高低压电容补偿柜各元器件的作用及选型

高低压电容补偿柜各元器件的作用及选型
概述
高压断路器短路电流的开合
并联电容器的保护
并联电容器的运行与维护
1.接线类型及优缺点：
目前在系统中运行的电力电容器组的接线有两种：即星形接线和三角形接线。

电力企业变电所采用星形居多，工矿企业变电所采用三角形居多。

三角形接线优点：
可以滤过3倍次谐波电流，利于消除电网中的3倍次谐波电流的影响。

三角形接线缺点：
当电容器组发生全击穿短路时，故障点的电流不仅有故障相健全电容器的放电涌流，还有其他两相电容器的放电涌一、并联电力电容器的接线流和系统短路电流。

故障电流的能量往往超过电容器油箱能耐受的爆裂能量，因而常会造成电容器的油箱爆裂，扩大事故。

星形接线优点：
当电容器发生全击穿短路时，故障电流受到健全相容抗的限制，来自系统的工频短路电流将大大降低，最大不超过电容器额定电流的3倍，并没有其他两相电容器的放电涌流，只有故障相健全电容器的放电电流。

故障电流能量小，因而故障不容易造成电容器的油箱爆裂。

在电容器质量相同的情况下，星形接线的电容器组可靠性较高。

并联电力电容器的接线与电容器的额定电压、容量，以及单台电容器的容量、所连接系统的中性点接地方式等因素有关。

220～500kV变电所，并联电力电容器组常用的接线方式：
（1）中性点不接地的单星形接线。

（2）中性点接地的单星形接线。

（3）中性点不接地的双星形接线。

（4）中性点接地的双星形接线。

6～66kV为非直接接地系统时，采用星形接线的电容器中性点不接地方式
2.电容器的部接线
（1）先并联后串联：此种接线应优先选用，当一台电容器出现击穿故障，故障电流由来自系统的工频故障电流和健全电容器的放电电流组成。

流过故障电容器的保护熔断器故障电流较大，熔断器能快速熔断，切除故障电容器，健全电容器可继续运行。

（2）先串联后并联：当一台电容器出现击穿故障时，故障电流因受与故障电容器串联的健全电容器容抗限制，流过故障电容器的保护熔断器故障电流较小，熔断器不能快速熔断切除故障电容器，故障持续时间长，健全电容器可能因长时间过电压而损坏，扩大事故。

3.并联电容器的接线及各元件基本要求：
（1）电容器
1）型式的选择
可由单台电容器组成或采用集合式电容器组。

单台电容器组合灵活、方便，更换容易，故障切除的电容器少，剩余电容器只要过电压允许可继续运行。

但电容器组占地面积大布置不方便。

集合式电容器组和大容量箱式电容器组，占地面积小、施工方便、维护工作少，但电容器故障要整组切除，更换故障电容器不方便，有时甚至要返厂检修，运行的可靠性不如单台电容器组。

在具体工
程中可根据实际情况选择电容器组的型式。

2）额定电压的选择
电容器的额定电压应能承受正常运行可能出现的工频过电压，其值不大于电容器额定电压的1.1倍。

当电容器回路接有串联限流电抗器时，应计及因串联电抗器引起的电压升高，电容器的端电压将高于接入处电网电压，其升高的电压与电抗器的电抗率有关，可按以下电抗率确定电容器的额定电压：
①当电抗率K≤1%时，取每相电容器的额定电压
②当电抗率4.5%≤K≤6%时，取
③当电抗率K=12%时，取
④当电抗率12%≤K≤13%时，取
式中为电网额定电压。

3）容量的选择
应根据电容器组的容量、允许的并联台数、串联的段数以及标准电容器产品的额定值等因素优化确定。

在条件允许的情况下应首先选用单台容量大的电容器，可方便布置，减少占地，有利于运行维护。

在有串联电抗器的情况下，整组电容器的实际输出容量应等于整组电容器的额定容量减去电抗器的额定容量。

（2）断路器
用于电容器组回路的断路器的环境特点是，电容器是一个储能元件，在操作过程中容易产生操作过电压，而电容器本身又容易因过电压而损坏，因此除满足一般断路器标准要求外，断路器性能还应满足一些特殊要求。

电容器上的过电压主要是重复充电产生的，断路器合闸过程中的弹跳和分闸过程触头间的重燃是产生操作过电压的根本原因。

断路器合闸过程中的弹跳时间越短，产生
的操作过电压越小，一般要求断路器合闸过程中的弹跳时间小于2ms，分闸过程触头不重燃。

此外，对于多组电容器的总回路断路器还能承受关合涌流、工频短路电流的联合作用。

对于经常投切的电容器组，断路器应具有频繁操作的性能。

另外，当电容器组与供电线路接在同一母线上，线路断路器的投切也能引起电容器的过电压，危及电容器的安全。

所以，与电容器接在同一母线的线路断路器也应与电容器回路断路器具有相同的性能。

（3）串联电抗器
1）串联电抗器的选择
用作限制充电涌流和谐波电流。

用作限制充电涌流时，涌流值通常按电容器额定电流的20倍计算，电抗率一般为0.1%～1%。

用作限制谐波电流时，与接入电网的谐波有关。

如电网的谐波为5次以上时，电抗率宜取4.4%～6%，如电网的谐波为3次及以上时，电抗率宜取12%。

电抗器的额定电流应大于或等于电容器组的额度电流。

一般选用空芯或半芯干式串联电抗器。

2）串联电抗器的连接串联电抗器可接在电容器组的中性点或电源侧，对限制合闸涌流和抑制谐波电流的作用都是一样的。

接在中性点侧，正常运行时电抗器所承受的电压低。

可不受短路电流的冲击，可减少事故，运行安全，电抗器的价格也较低。

串联电抗器接在电源侧，对承受电压和短路电流能力的要求就较高，电抗器的价格也较贵。

因此，一般情况下推荐串联电抗器接在电容器的中性点侧。

接在大容量降压变压器10kV的电容器组，还应考虑变压器10kV侧主回路限流电抗器的影响，电容电流流过电抗器时将引起电压升高。

（4）放电器
为了安全和防止合闸时因剩余电荷产生过电压，要求放电器能在电容器组脱离电源后，在5s将电容器上的剩余电压降至50V以下。

通常选用同一电压等
级的电压互感器作为放电器，其二次还可作检测电压用。

为提高安全性，放
电器回路不应接任何保护熔断器和刀开关。

（5）避雷器
用于限制电容器组的操作过电压，通常选用无间隙的氧化锌避雷器。

（6）熔断器
对熔断器的要求见后面“并联电容器组的熔断器保护”。

高压断路器在电力系统中开断电路时，总会出现电弧。

开断的电流愈大，电弧愈难熄灭，其工作条件也愈严酷。

在电力系统发生故障时，短路电流比正常负荷电流大得多，因此关合短路故障是断路器最基本也是最困难的任务。

电弧现象
1．电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。

如10KV少油断路器开断20KA的电流时，电弧功率高达10000KW以上，造成电弧及其附近区域的介质及其强烈的物理化学变化，可能烧坏触头及触头附近的其他部件。

如果电弧长期不灭，将会引起电器被烧毁甚至爆炸，危机电力系统的安全运行，造成重大损失。

所以，切断电路时，必须尽快熄灭电弧。

2．开关电器的触头虽然已经分开，但是触头间如有电弧存在，电路就还没有断开，电流仍然存在。

3．电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。

如，大气中1cm长的直流电弧的弧柱电压只有15－30V，在变压器油中也不过100－200V。

4．电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形，在外力作用下（如气体、液体的流动或电动力作用）会迅速移动、伸长或弯曲，对敞露在大气中的电弧尤为明显。

如，在大气中开断交流110KV、5A的电流时，电弧长度超过7m。

电弧
移动速度可达每秒几十米至几百米。

电弧的产生与维持
1．强电场发射
开关电器的触头分离时，动静触头间的压力不断下降，接触面积减小，因而接触电阻增大，温度剧升。

另一方面，触头开始分离时，触头间距很小，即使电压很低，只有几百伏甚至几十伏，但是电场强度却很大。

由于上述原因，阴极表面可能向外发射电子，这种现象称为强电场发射。

2．热电子发射
触头是由金属材料制成的，在常温下，金属部就存在大量的自由电子，当开关开断电路时，在触头分离的瞬间，由于大电流被切断，在阴极上出现强烈的炽热点，从而有电子从阴极表面向四周发射，这种现象称为热电子发射。

发射电子的多少与阴极材料
及表面温度有关。

3．碰撞游离
从阴极表面发射出来的电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动。

并不断与中性质点碰撞，如果电场足够强，电子所受的力足够大，且两次碰撞间的自由行程足够大，电子积累的能量足够多，则发生碰撞时就可能使中性质点发生游离，产生新的自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。

新产生的自由电子在电场中作加速运动又可能与中性质点发生碰撞而产生碰撞游离。

结果使触头间充满大量自由电子和正离子。

使触头间电阻很小，在外加电压作用下，带电粒子作定向运动形成电流，使介质击穿而形成电弧。

4．热游离
处于高温下的中性质点由于高温而产生强烈的热运动。

相互碰撞的结果而发生的游离称为热游离。

作用：维持电弧的燃烧。

一般气体发生热游离的温度为
9000～10000℃，而金属蒸汽约为4000～5000℃。

因为电弧中总有一些金属蒸汽，而弧柱温度在5000℃以上，所以，热游离足以维持电弧的燃烧。

高压断路器在系统中关合有两种情况：一是正常关合；
另一种是故障关合，指关合前线路或电气设备已存在绝缘故障，甚至处于短路状态的情况。

后一种关合大部分出现在线路发生短路故障，断路器由继电保护控制跳闸后，进行自动重关合而短路故障并未消除时；也可能出现在电力系统投入运行前已存在未被发现的“预伏故障”时。

由于在各种关合中短路故障的关合最困难，因此具有足够的关合短路故障的能力是对断路器的一项基本要求，也是国家标准中规定的型式试验考核项目。

标志这一能力的参数是断路器的额定关合电流。

一、短路故障的关合
二、恢复电压的基本概念交流电弧的熄灭与弧隙介质恢复过程和电压恢复过程有关。

图中，Ud代表弧隙介质恢复曲线，当恢复电压按Utr1变化时，在时间
t1后，电弧复燃，而当按Utr2变化时，电弧就熄灭。

短路故障大多数是电感性电路，
图中，u为工频电压。

当断路器触头S闭合时，电流i落后于电压u角度φ，电压与电流的波形如右图。

在t0时，触头S分开，产生电弧，由于电弧电压很小，电源电压大部分降落在电阻和电感上，电流仍按正弦变化。

电流过零时电路
中断，电源电压加在触头两端，弧隙电压将由Ua上升到电源电压U的这样一个过渡过程。

在实际电路中，弧隙间总有电容存在，弧隙电压不可能突变，电压恢复过程是带有周期性分量的振荡过程，也可以是非周期性过程。

电压恢复过程中，首先出现在弧隙两端的是具有瞬态特性的电压，称为瞬态恢复电压Utr。

时间很短，只有几十微秒至几毫秒。

瞬态恢复电压消失后，弧隙两端出现的是
由工频电源决定的电压，称为工频恢复电压。

瞬态恢复电压与工频恢复电压统称为恢复电压。

瞬态恢复电压具有决定性的意义，因此是分析研究的主要方面。

而且许多场合提到的恢复电压往往就是指瞬态恢复电压。

（1）工频恢复电压的大小。

（2）电路中电感、电容和电阻的数值以及它们的分布情况。

实际电网中，这些参数的差别很大，因此瞬态恢复电压的波形也会有很大的差别。

（3）断路器的电弧特性。

断路器的开断性能不同，电流过零时弧隙电阻值的差别很大。

对瞬态恢复电压会带来很大的影响。

电流过零时，弧隙电阻能立即变成无限大的断路器称为理想断路器。

理想断路器的瞬态恢复电压只取决于电网参数，而与断路器的开断性能无关。

三、单相电路开断时的恢复电压
时，断路器CB的触头分开产生电弧，弧隙两端的电压为电弧电压。

时，电流过零电弧熄灭，出现电压恢复过程。

电源出口处发生短路时，电源侧的对地电容C恰好与断路器弧隙并联，因此弧隙的电压恢复过程就是在时电源电压u通过R与L对电容C的充电过程。

这个过程相当于在下图中开关S突然关合时，电容C两端的电压变化过程。

式中：
——电源电压幅值；
按上式画出的恢复电压波形如下图：
从图中可以看出，瞬态恢复电压中含有高频振荡，其振荡频率f0与L，C有关，但衰减很快。

当t接近1/2f0时，瞬态恢复电压达到最大值Utrm，Utrm一般为工频恢复电压U0的1.4～1.5倍。

短路电流中有时含有非周期分量，从图中可以看出，不管电弧是在t1（电流大半波过零）时，还是在t2（电流小半波过零）
时熄弧，电源电压瞬时值U01与U02都比Um要小。

（一）中性点非直接接地系统的三相短路故障
我国60kV以及下和部分110kV系统都采用中性点非直接接地方式。

这
种系统可能出现三相不接地短路和三相接地短路两种情况。

三相不接地短路故障：
四、三相电路开断时的恢复电压
三相电路中，三相短路电流不同时过零，因此三相电弧也不会同时熄灭。

假定断路器CB开断后，A相短路电流先过零，A相电弧先熄灭。

此时，B、C两相形成两相短路。

A相断路器触头两端的工频恢复电压为：
经计算可得：
由此可见，A相断开后，工频恢复电压为相电压的1.5倍，或称首开极（相）系数为1.5。

A相过零电弧熄灭后，B、C两相的短路电流经过5ms（900电角度）也过零。

电源电压将加在B、C两相的触头上。

如果电压分配均匀，B、C两相触头上的工频恢复电压为：
通过上面分析可知，开断三相短路故障的困难和关键在于首相。

首相如能灭弧，后两相一般均能顺利熄灭，但燃弧时间比首开相延长5ms，电弧能量较大，因此触头烧损、喷气等情况比首相要严重些。

三相短路故障开断时的工频恢复电压、短路电流的变化曲线见左图。

对于中性点非直接接地系统中发生三相接地短路故障时，短路电流与恢复电压情况与三相不接地短路故障相同。

（二）中性点直接接地系统的三相短路故障
我国220kV及以上，包括大部分110kV系统采用中性点直接接地方式。

中性点直接接地系统发生三相接地短路故障时的电路如下图。

设A相电流先过零，电弧熄灭，应用对称分量法，可得首开相得工频恢复电压。

经计算可得：
即在中性点直接接地系统中发生三相接地短路故障时的首开极（相）系数为1.3。

即C相工频恢复电压为相电压的1.25倍，较首开相的1.3倍略小。

B相熄灭后，由于三相接地短路故障已全部切除，显然B相得工频恢复电压即为相电压，比先开断的两相都低。

A相恢复电压：
C相恢复电压：
B相恢复电压：
五、关合和开断电容器组
我国的电容器组一般用于63kV以下，在这些电压中，设备的绝缘水平高，电容器组投入时的合闸过电压通常不会给设备造成危害。

电容器投入的主要问题是涌流。

波形如上图，涌流的频率较高，可达几百到几千赫；幅值比电容器正常工作电流大几倍至几十倍，但衰减很快，持续时间小于20ms。

涌流过大可能造成断路器触头熔焊、烧损，涌流产生的电动力可能会使零件损坏，还可能给电流互感器和串联电抗器造成绝缘损伤等。

式中：ICm—涌流峰值，Im—电容器组正常工作时额定电流的峰值，
Xc—电容器组每相的容抗，Xs—电源每相的短路感抗，f0—涌流的
振荡频率。

涌流峰值：
涌流振荡频率：
图中共有四组电容器，容量相等，经断路器联到母线B上。

当要求四组电容器全部投入运行时，则顺序投入。

投入第一组时的涌流与上面单台电容器投入时的情况相同。

投入第二组时，已带电的第一组电容器将向第二组电容器充电，也会出现涌流。

比第一组电容器投入时严重得多，同理，投入第三组、第四组时的涌流将更大。

现有n组电容器，计算最后一组即第n组投入时的涌流。

考虑到在电源电压为峰值时投入，涌流最大，因此计算时取u=Um，并进行简化，简化后如上图。

涌流峰值：
涌流振荡频率：
在电容器组上接入串联电抗器可以限制涌流，一般采用的是带间隙的铁芯电抗器，电抗器实质上是一个电感线圈L0。

由上式可见，L很小涌流很大，现在接入电抗器后，L增大，涌流也能得到很大的限制。

在断路器上加合闸电阻也能限制涌流，但由于结构复杂，很少采用。

在（a）图中，t=0时，断路器触头分开产生电弧，电弧电压低，所以电源电压u与电容电压uc接近相等。

,t=t1时，电流过零，电弧熄灭，此后电源电压仍按正弦变化，但电容电压不变。

可见，在电流过零后10ms后，即t2时，恢复电压Utr达到最大值2Um。

假设此时弧隙产生重击穿。

这个过程近似地相当于电压为Um的的直流电源经电感L突然加在电压为-Um的电容上，电容上将出现振荡电压，此电流和电压波形如下页图所示。

当高频电流第一次过零，电容电压Uc恰为最大值，Uc=3Um，即出现3倍过电压。

若电弧在高频电流第一次过零时熄灭，Uc将保持暂3Um不变，见上页图（a）。

此后断路器的恢复电压又将上升（见上页图（b）），在t3时最高恢复电压可达4Um。

假如弧隙在此时又出现重击穿，则电容器上出现5倍过电压。

以此类推，若每次重击穿都出现
在最高恢复电压（2Um、4Um、6Um）时，电容上将出现3、5、7倍过电压，使电容器以及电网中其他设备的绝缘受到严重的威胁。

上面分析的是理想情况，实际电网中，影响过电压的因素很多，情况也比较复杂，实测过电压的数值有很大分散性。

以上的分析均假设重击穿发生在电流过零后10ms（1800电角度），即恢复电压达到最大值时。

在此情况下，过电压最高，可达3Um。

实际上在电流过零后10ms，任何时刻均有击穿的可能，击穿时刻不同，过电压的大小也不同。

通常称在0～900电角度击穿的现象为复燃，电容不会出现过电压，在900～1800电角度弧隙发生击穿的现象为重击穿，电容上将出现过电压。

上述情况的简单说法就是：复燃不产生过电压，重击穿会产生过电压。

因此，开合电容器组不会出现重击穿的断路器，开断时就不会出现过电压。

在同一电流相位角下，增加触头的开断速度，虽然燃弧时间ta不会改变，但电流过零时动、静触头间的分开距离可以增大，弧隙介质强度增高，就有可能避免弧隙出现重击穿，从而不出现过电压。

所以一般来说，提高断路器的开断速度对降低开断电容电流的过电压是有好处的。

因此，切合电容器组应选用开断速度高或串联断口较多的断路器。

由于某些原因，例如断路器的机械故障，在A相开断后，可能出现B相不能开断或C相不能开断，甚至B、C两相都不能开断的情况。

此时各相断路器触头上的恢复电压将更为复杂。

根据理论分析，可得出各种情况下，各相触头上的恢复电压最大值如下表所示。

1.电容器的部故障
在一台电容器的箱壳部，是由若干个芯子组成的。

芯子又由若干个元件和绝缘叠压而成。

元件是由电容器纸、聚丙烯膜纸或纯膜作介质，铝箔作极板卷制
成的。

为适应各种电压和容量的需要，在芯子元件之间接成串联或并联。

电
容器部故障一般是这样形成的；电容器投入运行后，极板之间的绝缘在高电场强度的作用下，在某些薄弱环节开始过热、游离，直到局部击穿。

使得与之并联的元件被短路。

此时总故障电流不大，绝缘分解的气体也少，箱壳压力升高得不多。

个别元件击穿后引起与之串联的元件电压升高，绝缘纸间的电场强度加大，可能会引起新的击穿。

元件击穿后，剩余元件上的电压就会进一步升高。

二、并联电力电容器的故障和不正常运行方式结果产生连锁反应，最后导致一台电容器的贯穿性短路。

贯穿性击穿后，通过箱壳部的故障电流较大，绝缘分解的气体增多，使电容器箱壳的压力增高，常出现“鼓肚”或漏油现象。

如果在短时间发生贯穿性击穿，压力增高而来不及释放，就有可能导致箱体爆裂，爆炸起火，扩大事故。

电容器的部故障是电容器组最常见的一种故障。

尽管随着电容器质量的不断提高，电容器的年故障率在不断下降，但电容器的部故障仍然是电容器保护的主要目标。

2.电容器外部的相间和接地故障
电容器外部故障主要指的是电容器与断路器之间的引线，绝缘子、套管间的相间和对支架闪络造成的接地故障。

一次变电所的变压器容量较大，其低压侧电容器回路的短路，如不加限制措施，则短路电流很大，有可能造成短路回路设备和导体的动、热稳定被破坏。

3.电容器的工频过电压
电容器的工频过电压，其中一个原因可能是由于系统电压升高，例如，在变压器轻负荷时，低压侧母线电压升高而引起电容器承受的电压过高。

另一个原因是一组电容器中个别电容器损坏切除或部击穿，使串联的电容器之间的电压分布发生变化，剩余的电容器承受过电压。

电容器耐受过电压的能力的原因：
电容器输出的无功功率和部的有功功率损耗均与其端电压的平方成正比，即输出无功功率：
部有功功率损耗：
当电压超过电容器的额定电压时，箱壳的有功损失增加得很快，
温度升高，游离增大，寿命降低。

因此，电容器需装设较完善的工频过
电压保护，确保电容器在不超过最高允许电压下和规定的时间围运
行。

按照IEC标准，“电容器单元应适合于当端子间的电压有效值升到不
超过1.1倍额定电压（过渡过程除外）下联系运行”。

我国的国家标准也
规定，电容器的工频过电压不超过1.1倍额定电压。

4.电容器组的暂态过电压
电容器组的暂态过电压，主要是由于雷电产生的过电压和在投切操作时产生的暂态过电压造成的。

这两种原因产生的暂态过电压必须用标准的过电压保护装置予以消除，例如配备避雷器，放电间隙等，一般来说，电容器具有吸收雷电冲击过电压的能力，在母线上接有并联电容器组时，可以大幅度降低雷电冲击过电压幅值。

但电容器组并不是一个完善的过电压保护装置，电容器吸收雷电冲击过电压效果取决于电容器与雷电冲击电压引入点之间的电路参数和冲击电压作用时间。

投切操作产生的暂态过电压主要是由于断路器触头间电弧重燃产生的。

为消除这种现象，要选择性能优良的断路器，在投切控制回路设计也要考虑这一问题。

5.暂态过电流（涌流）
当电容器投入时往往产生充电涌流，在电容器组断开操作时，断路器触头的重燃也能产生涌流。

涌流的幅值、频率、衰减时间常数与回路的电容、电感、电阻，合闸瞬间电容器组的充电状态，合闸回路的阻尼电阻等参数有关。

在严。