并联合闸电阻对合闸过电压的抑制仿真研究

并联合闸电阻对合闸过电压的抑制仿真研究

许嘉轩

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

摘要：并联合闸电阻是抑制合闸过电压的有效方法之一。本文给出了断路器合闸电阻结构，建立了仿真模型，并给出了电阻阻值和配合时限。仿真结果表明，并联合闸电阻为50Ω时，合闸过电压达到最小值，基本消除了合闸过电压现象，并联合闸电阻的合闸时间间隔为6到14ms，仿真系统中配合时间取10ms最佳。

关键词：过电压；并联合闸电阻；配合时限

1. 引言

对于供配电系统来说，会经常使用倒闸操作，最常见的就是系统合闸时产生的操作过电压。合闸过电压一般能达到电源电压的2倍左右；若合闸时发生接地短路故障，则线路电压表现为工频过电压和合闸过电压的叠加，高达额定电压的3倍以上；对于自动重合闸过电压，其幅值与线路残余电压有关，当线路残余电压与电源电动势极性相反时，线路电压的初始值和稳态值相差更大，相应的重合闸过电压就更大，过渡过程中的暂态分量更大，过电压也就更大，最大时可达额定电压的3倍。

这些电磁暂态现象不仅会危害到线路的绝缘水平，还可能会对继电保护装置造成干扰，引起一系列的严重后果，所以有必要对这些过电压和过电流现象进行防护治理。目前抑制操作过电压较为有效的方法就是在合闸断路器断口上并联合闸电阻，通过并联电阻的阻尼作用减小电压波的上升陡度，达到减小暂态过电压的目的。

2. 并联合闸电阻

   1. 电路结构

并联合闸电阻的主要结构为在主开关K1两端并联一个电阻，电阻串联有一个辅助开关K2，合闸时K2先闭合，经一段时间内再闭合K1，其中间隔时间通常小于一个周期，K1闭合后再经过几十毫秒断开辅助开关K2，将合闸电阻退出系统，最终完成合闸动作。并联合闸电阻结构如图1所示。

图 1 断路器并联合闸电阻结构

在配电网中，当输电线路三相对称时，合闸过电压产生的根本原因就是合闸动作导致电容和电感产生振荡电压叠加在工频稳态电压上，引起合闸过电压现象。并联合闸电阻就是利用减小振荡电压的原理来达到减小合闸过电压的目的。

1. 2. 电阻阻值

其中合闸电阻的阻值选取对合闸过电压的抑制效果具有决定性的影响，对于合闸的第一阶段，即闭合开关K2时，要求合闸电阻应尽量大，目的是为了增大系统阻尼，减小振荡电压幅值；在合闸的第二阶段，即闭合开关K1时，要求电阻尽量小，这是为了使合闸电阻短接时产生尽量小的振荡，降低过电压。通过对仿真模型中的贯通线系统进行多次仿真，取合闸时间间隔为10ms，得出合闸过电压和合闸电阻具有如图2所示的关系。

图 2并联合闸电阻阻值与过电压最大幅值的关系

由图2分析可知，随着并联合闸电阻阻值的增大，输电线路上的电压呈现一种V形变化，大约并联合闸电阻为50Ω时，合闸过电压达到最小值，基本消除了合闸过电压现象。

3. 仿真分析

   1. 仿真结果

根据前文建立的铁路变配电系统对其进行仿真分析，可得直接合闸和并联合闸电阻的过电压程度，其结果如图3所示。

图 3输电线路电压变化情况

从图3可知，辅助开关于0.01s闭合，主断路器于0.02s闭合，此时辅助开关断开。由图可知具有并联合闸装置其最大过电压幅值大约为额定电压峰值的1.35倍，而直接合闸的过电压峰值约为额定电压峰值的1.96倍，经过对比可以看出，并联合闸电阻后过电压现象得到了比较良好的改善。

1. 2. 时限配合

除合闸电阻阻值外，辅助断路器和主断路器的时间配合也对并联合闸电阻的效果有一定影响，设定合闸电阻为50Ω，比较合闸电阻投入不同时间对过电压的影响，分析两断路器最合适的时间配合，根据仿真得到的结果如表1所示。

表 1并联合闸电阻断路器时间配合

由于K2合闸时间具有不确定性，故合闸过程中的过电压峰值也可能会由于合闸时相位不同而产生波动。但由表1可以看出，不同的合闸时间配合对于过电压峰值不会产生很大的影响，考虑到合闸电阻承受的热效应和配合时间太短会使系统变得更加不稳定，一般的并联合闸电阻的合闸时间间隔为6到14ms，综合来看在该系统中配合时间取10ms最佳。

4. 结论

通过并联合闸电阻以及并联避雷器能够有效抑制暂态过电压状态，并联合闸电阻是通过改变系统阻尼从而达到抑制合闸及重合闸过电压的目的，并联断路器是通过在过电压时释放能量达到降低电压的目的。

参考文献

[5]邱玉成,李东辉.基于波动方程解的结构的感应过电压计算与仿真[J].电气技术,2020,21(01):31-36.

[6]李建儒.单芯电力电缆护层接地及护套损伤危害性分析[J].电气化铁道，2011

[7]霍东亮.铁路电力电缆贯通线故障的应用研究探析[J].南方农机,2019,50(23):109.

[8]王国林.基于ATP-EMTP的330 kV空载线路合闸过电压仿真分析[J].电工电气,2019(11):34-37.

[9]张灿军,陈梦琦,张宗熙,薛永端,金鑫.小电阻接地系统单相断线故障电压特征分析[J].供用电,2019,36(11):64-70.