摘要：随着电网结构及负荷的日益变化，投切10kV并联电容器组过程中事故频发，本文从实际故障特征出发，通过理论研究和现场试验分析相结合的方式，对10kV并联电容器组在分、合闸过程中暂态过程进行分析，以期对电容器投切试验提出指导意见。
关键词：真空断路器；电容器组；投切试验
电压幅值和频率是衡量电能质量的两个最基本的指标，电压频率与有功功率相关，而电压幅值取决于无功功率。为了保证供电电压的幅值和频率指标稳定在正常范围之内，就必须保证电力系统的有功功率和无功功率保持正常，即稳定正常的功率因数。当电网无功功率不足时，就会出现母线电压下降，电气设备利用效率降低，造成电能损耗增加的情况，严重时导致电网设备损坏，造成电压崩溃及大面积停电。
控制功率因数的重要方法就是根据电力系统的负荷特点，对电力系统进行无功补偿。目前，国内外较普遍地采用并联补偿电容器，即在变电站的变压器低压侧安装低压并联电容器，由于电网负荷时刻在发生变化，就要求配电网所并联补偿电容器根据负荷需要改变电容投入量。因此，并联电容器的单位操作量越来越频大。然而，由于断路器不能做到精确控制，就不可避免地带来操作过电压、过电流的问题。在10kV系统中时常发生电容器损坏、断路器炸裂等事故。
为了准确分析事故发生的原因，找到解决问题的方法，有必要对投切并联电容器的暂态过程进行研究，力图寻找操作过电压与过电流的暂态变化规律，寻找故障的原因所在。
1、真空断路器简介
真空断路器由真空灭弧室、操作机构、传动机构、控制回路、绝缘结构等组成，运用真空灭弧机理，通过操作、传动机构驱动，使高压回路中的动触头在真空介质中与静触头对接闭合或分开，以实现对于高压回路的控制。
真空断路器在操作过程中具备以下优点：
⑴ 电弧的燃烧与熄灭都是在密闭的真空灭弧室中进行，电弧和炽热气体不会向外界喷溅，不象油断路器可能发生燃爆，使用极为安全。
⑵ 真空断路器触头行程很短，操动机构功率较小，操作过程中振动小、噪声低，便于小型化。
⑶ 真空介质中电弧燃烧时间短、能量小，降低了触头的电磨损量，因而分断次数多、电寿命长，特别适合于频繁操作和快速切断的重任务工作。
当前，真空断路器进一步趋向小型化、智能化、低重燃率和专业化。其中，低重燃率产品就是针对运行中真空断路器可能发生开断重燃的问题而研发的，特别是在投切电容器组设备过程中，其重燃发生机率比普通产品低的多。
2、重燃与过电压现象的简介
无功补偿装置—电容器组正常运行时，其工作电流一般只有数百安培。但由于电容器未充电时容抗很小、投入时会在回路内产生过渡过程，形成瞬时的浪涌电流；此外由于电容器具有储能特性且电源相位变化迅速，开断后还可在断路器断口两侧迅速形成很高的恢复电压。因此对于投切电容器组的断路器来讲，容易使操作的断路器在关合时触头被烧损；同时开断小负荷电流过后的断口可能被迅速增长的恢复电压击穿、再次燃弧，即造成“重燃”现象。
一旦真空灭弧室绝缘性能较正常水平下降、或断口恢复电压较高，则容易在电容器工频电流开断后发生真空间隙的重燃现象。加之真空介质的高频熄弧能力很强，因此断口间可能发生“击穿燃弧-再熄弧”的过程，致使电源电压和电容器储能电压在电容器上叠加放大、从而形成超过额定工作电压幅度的过电压。过电压可以直接对回路内各处具有电气联系的设备或装置造成绝缘破坏，酿成击穿短路、爆炸燃烧、大范围停电等恶性事故。
3、真空断路器投切电容器组的理论研究
3.1真空断路器关合电容器组的过电压
在真空断路器关合电容器组的暂态过程中，由于初始状态下，电容器上电压不能突变，线路电感与电容器间产生的电磁振荡会在50Hz的系统电压上再叠加一个振荡电压，其电压峰值取决于电容器组投入时系统电压的瞬时值和电容上保持的电压值。当ϕ=900 瞬间关合时，电容器上过电压幅度最高，根据电容器上原保有的U0电压幅度和极性不同，这个过电压值理论上在1-3Gm之间。由于电容器组在运行时都装有放电装置，在每次投入前保有的残压基本为0，因此正常投入时电容器组时的极间过电压一般不会超过电源电压的两倍。
3.2真空断路器开断电容器组的恢复电压和重燃过电压
真空断路器分闸后，工频电流一旦自然过零电路即断开，此时电容器储存有开断前瞬间的电源电压幅值和极性，随着电源相位的快速变化，两者会在真空断路器动静触头两侧形成较高电压差，这一压差称为恢复电压。恢复电压一旦击穿真空间隙，电源和已充电的电容器组之间会瞬间接通、两者的电压在电容器上叠加，如果极性相反则幅度会相加放大、从而形成重燃过电压。
更为严重的是，在整个分闸过程中重燃还可能多次出现，则电源与电容器间发生断开、接通、电容电压升高并保持、再断开的重复过程，可能不断继续着真空断口两侧恢复电压和电容器过电压叠加放大的情况。因此，真空断路器操作电容器组时幅度最高、危害最严重的过电压发生在分闸阶段。
下面以电容器组投切过程进行理论分析，真空断路器开断电容器组电路时的电流电压波形如图1所示，其中：UG—电源电压；UGc—电源侧触头电压；Uc—电容器上电压；Ucc—电容器侧触头电压；iC—电容回路电流。
图1 电容器回路开断时的电流电压波形
t=0时真空断路器动静触头分离后，UG≈Uc，UGc≈Ucc，当t=t1时，真空断路器断口间在开断瞬间的电压差值ur（t1）=− UGc−（- Ucc）≈0，恢复电压近乎为零，所以t1时刻真空断路器开断电容器回路过程中，断口间的燃弧很短时间内就熄灭了。此后电源电压仍按交流正弦波形变化，到t2时刻，ur（t1+π/2）=UGc+Ucc=2UGm。
也就是说，在短短 10ms 的时间内真空断路器断口间的电压就从一个低（零）值迅速升高到了电源电压峰值的两倍。如果此时断口的真空介质绝缘恢复速度赶不上恢复电压的上升速度，则断口就会被再次击穿、电弧重新燃烧。这种情况近似地相当于电压为UGm的直流电源经电感突然加在电压为-UGm的电容器上，电容上将出现振荡电压，其值为：uc= UGm-2 UGmcosw0t。同时弧隙中通过 105-106HZ 的高频浪涌电流iC’。
图2 真空断路器开断电容器回路的重燃电流及电压波形
高频涌流iC’在其第一次过零时，电容器上的电压UC恰为最大值，即UC=UGm-（-2UGm）=3UGm。如果真空断口之间的高频涌流在其第一次过零时既被真空介质熄灭，则电容器上的电压将达到并保持3UGm暂不改变。也就是说，在真空断路器发生第一次重燃后，作用在电容器上的电压将达到电源电压峰值的3倍，从而产生了3倍的过电压。
这时，作用在真空断路器断口间的电压，在熄弧瞬间也达到3UGm。然后断路器的恢复电压又将上升，这样再经1/2周波后，最高恢复电压将达到UGm+3UGm=4UGm。更高的恢复电压显然很可能在这一瞬间使真空断路器触头间再次发生击穿，同理此时作用在电容器上的重击穿过电压就达到5UGm，即电容器组上出现5倍过电压。
以此类推，若进一步发生第3次、第4次及至更多次重燃，且每次重燃都出现在最高恢复电压（2UGm、4UGm、6UGm、……）时，则理论上电容器组上将遭受7倍、9倍及至以奇数倍增长的重燃过电压的危害。由此可见，真空断路器发生开断重燃、特别是多次重燃是非常有害的，可达数倍的过电压也会严重损害电容器组及电网中其它设备的绝缘，造成电力事故。同时，断路器触头中将流过频率很高幅值很大的电流，比电容器组关合时的涌流还大，造成的触头烧损甚至熔焊可能更为严重。
3.3恢复电压和过电压的影响因素
3.3.1初始相位角ϕ 对过电压的影响
实际上，真空间隙在首次电流过零熄弧后的重新击穿不是都会导致电容器上出现过电压。通过研究表明，也仅有真空断口被重新击穿发生在电流过零后1800相位角（10ms）的瞬间，恢复电压才能达到最大值、并导致一次重燃下的3倍过电压。
其实在电流过零后 0～10ms 时间范围以内，真空断口任何时刻均存在被重新击穿的可能性，只不过击穿时刻不同，是否产生过电压的结果不同，产生过电压的大小也不同。
3.3.2分闸相位对过电压的影响
普通真空断路器在分断电容器组时，动静触头切断工频电流的瞬时相位角是随机分布的，而电弧一般总在工频电流自然过零时才熄灭。因此，分闸时的相位角越小，说明动静触头分离时间点和工频电流自然过零点之间的时间间距越长，由于此时真空断路器仍处于分闸过程中，则时间间距越长表明动静触头在这一时间段内分离的距离也越大，当然真空断口也就具有了更高的介质绝缘恢复强度，从而可以更好的避免分闸过程中重燃的发生和过电压的出现。
在不具备选相同步操作功能的真空断路器使用条件下，每次动静触头切断电容电流的瞬时相位角是不同和不可控的。因此，即使同一台真空断路器每次开断电容器组时的过电压值都不会相同。
3.3.3高频电弧熄灭过程对过电压的发生及幅度的影响
只有每次重击穿发生后，高频电流总是在第一次过零时灭弧，而且每次重击穿又都出现在断口恢复电压为最大值时，过电压幅度才按奇数倍的极端情况增长。
由于恢复速度很快，真空介质本身具有十分优良的熄灭高频电弧性能。特别对于开断电容器组时形成扩散型电弧的高频熄灭能力很强，真空介质更易使重燃后的高频电弧在其首次变化到零点时即被切断。此后如果导致真空灭弧室“重燃”的条件依然存在，高频电弧还会再生，理论上这种高频电弧熄灭、再生的情况可以重复多次。因此，使用真空断路器投切电容器时完全有可能具备产生“级升”过电压的必备条件，过电压幅度也会达到非常危险的水平。
4、真空断路器投切电容器组的试验研究
本节依据理论分析结论，在某110kV变电站搭建10kV并联电容器的操作试验平台，其中采取的实验性改造措施是：1）安装电压、电流传感器；2）模拟多种断路器操作；3）安装信号采集装置。针对合闸和分闸等两种操作方式后的暂态过程进行研究。
（建议根据实际重画）
图3 110 k V某变电站 10 k V 母线系统一次接线图
其中，现场试验中采用型号为VS1-12的真空断路器。并联电力电容器型号为TBB10-5010/334-AKW，中性点不接地接线方式运行。串联电抗器的电抗为电容器容抗的5%。
（1）合闸暂态过程
合闸过程中，高幅值的合闸涌流是最具有危害性的，合闸过电压倍数一般仅为2倍稳态相电压幅值，远远小于电弧重燃过电压。合闸暂态过程有可能发生电弧预击穿现象，从而大大抬高合闸过电压的幅值。本试验随机进行合闸试验，合闸暂态过程中预击穿的发生概率不高，也未出现多次电弧预击穿现象。试验数据发现，在合闸暂态过程中预击穿只发生一次，随后动静触头已经接触，合闸暂态结束。典型合闸涌流、电容电压波形图如图4、图5所示。
图4 合闸涌流波形
依据图4可知：合闸涌流的峰值约为 5.3 倍稳态相电流幅值，高频段的等效振荡率约为233 Hz。合闸涌流衰减迅速，暂态持续时间仅为100~110 ms，即在合闸后五个工频周期电路就趋于稳态，由此可见试验回路的衰减常数相当大。
图5 合闸电容电压波形
图 5所示为合闸操作的电容电压波形，最大合闸过电压出现在 C 相，峰值高达 19 kV（约为 2.3 倍稳态相电压幅值）。电容电压衰减迅速，持续时间小于合闸涌流，在 50 ms 内已经趋于稳态。
因此，对于合闸操作暂态而言，合闸涌流对于合闸过电压来说更具有危害性，较长时间的过电流导致的发热应该是断路器合闸操作真空室炸裂等合闸事故最为可能的原因。
（2）分闸暂态过程
在总操作数约为50的随机分闸操作试验中电弧重燃的次数为4次，重燃率仅为8.25%。4次电弧重燃皆未出现多次多相电弧重燃，且重燃过电压偏低。分闸暂态过程中断路器触头间恢复电压很快衰减，无法有效激发电弧重燃。未发生重燃、发生重燃的分闸过电压的断路器负载侧的典型波形如图6、图7所示。
图6 未发生重燃的电压波形
图7 发生重燃的电压波形
由图6可知，未发生重燃时负载侧电压下降很快，能量衰减异常迅速；如图7所示，电弧重燃时电压出现了明显变化，最大电压值出现在 B 相，峰值为2.6 倍稳态相电压幅值。电弧熄灭和电弧重燃时刻在断路器负载侧电压的高频振荡极为不明显，振荡幅值较小且持续时间较短。本次电弧重燃未发生在触头间隙很小，触头间介质强度还尚低的触头分离初期，发生在首开相过零后 90.9 ms。此时断路器的动触头出现高弹振幅的情况下，也极易出现电弧重击穿现象。
图8电容对地电压及中性点电压波形
电容电压、中性点电压波形如图8所示，电容电压的暂态特征与断路器负载侧电压一致，重燃后电容器出现峰值为 4 倍稳态相电压幅值的相地过电压。中性点在电弧熄灭、电弧重击穿等两个不同的分闸暂态阶段出现了不同电位偏移。首开相过零后，中性点电压变为后两相的电位中点，电位约为 4.2 k V。A 相电弧重燃，中性点电压偏移至 19.5 k V。
因此，多次电弧重燃是高幅值分闸过电压的主要成因。相对于 40.5 k V 及以上真空断路器，12 k V 真空断路器的系统电压低，恢复电压上升速率相对较低，而断路器触头的分断速度相对减小不大，恢复电压上升速率变化远小于介质强度恢复速率。因此，12 k V 真空断路器的发生多次多相电弧重燃的几率相对较小。
然而当电弧重燃时，电容器会通过电缆、断路器再次与电源相接通，其暂态过程可等效为一个幅值为击穿电压的电压波由电缆向电容器传播，会产生的相应电流波。重燃时产生的高频电流波形如图9所示。
图9 重燃时断路器触头电流
图9所示为重燃产生的高频电流波形，此时断路器将承受高幅值高频电流，当电弧在高频过零点灭弧时，即电流强制过零时，将发生“虚拟截流”现象。本次试验操作未出现电弧重燃后的“虚拟截流”，产生过电压而引发多相多次电弧重燃。
同时，分闸暂态过程中的电弧熄灭和电弧重燃，会造成系统母线电压波动，如图10所示。
如图10所示，母线电压出现了两次电压振荡：在电弧熄灭时刻（t=0.045~0.05 s 间）和电弧重燃时刻（t=0.138 s 时）。其中，电弧熄灭时振荡较缓和，在重燃时的振荡尤为明显，母线电压振荡强烈，频率高为 39 k Hz，且出现了峰值约为 3.8倍稳态相电压幅值的过电压。
综上所述，分闸操作暂态过程发生电弧重燃是产生分闸过电压的内因，在出现多次电弧重燃时电容器处、断路器处及母线处都会产生极高的过电压，进而出现电容器损坏、断路器爆炸等绝缘事故。
5、结束语
本文为分析投切10kV并联电容器过程中所引发真空断路器、电容器故障的原因，对分合闸暂态过程中电压、电流的暂态变化规律进行了理论分析和现场试验研究。主要研究结论如下：
（1）正常投入时电容器组时的极间过电压一般不会超过电源电压的两倍。真空断路器在分闸阶段会产生幅度最高、危害最严重的过电压。
（2）初始相位角、分闸时间以及高频电流的熄灭过程会对过电压产生影响。
（3）通过现场试验研究，发现合闸涌流容易受到操作方式、系统状态等因素的影响下，极端情况下产生极高幅值的过电压，试验实测可达5.3倍。从而导致断路器真空室的过度发热引发真空室炸裂；电弧重燃及相继出现的“虚拟截流”、三相多次重燃都会产生极高的过电压，试验实测：单次单相重燃时，电容过电压峰值最高为4倍稳态相电压幅值。由此可得，合闸涌流、重燃过电压是引发合闸、分闸操作时断路器、电容器故障的最可能原因。
（4）需要进一步研究电容器投切过程由于断路器合闸后快速分闸操作、母线侧对地电容变化时暂态过程。
参考文献：
[1]廖明，王季梅.10kV真空断路器击穿特性的研究[J].中国电机工程学报，1989，9（4）：12-14.
[2]方瑜.配电网过电压[M].水利电力出版社.1994.
[3]陈维贤.内部过电压基础[M].水利电力出版社，1981.
[4]李本宁.电力电容事故分析及防范措施[J].电工技术，1999（5）：007.
[5]倪彤辉.高压并联电容器保护配置研究[D].保定：华北电力大学硕士学位论文，2008.
[6]王永源.并联电容器中电容损坏特征与过电压保护研究[D]：华南理工大学硕士学位论文，2010.
[7]安韵竹，文习山，张婷婷，等.SF6断路器预击穿引起并联电抗器合闸过电压的原因及防护措施[J].高电压技术，2013，39（1）：75-80.
[8]杜宁，关永刚，张景升，等.40.5kV真空断路器开断并联电抗器的现场试验[J].清华大学学报（自然科学版），2010，50（4）：517-520.
作者简介：
李汉锋（1980.10.02），性别：男；籍贯：广西玉林；民族：汉；学历：本科、学士；职称：高级工程师；职务：生产与科技管理专责；研究方向：变电、科技创新；
论文作者:李汉锋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/1
标签：过电压论文; 电压论文; 电容器论文; 电弧论文; 断路器论文; 电流论文; 电容论文; 《电力设备》2018年第11期论文;