真空断路器投切电容器组产生过电压问题的分析与解决

真空断路器投切电容器组产生过电压问题的分析与解决

宁夏英力特化工股份有限公司树脂分公司110kV变电所有两台63000kV A的三圈主变，并列运行，35kV侧及6kV侧采用分段运行方式。无功补偿装置接在6kV母线上，每段母线上个两组，每组容量4800kVar。在投运过程中发生过三次严重过电压事故，每次都造成多只电容器击穿及单只电容器熔丝发生群爆。第一次事故是在2008年8月大修后投运2#电容器组时，发生单相过电压。第二次事故发生在2009年2月临时检修完成后，投运3#电容器组时发生过电压。第三次是2011年3月31。两次都为三相相间过电压。在第二次事故发生后采取了在每组电容器组电抗器两端加装过电压吸收装置的措施，希望能抑制、吸收操作过程中产生的过电压。经过两年的运行，虽然该装置起到了一定的作用，在这两年中的投运未发生故障。但在2011年3月31投运时又出现过电压的现象，说明该装置并不能从根本上解决真空开关投切电容器产生过电压的问题。因我公司110kV变电所投切电容器组的断路器为真空断路器，真空断路器虽然一般情况下能满足频繁投切电容器组的需要，但因其在合闸过程中可能出现断口预击穿、合闸弹跳、合闸不同期等问题，在分闸过程中可能会出现单相、亮相重燃、截流等问题，这些问题都会产生严重的过电压，故存在很大的安全隐患。而我变电所所采用的金属氧化物避雷器不能完全有效地吸收真空断路器因上述原因产生的操作过电压，所以只有采取更加有效的措施，从根本上消除操作过电压，才能保证电容器组的投切安全。

在电力系统中，电容器组进行控制最早采用的是少油断路器，然而少油断路器对频繁操作的投切电容器组来说并不能完全满足其使用要求。近年来真空断路器以其使用寿命长，可频繁开断、无油、少维护等优点，在电力系统中得到了广泛的应用，因此电力系统也希望用真空断路器来取代少油断路器投切电容器组。而近年来随着真空开关在中压领域占领了绝对优势的市场份额，使这一需求显得更加突出和紧迫。但由于电容电流与电压的相角差和断路器开断性能的影响，真空开关在投切电容器组的过程中会产生各种复杂的操作过电压，投电容器组时可能会发生弹跳、断口预击穿现象，切电容器组时易出现重燃、截流过电压，对灭弧能力较差的开关，往往造成开关的损坏或爆炸事故，同时，电容器组投入时会产生涌流，涌流的频率在几百赫到几千赫间，幅值比电容器正常工作电流大几倍甚至几十倍，持续时间数十毫秒，涌流过大有可能造成断路器触头的熔焊、烧损，电流互感器、串联电抗器的绝缘损伤等，给电力设备带来严重的危害，限制了真空断路器在这一方面的应用。操作过电压也因此成为电容器运行中的一个危险因素。

为了弄清楚真空开关投切电容器组时产生过电压的真正原因，我们就从真空开关的几个关键部分进行一下分析。

1.真空度。

众所周知，真空灭弧室将真空作为绝缘介质，使其具有灭弧能力强，介质强度恢复速度快，绝缘强度高的优点，因此保持真空灭弧室内必要的真空度就很重

要。当真空灭弧室内真空度太低时，会出现断口预击穿和熄弧重燃等现象。但真空度低所造成的预击穿和熄弧重燃应该是连续的，且有近似的重复性，而在真空开关切合电容器组时发生的过电压却是非连续性的，具有偶然性；而且用于进行切合电容器的真空灭弧室即使在试验前对其真空度进行测量，甚至用特意制造并挑选过的真空度较高的灭弧室进行试验，仍然出现了过电压现象，在试验后对出现过重燃现象的灭弧室进行真空度检测，发现真空度良好。因此由于真空度低的原因造成操作过电压的观点显然是不能成立的。

2. 灭弧室的结构设计

如果灭弧室的结构设计不够合理，使灭弧室内部的电场分布不够均匀或者对电弧的控制能力不够，使得灭弧室的灭弧性能较差，将会造成在开断过程中电弧不能熄灭或不能承受瞬态恢复电压，使开断失败。但是这种原因所致的开断失败主要表现在极限短路电流的开断试验中，这时短路电流一般达几十千安，开断失败的特征是电弧只有短时熄灭，又迅速重燃，同时伴随有巨大的能量放出，甚至可以将开关或灭弧室烧毁。用于切合电容器的真空开关或真空灭弧室型号一般都经过了包括短路电流开断的型式试验的验证，证明其具有额定短路电流的开断能力，而在切合电容器组时的开断电流往往不超过几百安培，真空灭弧室开断这个等级的电流不存在任何困难，因此灭弧室的结构设计与开关在切合电容器组时发生的重燃现象没有直接的因果关系。

3. 触头材料

在其他条件不变的情况下，真空灭弧室的触头材料对击穿电压有很大的影响。早期生产的灭弧室使用的触头材料多为铜铋铈、铜铋铝等，这些材料由于含有低熔点的金属（铋），其击穿电压比较低，容易出现电压击穿。但自从使用综合性能比较优良的铜铬材料后，产品的耐压能力得到了提高，使灭弧室可以在更小的开距下开断更大的电流。我们现在的断路器用灭弧室的触头材料都是铜铬材料，可以保证灭弧室具有良好的耐压性能。而且由于触头材料的原因导致的击穿将会在电弧熄灭后几毫秒内表现出来，这也与开关在切合电容器组时的重燃特征不同。由此可见，触头材料的性能或选择并不是造成国产灭弧室重燃率高的根本原因。

我们再从投切电容器组的过程来分析发生重燃的原因：电容器组在被投入的瞬间有个短暂的充电过程，此过程是一个相当于短路的暂态过程，对于正好处于较高电压相位的相来说，会有很大的冲击电流流过开关触头，同时，由于限流电抗器的存在，又会因阻容震荡产生很高的谐波过电压，这是造成电弧成倍增加的根本原因。电容器组在断开前已经被充电，自身具有一定的电压，开关接到分闸指令后断开，电弧熄灭，外部线路为随着时间而不断变化极性的交流电压，因此开关断开后将受反向的电压，使开关断口最大需要承受2倍的正常线路电压，这是比一般的开断过程要严酷的地方；而且切合电容器组时的电流一般较小，不超过数百安培，电流开断过程本身并不存在困难，因此切合电容器组时发生重燃主要是电压击穿的过程。

从以上分析可见，真空开关自身的问题并不是其在投切电容器组时产生过电压的真正原因，过电压的原因是由电容器组的特点造成的。因此，我们可以想象一种理想的状态——在开关触头合、分的瞬间，加在触头间的电压为零，这样，断口预击穿、截流等过电压产生的原因就会迎刃而解。但传统的操动机构（弹簧机构和电磁机构）是一个复杂的机械系统，零部件多，运动环节长，因此运动时间分散性大，响应速度慢，且传统操动机构均为三相共轴运动方式，因而难以在三相交流系统中按时序对各相分别进行精确控制。可喜的是，随着真空开关技术、开关智能控制技术的不断发展，使得在电力系统中应用时间跟踪过零投切在理论上具有了实现的可能性。依靠智能控制技术进行操动的永磁机构，其结构简单，体积小，可以很方便地为开关各极分别配置适用的永磁机构，以实现对开关三极运动的精确控制，它的出现为时间跟踪过零投切提供了很好的技术基础，使得时间跟踪过零投切在电力系统的实际应用变为现实。由于用于时间跟踪过零投切的真空开关各极均配有独立的永磁机构，因此，在三相系统中，只要将开关三极的运动相互错开120度，便可实现对三相系统的同步关合。真空开关在接到合闸指令（对具有主控模块的真空开关而言自行发出合闸指令）后，自行检测电压零点，计算合闸电流的提前量，送出合闸电流，进行合闸操作，在合合理的时刻接通电路，加在断口上的电压为零瞬间，开关接通（在电容器组带有放电电阻的情况下，电容两端残压可以不计），开关接通后，流过电容器组的电流将按照余弦规律变化。

我公司通过广泛的考察和交流，选择了锦州拓新电力电子有限公司的时间跟踪过零投切式电容器投切专用开关柜。该装置采用检测母线过零时刻接通电容器的控制方案，从而消除电容器投切时产生的涌流和过电压。为准确做到过零控制，设计了一种与分合闸线圈动作时间无关的永磁机构控制器。在该控制器的控制下，断路器分合闸时间仅与断路器的机械运动时间有关。断路器选用永磁真空机构，在环境条件相同的情况下，永磁真空断路器的机械运动特性一致性较好，保证了同步过零投切的准确性。同时电压无功测控、录波单元对断路器的每次动作进行跟踪分析，计算每次动作的分合闸时间，对永磁机构控制器的控制时间进行调整。

过零投入电容器时刻选取如下图所示：

兰色为C相，粉色为A相，黄色为B相，浅蓝色为Uab。Uab过零即为粉色和黄色的交点，根据电路图计算过5ms后C相将过零。

根据上图C相滞后Uab 5ms后过零。

通过对过零时刻的准确选取及断路器动作时间的精确测量，实现了真正的过零投切，现场实际应用效果图如下：

由可分相操作的真空永磁机构断路器本体与智能过零控制器组成。

真空永磁机构断路器本体是一个由德国特瑞德的每相装有永磁机构的单相真空断路器。即A、B、C分相断路器，为实现断路器过零分合闸操作，提供了