基于真空斷路器投切并聯(lián)電容器的過電壓分析及防護(hù)探究

鐘健強(qiáng)

摘 要：為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量要求，變電站內(nèi)的無功補(bǔ)償裝置應(yīng)優(yōu)先考慮采用投資少，損耗小并且可分組投切的并聯(lián)電容器。本文首先分析真空斷路器的結(jié)構(gòu)，再基于真空斷路器投切并聯(lián)電容器過程中產(chǎn)生過電壓的原理，探究過電壓防護(hù)的有效措施。

關(guān)鍵詞：真空斷路器；并聯(lián)電容器；過電壓保護(hù)

中圖分類號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

為了減少線損，提高電能質(zhì)量及功率因數(shù)，大部分的變電站裝設(shè)了大容量的并聯(lián)補(bǔ)償電容器組，其可隨著系統(tǒng)的電壓和功率的變化自動(dòng)投切。并聯(lián)電容器裝置是由并聯(lián)電容器和相應(yīng)的一次及二次配套設(shè)備組成，并聯(lián)連接于三相交流電力系統(tǒng)中，能完成投運(yùn)的一套設(shè)備。其一般裝設(shè)在變壓器的低壓側(cè)，當(dāng)條件允許時(shí)，應(yīng)裝設(shè)在變壓器的主要負(fù)荷側(cè)。并聯(lián)電容器裝置應(yīng)設(shè)置滿足電容器投切要求的專用斷路器或負(fù)荷開關(guān)，目前國內(nèi)一般選用真空斷路器。本文首先介紹真空斷路器的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上分析其投切過程容易產(chǎn)生的涌流和重燃兩大問題，并提出了優(yōu)化措施。

1.真空斷路器

真空斷路器的滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是真空，其具有良好的滅弧性能。如圖1所示，真空斷路器的主要部件是一個(gè)真空泡滅弧室，滅弧性能比油和SF6氣體作為介質(zhì)的斷路器滅弧性能都要良好得多。真空斷路器具有以下特點(diǎn)：一是體積小、質(zhì)量輕；二是觸頭開距小，只有10mm左右，分合閘行程短；三是燃弧時(shí)間段，且與電流無關(guān)。燃弧后觸頭間隙介質(zhì)恢復(fù)快；四是觸頭的電氣壽命長，額定電流開斷達(dá)5000次以上，適合于頻繁操作；五是適用于開斷容性負(fù)荷電流。所以，真空斷路器在電容器組的頻繁投切操作中應(yīng)用非常普及。

2.真空斷路器投切電容器組過電壓分析

用真空斷路器投切電容器組通常會(huì)存在3個(gè)問題：截流過電壓、復(fù)燃過電壓和重燃過電壓。

2.1 截流過電壓

截流過電壓是指電容器組在投入瞬間，電流若過零點(diǎn)，由于真空斷路器的截流作用，電容器組由于其串聯(lián)的電抗線圈及雜散電容中的能量在回路中發(fā)生高頻振蕩作用產(chǎn)生很高的恢復(fù)電壓。

如式（1）所示，真空斷路器擊穿電弧復(fù)燃，其觸頭間距加大后絕緣強(qiáng)度越大而電弧再次熄滅。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致電壓不斷上升直到電弧不再被熄滅為止。這個(gè)過程和斷開電容器組發(fā)生復(fù)燃過程（2.1將提到）很類似，同樣會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓。

2.2 重燃過電壓

斷路器重燃是指退出電容器組的時(shí)候，斷路器的斷開間發(fā)生重燃并產(chǎn)生過電壓，危害電容器組及相關(guān)設(shè)備。在自動(dòng)投切電容器組很頻繁的變電站要尤其注意電容器組斷路器的重燃。

如圖2所示，電容電壓Uc=Us，當(dāng)電流過零點(diǎn)時(shí)電弧熄滅，Uc=-Usm，但電源電壓以正弦規(guī)律變化，真空短路器的斷口兩端的恢復(fù)電壓Uf=Us-Usm。當(dāng)電源電壓達(dá)到峰值時(shí)，恢復(fù)電壓Uf=2Usm。若斷路器的斷口介質(zhì)絕緣強(qiáng)度不夠，就會(huì)發(fā)生擊穿，而產(chǎn)生斷路器重燃。重燃發(fā)電時(shí)將產(chǎn)生高頻振蕩，若電弧在高頻電流波形的過零時(shí)熄滅，電容電壓將達(dá)到最大值，Uc=3Usm，并保持不變。當(dāng)電壓到達(dá)下半峰值時(shí)，斷口的恢復(fù)電壓Uf=4Usm，電容電壓可高達(dá)Uc=5Usm。因此重燃產(chǎn)生的高電壓將嚴(yán)重威脅電容器組及斷路器等設(shè)備的絕緣。

真空斷路器的觸頭有固定的不同期性，在電容退出的過程中其中性點(diǎn)容易產(chǎn)生位移，導(dǎo)致重燃過電壓會(huì)更高。而分閘時(shí)相位具有隨機(jī)性，相位越大出現(xiàn)重燃過電壓的幾率越高。同時(shí)，電源容量越小，重燃過電壓的幅值也就越高，對(duì)真空斷路器的考驗(yàn)越大。

2.3 復(fù)燃過電壓

復(fù)燃過電壓是指真空斷路器在投切電容時(shí)，負(fù)荷側(cè)的暫態(tài)電壓和上升率大于真空斷路器的斷口的絕緣介質(zhì)的恢復(fù)速度和能力，電弧將斷口擊穿并產(chǎn)生復(fù)燃。復(fù)燃相上有很高的過電壓，并在其他相上感應(yīng)過電壓。若出現(xiàn)高頻暫態(tài)電流過零點(diǎn)，真空斷路器會(huì)再次滅弧截流，但若重復(fù)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，將不斷重復(fù)“擊穿—滅弧”的過程，直到真空斷路器的絕緣強(qiáng)度足夠大而停止。負(fù)荷側(cè)的暫態(tài)恢復(fù)電壓及其上升率越高，斷路器發(fā)生復(fù)燃過電壓的幾率越大。

3.防護(hù)措施

截流過電壓主要是由于投入電容器組時(shí)真空斷路器合閘過程中，與電容器組串聯(lián)的電抗和雜散電容之間發(fā)生諧振而產(chǎn)生的過電壓。而同樣，在電容器組分閘的過程中，重燃和復(fù)燃產(chǎn)生過電壓。過電壓損害電容器組及其相關(guān)設(shè)備，使其不能正常使用。因此，除了選用性能良好，重燃率很低的斷路器之外，一般在串聯(lián)電抗側(cè)加裝阻容裝置、避雷器或并聯(lián)電容器的方法，降低過電壓的幅值和頻率來抑制截流過電壓。其中避雷器的技術(shù)比較成熟且成本低、體積小及安裝方便，可有效防護(hù)真空斷路器在合閘過程中產(chǎn)生截流過電壓，在串聯(lián)電抗側(cè)安裝避雷器時(shí)廣泛應(yīng)用好方法，而選中避雷器時(shí)一般都選用氧化鋅避雷器，其具有以下優(yōu)點(diǎn)。

氧化鋅避雷器選用氧化鋅電阻片，比普通的碳化硅具有更好的非線性特性，如圖3所示。在同樣的滅弧電壓U2下，氧化鋅電阻的電流為1mA，而碳化硅電阻的電流卻達(dá)到了400A。其具有以下特性：一是氧化鋅避雷器只吸收超過起始的動(dòng)作電壓（對(duì)設(shè)備絕緣有害的過電壓），比碳化硅避雷器負(fù)擔(dān)輕；二是氧化鋅避雷可承受多重雷擊，通流能力大，為碳化硅避雷器的2～5倍；三是有很好的響應(yīng)特性，在陡波的作用下殘壓增高為碳化硅的1/4，一般只有5%～12%而已；四是體積較小，質(zhì)量很輕，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。所以一般都是裝設(shè)氧化鋅避雷器以保證電容器組的正常運(yùn)行。同時(shí)，在真空斷路器正式投入運(yùn)行前應(yīng)該進(jìn)行大量的彈跳試驗(yàn)和重燃率試驗(yàn)和老練一段時(shí)間以減少重燃次數(shù)。

結(jié)語

截流過電壓、斷路器重燃和復(fù)燃是真空斷路器投切電容器組時(shí)最常見的問題。本文在介紹真空斷路器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析這三大問題并提出了優(yōu)化的措施，對(duì)電容器組的投切操作的保護(hù)有積極的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]吉亞民，周志成，馬勇，等.真空斷路器投切并聯(lián)電抗器過電壓故障分析[J].江蘇電機(jī)工程，2014，33（2）：12-14.