际的现场经验，阻尼系数β的取值通常为0.5。

图6 截流过电压及复燃过电压图解Fig.6 The chopping overvoltage and reignition overvoltage diagram

3 开合并联电抗器试验回路避雷器选用策略

根据上述分析，高压断路器在开合并联电抗器试验时，会产生很高的截流过电压和复燃过电压，对试验回路电源侧一次主设备和负载侧电抗器的绝缘配合应以开合过程中出现的复燃过电压为参考依据。《IEC 62271—110:2012 Inductive load switching》及《GB/T 29489—2013高压交流开关设备和控制设备的感性负载开合》要求试验报告中测量复燃的暂态电压参数。

负载侧电抗器的绝缘配合的总体思路是要求其绝缘水平至少要高于所估算的复燃过电压值，但过多的提高负载电抗器的绝缘水平会增加设备制造的难度和试验经费，可以通过在并联电抗器对地加设避雷器，来限制在多个电流过零点多次复燃时的过电压，达到保护负载电抗器的目的。避雷器的动作电压要高于正常的复燃过电压，且避雷器的残压值要低于负载电抗器的绝缘水平。

电源侧一次主设备在复燃时，复燃过电压对一次主设备的绝缘形成威胁，要求在断路器的电源侧装设对地的避雷器保护一次主设备，要求避雷器的动作后的残压要低于升压变压器的绝缘水平。

4 结论

通过研究高压交流断路器开合并联电抗器试验回路暂态电压计算和过电压保护，得出以下主要结论：

1)通过分析标准《GB/T 29489—2013高压交流开关设备和控制设备的感性负载开合》和《IEC 62271—110:2012 Inductive load switching》，讨论了标准中不同接地系统和不同并联电抗器接地方式下试验回路和试验参数的规定，适用于不同的电压等级和接地情况。

2)分析三相开断过程得出首开极承受的暂态电压最严酷，以首开极单相等效电路分析与讨论了截流过电压和复燃过电压的标幺值计算方和计算过程。

3)试验回路电源侧一次主设备和负载侧电抗器的绝缘配合应以开合过程中出现的复燃过电压为参考依据，合理选择电源侧和负载侧避雷器参数。