并联电容器组操作过电压及其对策的研究

并联电容器组操作过电压及其对策的研究

陆华，周浩

浙江大学电气工程学院

摘要：由于频繁投切带来的过电压问题一直是影响并联电容器组运行可靠性的重要因素，本文首先对操作过电压的形成机理进行了分类论述，然后着重对多种限制操作过电压的方法进行了归纳和分析，以期将并联电容器的操作过电压发生率和破坏性减到最低，进一步提高电容器运行的可靠性。

关键词：操作过电压真空断路器对策

1 引言

并联电容器组作为电网中的一种无功电源，具有成本低、便于维护和运行、经济效益好等特点，广泛应用于电网的无功补偿，以提高电压质量和功率因数，减小电能损耗。近年来，随着电网容量的迅速增大和对电能质量要求的不断提高，电容器的投切操作越来越频繁。由于操作频繁带来的过电压问题一直是影响并联电容器组运行可靠性的重要因素。随着真空断路器大面积应用，由于其开断特性和电弧特性与以往使用的油断路器不尽相同，使得操作过电压引起的故障现象有了一些新的特性。在实际工作中，人们对事故的原因也常有不同的看法，难以统一认识和采取更合理的防范措施。目前，关于操作过电压保护保护方面的措施有很多，如提高真空断路器的机械特性和工艺水平、采用MOA方法、应用阻尼装置及控制合闸相位等，每种措施或方法都具有各自的优势和不足。本文首先对并联电容器组操作过电压的形成机理进行了分类论述，然后在前人研究成果的基础上，结合作者的观点，对多种保护措施进行了一些简单的归纳和分析，以期在保证经济效益的前提下，采取最合理的措施将并联电容器的操作过电压发生率和破坏性减到最低，进一步提高电容器运行的可靠性。

2 并联电容器组的操作过电压

2.1 分闸过电压的形成机理

2.1.1分闸重击穿过电压

并联电容器组分闸过电压主要是指分闸重击穿过电压，包括单相重击穿和多相重击穿过电压。重击穿过电压是由于切除电容器组时因开关的重击穿而引起的，当开关断开电流熄灭后，电容器组上的残存电荷在短时间内无法释放,电容器组上将残留直流电压，假如开关弧隙绝缘恢复的速度低于恢复电压增长的速度，一旦真空开关的电气恢复强度不能承受加于其上的暂态恢复电压，将发生重击穿，引起电磁振荡，产生重击穿过电压。真空断路器投切电容器组产生过电压，所有成因都归结为电流过零后一段时间内(几ｍｓ至几ｓ)，弧隙动态介质恢复强度低于恢复电压而导致电流重现。文献[2]把电弧电流过零后的重击穿过程按时间先后分为三个阶段：①触头表面熔化的金属来不及固化，由阴极发射液滴导致重击穿，即“早期”重击穿；②触头表面金属已固化，液滴停止发射，因操作机构的冲击，使粘附于触头上的某些微粒脱落，继而使弧隙在电场作用下发生击穿，即“感应”重击穿；③其它随机因素引起重击穿，如材料不均匀有缺陷、热应力作用、材料表面“小气袋”破裂等，此所谓“自发”重击穿。

2.1.2其它分闸过电压

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电容器分闸还会发生远方放大过电压，重燃过电压会沿输电线传播，在辐射状线路末端，经过反射再反射的作用，过电压将被放大；另外，电容器组若选用中性点接地的电压互感器作为放电线圈，当电容器开断时，储存在互感器线圈内的电磁能将释放出来，通过中性点与母线和电容器外壳的对地电容回路，产生振荡，在断路器的相对地和断口间产生很高的过电压。

2.2 合闸过电压的形成机理

2.2.1 合闸弹跳过电压

按照形成的原因划分，合闸过电压主要有：非同期合闸过电压、合闸时触头弹跳过电压、电容器合闸引起的远方放大过电压、电容与电感的谐波匹配引起的谐振过电压等，其中由合闸弹跳引起的过电压最主要。由于真空开关的触头是平面接触，在合闸时难以完全避免弹跳现象，这样就将出现电弧断开又接通的重复过程，与电容器充电状态下的重新合闸的状态相近似，当触头接通瞬间发生弹跳，其电流高频过零时，发生熄弧，此时在电容器上已充有电荷，当触头再次接通时，有如断路器发生分闸重燃一样，产生较高的合闸过电压，同时电容器极间也会产生较大的过电压。一般来说，合闸弹跳过电压比重击穿过电压要低。

2.2.2其它合闸过电压

断路器非同期合闸时，可能出现其中一相先合闸使电容器充电，而其它两相接通时，可能会遇到大小相近，极性相反的工况，发生非同期合闸过电压；电容器合闸时引起远方过电压与分闸时引起的远方放大过电压形成原因类似；电容与电感的谐波匹配引起的谐振过电压的形成原因是，电容器组与变压器同时合闸或空载变压器母线上投入电容器时，由于变压器合闸涌流的谐波影响，某次谐波可能与电容器发生串联谐振，产生倍数很高的动态过电压。

2.3 非投切电容器操作过电压

并联电容器组的操作过电压按操作性质可以分成投切电容器组操作过电压和非投切电容器组操作过电压两大类，投切电容器组过电压主要是上述的合闸过电压和分闸过电压。常见的非投切电容器操作过电压有：在接有并联电容器组的运行母组上投入变压器时，会出现电容与电感共振的过电压；变电站有多组并联电容器组并联运行时,投切馈电线时，如果开关三相不同步，就会出现的相间过电压；配电线路由于某种外界操作因素造成接地或连续放电产生的过电压等。

3 并联电容器操作过电压的危害

并联电容器组操作过电压的危害总的来说主要可概括为两方面：一是损坏并联电容器组的设备，持续的过电压会大大降低电容器装置的寿命，严重的操作过电压会破坏电容器的对地绝缘或发生极间击穿，使电容器装置不能正常运作，影响电网的正常运行；二是对远端变电所的设备绝缘造成危害，严重时造成事故使电网瘫痪，带来重大经济损失。因此，必须采取有效措施减少和预防过电压的发生，同时加强各项保护措施将操作过电压的危害消减到最低。

4 减少和限制并联电容器组操作过电压的措施

4.1完善真空断路器的生产工艺和机械特性

大量研究和试验表明，断路器投切电容器组时，导致产生过电压的因素很多，但总的来看有两个

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方面：一是操作开关的条件，二是操作时的电网条件，两个方面的因素相互制约，相互影响。因此预防和减少操作过电压的发生，首先应该改进真空开关的生产工艺、完善其机械特性。

在开关的生产工艺方面，应提高真空灭弧室触头材料质量，降低重击穿的发生率。随着材料科学的发展和材料加工工艺的改进，许多产品的试验以及运行纪录证明几乎可以达到不重燃。然而在实际运行中有些产品质量很不稳定，甚至同一型号规格的灭弧室试验情况完全不同，因此加强真空灭弧室的生产质量管理很重要。另外在灭弧室的设计上尽量使触头和屏蔽罩有合适的表面条件，使粒子不能粘附，或一旦粘附时能牢牢地粘上，以减少感应重击穿。

改善真空短路器的机械特性应以尽量减小真空断路器的合闸弹跳、分闸弹振和三相不同期性为目的。首先，应正确调整真空断路器的合、分闸运行特性，设定合适的合、分闸速度。提高分闸速度有利于提高介质恢复强度，但分闸速度过大将使弹簧力加大，操动机构负担过重，首开相开断后，后两相熄弧距离变长，弧隙中能量增加，熄弧困难，触头烧损严重，同时使分闸运行特性变坏。其次，改善真空断路器的操作特性。在断路器的操作系统设计上应使断路器合分过程尽可能平稳，缓冲得当，振动尽量小，特别是尽量避免操动机构的振动方向、相位与动、静触头合分时的振动方向、相位相同而造成振幅叠加。除缓冲器的作用外，分闸弹簧的刚度系数也对分闸的振动有明显影响，一般应选择分闸弹簧的刚度系数比较低，这样可以抑制振动而带来的动触头回弹。

4.2 “老炼”试验提高灭弧室洁净度

真空灭弧室洁净度可理解为灭弧室内部表面粘附杂质微粒总数目的多少。当真空断路器在开断电流时，产生的电弧会使这些微粒物质分解、气化，释放出大量气体，引起灭弧室内部绝缘强度下降，造成重击穿或多次重击穿，洁净度越高，发生重击穿的概率就越小，引起的过电压就越低。对于一个已经完工的真空灭弧室成品，提高其洁净度的辅助措施是对其进行“老炼”。电气老练试验最好是在真空灭弧室出厂以前进行，常见的方法主要是电流法和高压法等。使用电流法的目的在于用较低的电压维持一段较长时间较稳定的电弧。采用高压法能较明显地提高灭弧室的绝缘性能，降低真空断路器切合电容器时的重燃几率。其方法为在触头间施加几十千伏的电压，通过限流装置使触头间隙仅流过小电流电弧，通过电弧的轰击，去除触头表明的毛刺、尖棱等微凸部分，使触头表面更加光滑。另外，还可采用“现场”老炼法，即在断路器投运前，先装上过电压保护装置，再投切电容器组几十次。不论是电流法、高压法，还是“现场”老炼，一般都能较显著地降低真空断路器切合电容器组时的重燃几率，从而减少了产生过电压的可能性。

4.3 控制分合闸相位

上面已经提到影响操作过电压的第二个方面的因素是电网的条件，从过电压形成机理来看，合闸或分闸时的电流或电压相位是非常重要的影响因素。断路器分闸时，电流相角愈小，熄弧时间愈大，电流过零时触头间愈大，介质恢复强度愈高，不易击穿。相反，电流相角较大时重击穿机会就多。同样，当断路器合闸时，若在断口间电压过零的瞬间合入电容器，因恢复电压为零，产生操作过电压的概率就会很小，而在不利的相位角合闸时所引起的过电压则大得多。国外从上世纪70年代就开始研究相位控制高压断路器的技术,其设计思想是通过控制器让断路器在一个固定的相位上合闸或分闸，从而使系统内的操作过电压幅值降至最低。在不同的回路中对相位控制断路器的要求不同，应根据具体目的设定相应的控制要求。随着计算机和通讯技术飞速发展，作者认为采用相位控制器的方法将会越来越受用。值得一提的是，相位控制器的参数设定必须考虑到相应断路器的操作特性，开关的操动机构必须性能稳定、分散性小，以使相位控制更加准确。

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