基于真空斷路器投切并聯電容器的過電壓分析及防護探究

鐘健強

摘 要：為了滿足系統穩定和電能質量要求，變電站內的無功補償裝置應優先考慮采用投資少，損耗小并且可分組投切的并聯電容器。本文首先分析真空斷路器的結構，再基于真空斷路器投切并聯電容器過程中產生過電壓的原理，探究過電壓防護的有效措施。

關鍵詞：真空斷路器；并聯電容器；過電壓保護

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A

為了減少線損，提高電能質量及功率因數，大部分的變電站裝設了大容量的并聯補償電容器組，其可隨著系統的電壓和功率的變化自動投切。并聯電容器裝置是由并聯電容器和相應的一次及二次配套設備組成，并聯連接于三相交流電力系統中，能完成投運的一套設備。其一般裝設在變壓器的低壓側，當條件允許時，應裝設在變壓器的主要負荷側。并聯電容器裝置應設置滿足電容器投切要求的專用斷路器或負荷開關，目前國內一般選用真空斷路器。本文首先介紹真空斷路器的結構，在此基礎上分析其投切過程容易產生的涌流和重燃兩大問題，并提出了優化措施。

1.真空斷路器

真空斷路器的滅弧介質和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質都是真空，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真空泡滅弧室，滅弧性能比油和SF6氣體作為介質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：一是體積小、質量輕；二是觸頭開距小，只有10mm左右，分合閘行程短；三是燃弧時間段，且與電流無關。燃弧后觸頭間隙介質恢復快；四是觸頭的電氣壽命長，額定電流開斷達5000次以上，適合于頻繁操作；五是適用于開斷容性負荷電流。所以，真空斷路器在電容器組的頻繁投切操作中應用非常普及。

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存在3個問題：截流過電壓、復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，由于真空斷路器的截流作用，電容器組由于其串聯的電抗線圈及雜散電容中的能量在回路中發生高頻振蕩作用產生很高的恢復電壓。

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

2.2 重燃過電壓

斷路器重燃是指退出電容器組的時候，斷路器的斷開間發生重燃并產生過電壓，危害電容器組及相關設備。在自動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，當電流過零點時電弧熄滅，Uc=-Usm，但電源電壓以正弦規律變化，真空短路器的斷口兩端的恢復電壓Uf=Us-Usm。當電源電壓達到峰值時，恢復電壓Uf=2Usm。若斷路器的斷口介質絕緣強度不夠，就會發生擊穿，而產生斷路器重燃。重燃發電時將產生高頻振蕩，若電弧在高頻電流波形的過零時熄滅，電容電壓將達到最大值，Uc=3Usm，并保持不變。當電壓到達下半峰值時，斷口的恢復電壓Uf=4Usm，電容電壓可高達Uc=5Usm。因此重燃產生的高電壓將嚴重威脅電容器組及斷路器等設備的絕緣。

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容易產生位移，導致重燃過電壓會更高。而分閘時相位具有隨機性，相位越大出現重燃過電壓的幾率越高。同時，電源容量越小，重燃過電壓的幅值也就越高，對真空斷路器的考驗越大。

2.3 復燃過電壓

復燃過電壓是指真空斷路器在投切電容時，負荷側的暫態電壓和上升率大于真空斷路器的斷口的絕緣介質的恢復速度和能力，電弧將斷口擊穿并產生復燃。復燃相上有很高的過電壓，并在其他相上感應過電壓。若出現高頻暫態電流過零點，真空斷路器會再次滅弧截流，但若重復出現上述現象，將不斷重復“擊穿—滅弧”的過程，直到真空斷路器的絕緣強度足夠大而停止。負荷側的暫態恢復電壓及其上升率越高，斷路器發生復燃過電壓的幾率越大。

3.防護措施

截流過電壓主要是由于投入電容器組時真空斷路器合閘過程中，與電容器組串聯的電抗和雜散電容之間發生諧振而產生的過電壓。而同樣，在電容器組分閘的過程中，重燃和復燃產生過電壓。過電壓損害電容器組及其相關設備，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，一般在串聯電抗側加裝阻容裝置、避雷器或并聯電容器的方法，降低過電壓的幅值和頻率來抑制截流過電壓。其中避雷器的技術比較成熟且成本低、體積小及安裝方便，可有效防護真空斷路器在合閘過程中產生截流過電壓，在串聯電抗側安裝避雷器時廣泛應用好方法，而選中避雷器時一般都選用氧化鋅避雷器，其具有以下優點。

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作電壓（對設備絕緣有害的過電壓），比碳化硅避雷器負擔輕；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，質量很輕，結構簡單，維護方便。所以一般都是裝設氧化鋅避雷器以保證電容器組的正常運行。同時，在真空斷路器正式投入運行前應該進行大量的彈跳試驗和重燃率試驗和老練一段時間以減少重燃次數。

結語

截流過電壓、斷路器重燃和復燃是真空斷路器投切電容器組時最常見的問題。本文在介紹真空斷路器結構的基礎上，詳細分析這三大問題并提出了優化的措施，對電容器組的投切操作的保護有積極的意義。

參考文獻

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