真空斷路器投切電容器組產生過電壓問題的分析與解決

鄧萬興

摘 要：因我公司110kV變電所投切電容器組的斷路器為真空斷路器，真空斷路器雖然一般情況下能滿足頻繁投切電容器組的需要，但因其在合閘過程中可能出現斷口預擊穿、合閘彈跳、合閘不同期等問題，在分閘過程中可能會出現單相、亮相重燃、截流等問題，這些問題都會產生嚴重的過電壓，故存在很大的安全隱患。而我變電所所采用的金屬氧化物避雷器不能完全有效地吸收真空斷路器因上述原因產生的操作過電壓，所以只有采取更加有效的措施，從根本上消除操作過電壓，才能保證電容器組的投切安全。為了弄清楚真空開關投切電容器組時產生過電壓的真正原因，我們就從真空開關的幾個關鍵部分進行一下分析。我公司于2012年4月利用大修停車機會完成了對電容器投切開關柜的改造，經多次投切實驗，效果良好。通過改造可以極大的降低在投切電容器時，發生操作過電壓的可能性，不僅減少電容器組修理維護費用，延長電容器組使用壽命，更重要的是有效保證供電系統安全和化工生產線的安全穩定性。

關鍵詞：真空斷路器；變電所；過電壓；投切電容器組

寧夏英力特化工股份有限公司樹脂分公司110kV變電所有兩臺63000kVA的三圈主變，并列運行，35kV側及6kV側采用分段運行方式。無功補償裝置接在6kV母線上，每段母線上個兩組，每組容量4800kVar。在投運過程中發生過三次嚴重過電壓事故，每次都造成多只電容器擊穿及單只電容器熔絲發生群爆。第一次事故是在2008年8月大修后投運2#電容器組時，發生單相過電壓。第二次事故發生在2009年2月臨時檢修完成后，投運3#電容器組時發生過電壓。第三次是2011年3月31。兩次都為三相相間過電壓。在第二次事故發生后采取了在每組電容器組電抗器兩端加裝過電壓吸收裝置的措施，希望能抑制、吸收操作過程中產生的過電壓。經過兩年的運行，雖然該裝置起到了一定的作用，在這兩年中的投運未發生故障。但在2011年3月31投運時又出現過電壓的現象，說明該裝置并不能從根本上解決真空開關投切電容器產生過電壓的問題。

真空度：我們再從投切電容器組的過程來分析發生重燃的原因：電容器組在被投入的瞬間有個短暫的充電過程，此過程是一個相當于短路的暫態過程，對于正好處于較高電壓相位的相來說，會有很大的沖擊電流流過開關觸頭，同時，由于限流電抗器的存在，又會因阻容震蕩產生很高的諧波過電壓，這是造成電弧成倍增加的根本原因。電容器組在斷開前已經被充電，自身具有一定的電壓，開關接到分閘指令后斷開，電弧熄滅，外部線路為隨著時間而不斷變化極性的交流電壓，因此開關斷開后將受反向的電壓，使開關斷口最大需要承受2倍的正常線路電壓，這是比一般的開斷過程要嚴酷的地方；而且切合電容器組時的電流一般較小，不超過數百安培，電流開斷過程本身并不存在困難，因此切合電容器組時發生重燃主要是電壓擊穿的過程。

從以上分析可見，真空開關自身的問題并不是其在投切電容器組時產生過電壓的真正原因，過電壓的原因是由電容器組的特點造成的。因此，我們可以想象一種理想的狀態——在開關觸頭合、分的瞬間，加在觸頭間的電壓為零，這樣，斷口預擊穿、截流等過電壓產生的原因就會迎刃而解。但傳統的操動機構（彈簧機構和電磁機構）是一個復雜的機械系統，零部件多，運動環節長，因此運動時間分散性大，響應速度慢，且傳統操動機構均為三相共軸運動方式，因而難以在三相交流系統中按時序對各相分別進行精確控制。我公司通過廣泛的考察和交流，選擇了錦州拓新電力電子有限公司的時間跟蹤過零投切式電容器投切專用開關柜。該裝置采用檢測母線過零時刻接通電容器的控制方案，從而消除電容器投切時產生的涌流和過電壓。為準確做到過零控制，設計了一種與分合閘線圈動作時間無關的永磁機構控制器。在該控制器的控制下，斷路器分合閘時間僅與斷路器的機械運動時間有關。斷路器選用永磁真空機構，在環境條件相同的情況下，永磁真空斷路器的機械運動特性一致性較好，保證了同步過零投切的準確性。同時電壓無功測控、錄波單元對斷路器的每次動作進行跟蹤分析，計算每次動作的分合閘時間，對永磁機構控制器的控制時間進行調整。

1 智能式過零分合閘斷路器

由可分相操作的真空永磁機構斷路器本體與智能過零控制器組成。真空永磁機構斷路器本體是一個由德國特瑞德的每相裝有永磁機構的單相真空斷路器。即A、B、 C分相斷路器，為實現斷路器過零分合閘操作，提供了所需的開關設備。

2 智能過零控制器

智能過零控制器是該公司自行研制的一種微機控制裝置。內置了開關量采集電路，可以識別斷路器的運行狀態及有無分合操作的請求；內置了分合閘時間測量電路，可確知每相斷路器的分合閘時間；內置了過零檢測電路，可確知每相斷口電壓差等于零時的發生時刻和每相斷口通過電流過零時的發生時刻；內置了大功率無觸點開關電路，做為驅動斷路器分合閘的執行元件，可準確，快捷，保證斷路器過零合閘與過零分閘。智能過零控制器采用在母線電壓過零時合閘，在電流過零時刻分閘的控制方案。由于真空永磁機構斷路器具有分合閘動作時間一致性好的特點，在一定的環境條件下斷路器的機械運動時間趨于一個常數，可由該裝置的智能單元測量出來。設定其動作時間值為x，當要投入電容器時，按相關過零時刻起，計時等于10-（x/10的余數）時間時，由智能過零控制器給出對應的操作指令，便可以實現電容器過零投切的目的。

我公司于2012年4月利用大修停車機會完成了對電容器投切開關柜的改造，經多次投切實驗，效果良好。通過改造可以極大的降低在投切電容器時，發生操作過電壓的可能性，不僅減少電容器組修理維護費用，延長電容器組使用壽命，更重要的是有效保證供電系統安全和化工生產線的安全穩定性。

因個人技術水平所限，難免有錯誤及紕漏之處，望各位同行多多提出批評指正，也希望本文能對各位同行有所幫助和啟發。