瞬态恢复电压控制方法及该方法中用的气体绝缘开关装置

本发明涉及为保护电力变电所、电力转换站等电力系统而设置 的电力开关，特别是涉及在气体断路器因近距线路故障开断时以及 直流断路器的瞬态恢复电压控制方法。

近年来随着电力需要量的增加，一方面推动特高压输电等方式 的输电系统高电压化和输电容量增大化，另一方面，由于输电容量 的增大，因输电系统接地故障造成的故障电流逐渐地不断增大，而在 变电所、转换站等地理条件的限制日趋严峻的今天，谋求断路器的 小型化是必不可少的。因此，正在大力开发研究，减少开断次数，同 时增大一次开断的断流容量并提高其开断性能。

在这样的背景下，输电容量的增大就会对距断路器几公里的输 电线路对地的短路故障产生影响、即会使近距离线路故障时接地故 障电流增大。因此，由于开断时在断路器极间出现的三角波瞬态恢 复电压上升率增大，开断责任也就更加苛刻了。

针对上述问题，已知现有的例如特开平3—190021号公报公布 的技术方法。

如按照该方法，在图9所示说明现有技术的输电系统中，在以 串联连接了饱和电抗器2的断路器1将由发电机5、电源电抗器6和 对地静电电容7组成的电源与输电线路连接的结构中，当产生近距 离线路故障时接地故障电流8将流过上述断路器1和串联连接于 上述断路器1的上述饱和电抗器2。这时，从说明现有技术工作原理 的图10可以看出，在接地故障电流8和瞬态恢复电压15、16随时 间变化的情况，在上述接地故障电流8向零电平衰减的过程中，在将 要到达零点之前的P点，由于上述饱和电抗2的磁滞回线从磁饱和 状态转换到未饱和状态，上述饱和电抗器2的自感逐渐增大。所以， 如图10所示，接地故障电流I的变化率dI/dt在P点以后被缓和下 来。

因此，出现在断路器极间的瞬态恢复电压上升率可由下式表示

〔dV/dt〕＝z〔dI/dt〕

Z：从断路器极间看去的输电线路侧的波阻抗

                                   …(式1) 而断路器能够开断的瞬态恢复电压上升率〔dV/dt〕CB具有如下特性 〔dV/dt)cB＝k〔dI/dt〕-m    k：比例常数

                        m：正常数

                                   …(式2) 所以在断路器极间产生的瞬态恢复电压，如图10所示，由未曾装设 上述饱和电抗器2时的上升率陡峻的瞬态恢复电压15变成为装有 上述饱和电抗器2时上升率缓和了的瞬态恢复电压16。

由于上述接地故障电流的变化率dI/dt被缓和，也涉及到断路 器开断性能的提高，所以可以达到在近距离线路故障时不会因发热 而使绝缘破坏并具有高可靠性的断路器性能。

另外，对于上述饱和电抗器2的安装地点来说，如特开平3— 190028号公布的那样，采用了将构成断路器主电路导体一部分的 固定触头的电弧接点包围起来的配置结构。

如上所述，在现有技术中，由于接地故障电流I的变化率dI/dt 在将要到达电流零点之前的P点以后被缓和下来，所以断路器极间 瞬态恢复电压上升率减小，断路器可开断的瞬态恢复电压上升率增 大，因而可使开断性能提高。

但是，在接地故障电流I的电流零点之后，紧接着有与电流零 点之前的接地故障电流I极性相反的剩余电流流过断路器和饱和电 抗器，该剩余电流的峰值为几安培或更小，其时间周期也很短，因 此，饱和电抗器端子间的电压在刚过电流零点之后急速降低。

结果存在着因该端子间电压叠加在输电线路侧的瞬态恢复电压 上从而使刚过电流零点之后的断路器极间瞬态恢复电压上升率在其 初始上升部分较比未曾装设饱和电抗器时的极间瞬态恢复电压上升 率反而要增大的问题。

本发明的目的是提供能以解决上述问题的、并能避免断路器的 大型化和随之而来的操作力增大，且能提高断路性能的断路器。

为达到上述目的，本发明的特征在于：采用将并联连接了电容器 的饱和电抗器直接与气体断路器串联连接的结构。

如按照本发明，则在将要到达接地故障电流零点之前饱和电抗 器从按通电电流事先初始设定的磁饱和状态转换到未饱和状态的过 程中，因饱和电抗器的自感L逐渐增大，随着这种转换而在饱和电 抗器端子之间产生电压。在电流零点之后，有与将要到达电流零点 之前的故障电流极性相反的剩余电流流过，该剩余电流被饱和电抗 器和与其并联的电容器C分流，这时，在饱和电抗器的自感L和电 容器C之间一边反复充电放电，一边产生LC谐振，所以在刚过电流 零点之后在饱和电抗器中将流过与饱和电抗器未曾装设并联电容器 时相比峰值大、时间周期长的电流。因此，即使是在电流零点之后， 饱和电抗器端子间的电压仍能增加，而且该饱和电抗器端子间的电 压叠加在输电线路侧的瞬态恢复电压上。因此，由于断路器极间的 瞬态恢复电压等于电源侧瞬态恢复电压与输电线路侧瞬态恢复电压 之差，所以在近距离线路故障时，极间瞬态恢复电压上升率与未曾 装设饱和电抗器时的极间瞬态恢复电压上升率相比可以降低，因而 易于开断，同时无须对断路器大型化和增大操作力即能提高断路器 性能。

图1为表示与本发明有关的瞬态恢复电压控制方法一个实施 例的电力系统构成图。

图2为表示与本实施例有关的饱和电抗器与并联电容器配置 位置关系的轴测图。

图3为表示与本实施例有关的饱和电抗器与并联电容器配置 位置关系的另一个实施例图。

图4为表示与本实施例有关的饱和电抗器与并联电容器配置 位置关系的又一个实施例图。

图5为说明本实施例作用的故障开断电流和电压随时间变化 的特性图。

图6为表示与本发明有关的瞬态恢复电压控制方法另一个实 施例的电力系统构成图。

图7为与本实施例有关的饱和电抗器的配置图。

图8为与本实施例有关的饱和电抗器的另一种配置图。

图9为说明现有的瞬态恢复电压控制方法的电力系统构成图。

图10为说明现有控制方法的作用的故障开断电流和电压随时 间变化的特性图。

以下，用图1所示的一个实施例说明本发明。对与现有示例中的 相同部分都标以相同符号，并省略说明。

为了开断和闭合电源侧与输电线路侧的连接而设置的断路器 1，分别与并联连接了电容器3的饱和电抗器2和输电线路4串联 连接配置。构成上述饱和电抗器2的磁性材料具有在励磁磁场H向 零衰减时磁通密度B急剧减小的磁滞回线特性。例如，可以采用由 铁氧体、非晶体合金等非晶体或超微粒结晶体软磁性材料作为上述 磁性材料之用。

另外，从图2所示与本实施例有关的饱和电抗器2与并联电容 器3配置位置关系的斜视图可以看出，上述饱和电抗器2是采用由 上述磁性材料制成的多个环形磁心单元10叠置的结构，并且以上 述断路器主电路导体9的一部分作成非磁性金属材料制的管形导 体，将上述磁心单元10沿同一轴线配置在上述管形导体上构成的。 为了使上述磁心单元10引起的磁滞损耗和涡流损耗的热量有效扩 散和冷却，防止上述磁心单元10的磁性发生变化，最好是在上述磁 心单元10之间加装绝缘间隔环。另外，上述并联电容器3(例如，陶 瓷电容器)可配置在上述磁心单元的外周部分，并且导线或金属板 等导体与上述断路器主电路导体9作电气连接。图3所示是与本实 施例有关的上述并联电容器3与上述饱和电抗器2配置位置关系的 另一个实施例，其特征在于：将上述并联电容器3与上述饱和电抗 器2沿纵向配置，借以控制其径向尺寸。图4所示是与本实施例有关 的上述并联电容器3与上述饱和电抗器2配置位置关系的又一个实 施例，其结构是把由多个上述磁心单元10构成的上述饱和电抗器2 一分为二，并将上述并联电容器3配置在两个饱和电抗器之间。

现按图5所示，对本实施例的工作原理说明如下。

如图5所示，当上述接地故障电流I向零电平衰减时、在上述饱 和电抗器2的通电电流由事先初始设定的磁饱和状态转变为未饱和 状态的过程中，当接地故障电流I将要达到电流零点之前的P点 时，上述饱和电抗器2的磁饱和解除，在此之后，上述饱和电抗器2 的自感逐渐增大。与此同时，上述饱和电抗器2的端子间电压VSR从 与磁饱和解除时的P点相对应的时刻开始增加，并在电流零点处达 到VSR＝ΔV。这时，如果上述饱和电抗器2如未曾并联电容器3，则 在电流零点之后的剩余电流就要原样不动地流过上述饱和电抗器 2，因该电抗器电流ISR(虚线)的峰值在几安培处的持续时间周期很 短，所以上述饱和电抗器2的端子间电压VSR(虚线)在刚过电流零 点之后从VSR＝ΔV急速降低。电流零点之后的端子间电压VSR17 叠加在未曾装设上述饱和电抗器2时的输电线路侧瞬态恢复电压 TRV2的初始部分(点划线)，作为上述输电线路侧瞬态恢复电压 TRV2与叠加了ΔV的电源侧瞬态恢复电压TRV2之差的断路器极 间瞬态恢复电压TRV的初始上升率，较比未装设上述饱和电抗器 2时的极间瞬态恢复电压(点划线)的初始上升率增大，因而开断性 能反而降低。

作为本发明一个实施例的上述饱和电抗器2加装了并联电容 器3，在这种情况下，上述饱和电抗器2的端子间电压VSR将向上述 并联电容器3充电，而充电后的上述并联电容器3又通过上述饱和 电抗器2放电，向上述饱和电抗器2供给电流，随后一边反复进行上 述充电放电过程，一边在上述饱和电抗器2的自感L和上述并联电 容器3的静电电容C之间产生LC谐振。这时，如图5所示，通过适 当设定，可以对上述并联电容器3的静电电容C进行控制，使流过 上述饱和电抗器2的电流ISR的峰值和时间周期增大。因此，上述饱 和电抗器2的端子间电压VSR(实线)在电流零点之后也会增大，并 将上述端子间电压18叠加在输电线路侧瞬态恢复电压TRV2上。其 结果是断路器极间的瞬态恢复电压TRV的初始上升部分(实线)较 比示装设上述饱和电抗器2时的极间瞬态恢复电压(点划线)减低。 因此，在近距线路故障情况下，由于其开断性能是取决于在电流零 点后1(μs)时间内的极间瞬态恢复电压上升率，所以被减低了的极 间瞬态恢复电压TRV(实线)至少在1(μs)时间内要比未装设上述 饱和电抗器2时的极间瞬态恢复电压(点划线)减低，流过电流零点 之后的上述饱和电抗器2的端子间电压SR可保持在电压ΔV以上。

图6为表示与本发明有关的瞬态恢复电压控制方法另一个实 施例的电力系统图。

其结构为并联连接了电容器3的上述饱和电抗器2与装有极间 电容器11的断路器1串联连接。这时，由于上述极间电容器11的 存在，上述接地故障电流8有一部分被分流到上述极间电容器11， 从而使流过上述断路器1的上述接地故障电流的峰值减小，于是使 其变化率dI/dt被缓和，因而可以更为有效地减小了极间瞬态恢复 电压上升率，使开断性能得到更进一步的提高。

另外，图7和图8为与本实施例有关的上述饱和电抗器2的配 置图。如图7所示，上述断路器14通过设在断路器箱上的套管12a、 12b的上述主电路导体9与图中未画出的输电线路串联连接，上述 饱和电抗器2固定配置在输电线路侧的上述套管12b外部顶端的上 述主电路导体9上。图8的结构是将上述饱和电抗器2固定配置在 上述套管12b内部的上述主电路导体9上。另外，虽然在上述结构中 是将上述饱和电抗器2靠近上述断路器14配置，但作为其他实施例 也可配置在气体绝缘开关装置主电路导体的一部分上，而配置在上 述气体绝缘开关装置附近的输电线路上也是有效的。

如上所述，若按照本发明，当电力系统发生近距离线路故障情况 下开断接地故障电流时，通过将并联连接了电容器的饱和电抗器与 断路器串联连接，能够抑制断路器极间的陡峻的瞬态恢复电压上升 率。因此，可以等效地增大单个断路部件单元的断流容量，同时通过 断路部件的小型化和减小操作力，可获得降低成本的效果。