真空开关投切电容器组过电压问题及其对策

真空开关投切电容器组的过电压问题及其对策

2.3.2真空开关开断三相电容器组时的重燃现象及其过电压

按运行状况，开断电容器组重燃过电压有无故障单相重燃、带故障单相重燃和两相重燃三种类型。

1、无故障单相重燃

如上所述，当 180=t ω时，真空开关A 相的断口恢复电压可以达到相电压幅值的2.5倍，因此发生重燃的几率较大。假定此时A 相重燃，由于线路中电感元件和电容器对地电容的影响，线路中将会产生高频振荡。

由于N C ＜＜C ，高频振荡过程中可以将电容器组C 视为电压源，忽略线路的损耗，重燃相对地最大过电压ma U 为：

ma U 5.35.1)1(2-=--⨯=

中性点对地电压幅值为：

5.415.3-=--=-=aN ma mN U U U

由于中性点出现过电压mN U ，相应地，非重燃相也出现过电压：

13.437.05.4-=+-=+=bN mN mb U U U

87.537.15.4-=--=+=cN mN mc U U U

可见，开断中性点绝缘的三相电容器组，如果单相重燃，过电压主要加在电容器组中性点与地之间，电容器极间无过高的过电压。重燃相过电压并不是最高的，往往是通过中性点传递至不重燃的二相中的一相，成为过电压最高相。此时真空开关非重燃相的断口恢复电压将分别为：

63.4)13.4(5.0=--=trB u

37.6)87.5(5.0=--=trC u

显然，此时的断口恢复电压已经超过了真空开关的工频绝缘水平，极有可能导致断口击穿。如果击穿产生在真空灭弧室内部，则单相重燃变成了两相重燃，电容器组上将会出现最高可达三倍的过电压；如果击穿产生在真空灭弧室外部，就会出现外绝缘闪络，并进一步引起相对地或相间放电，最终发展成两相或三相短路，导致开关损坏，成为永久性故障。短路故障发生时电源和电容器组同时向短路点供电，电容器组上的残余电压得以快速泄放，因此真空开关的外绝缘闪络不会在电容器组产生过电压。

在实际运行中，经常会出现因真空灭弧室外绝缘闪络而导致的开关柜烧毁，而工频耐压低得多的电容器组却未见异常的现象，这种现象正是单相重燃过电压所为。

还需要特别指出的是，在三相电容器组回路中，由于对地电容的影响，即使是单相复燃(在小于1/4周期内重燃)，非复燃相中也会出现过电压，过电压主要作用在真空开关的断口上，这一点与单相电容器组回路和空载电缆有着明显的不同。

图2-7无故障开断电容器组单相重燃过电压[9]

(a)t=0，A相电压为最大值时，A相断开；

(b)t=π/2ω，B、C相间电压为最大值时，B、c相断开；

(c)t=π/ω，A相电压为反极性最大值时，断路器断口间电压。

2、带故障单相重燃

中性点不接地电网允许单相接地持续运行2h，有可能遇到在单相接地时要开断电容器组。现以系统母线侧单相接地时开断电容器组为例，进行分析。

图2-8 带故障开断电容器组单相重燃过电压[9]

(a)A 相断开； (b)B 、C 相断开； (c)A 相即将重燃

如图2-8所示。t U u m A ωcos =，设C 相接地，A 相为首开相，0=t 时A 相开断。开断后各相电容器上的残留电压参见图2-8(a)所示。仍令m U =1，则A 相电容残留电压为1.0，B 相和C 相各为0.5，因C 相接地，此时中性点对地位移电压为0.5。

经1/4周期时间，B 、C 相开断，如图2-8(b)所示。C 相残留电压为(-0.5-0.87)=-1.37，B 相残留电压为(-0.5+0.87)=0.37，中性点电压为(0.5+0.87)=1.37。

再经1/3周期，断路器A 相触头间恢复电压为最大，达(2.37+1.73)=4.1，B 、C 相分别为2.61和0，如图2-8(c)所示。A 相重燃，不计回路损耗，振荡过程最大过电压为 83.537.2)73.1(2-=--⨯=ma U

中性点对地最大过电压

83.6183.5=--=-=aN ma mN U U U

B 相和

C 相过电压分别为

46.637.083.6-=+-=-=bN mN mb U U U

20.837.183.6-=--=-=cN mN mc U U U

此时真空开关Ｂ相的断口恢复电压为

59.5)46.6(87.0=---=trB u

20.8)20.8(0=--=trC u

显然，电源侧单相接地时，首开相的工频恢复电压幅值高达相电压幅值的4.1倍，真空开关发生单相重燃的概率大大增加，而单相重燃发生后产生的过电压比无故障开断要高，因此危害更大。

在40.5kV 电压等级，几乎可以肯定真空开关在高达相电压幅值4.1倍的工频恢复电压作用下会发生重燃现象，由于该电压等级产品的爬电比距小，产生真空灭弧室外绝缘击穿的概率大大增加，因此应避免真空开关在这种条件下进行开断操作。

3、两相重燃

从上述单相重燃的分析可知，如A 相为首开相，A 相重燃，则C 相过电压最高。由于单相重燃时回路的振荡频率很高，中性点对地电容N C 上的电压在很短时间内上升，有可能立即导致C 相断口击穿，形成两相重燃。另外，若断路器分闸非同期时间过长，如果B 相延迟分闸至A 相重燃之后，虽然是A 相单相重燃，实质上与两相重燃相同。

以A 、C 相相间电势最大时，断路器A 、C 相同时重燃为例。由于此时发生重燃的两相构成了振荡回路，因此可以忽略中性点对地杂散电容的影响，由此我们也可以预见到这种情况下的中性点对地电位不会很高。考虑到线路损耗电阻很小，可以忽略，因此其等值电路如图2-9所示。

图2-9 两相重燃过电压[9] 设相间电势t U u m CA ωcos 3=，S L 、1L 分别为电源漏抗和串联电抗器电感，a C 、c C 为A 、C 相补偿电容，令m U =1，L=2(S L +1L )，C=a C /2=c C /2，LC 11=

ω。

在两相重燃之前，首开相A 相断弧时，在a C 上留下残留电压