真空断路器投切电容器组产生过电压问题的分析与解决

邓万兴

摘 要：因我公司110kV变电所投切电容器组的断路器为真空断路器，真空断路器虽然一般情况下能满足频繁投切电容器组的需要，但因其在合闸过程中可能出现断口预击穿、合闸弹跳、合闸不同期等问题，在分闸过程中可能会出现单相、亮相重燃、截流等问题，这些问题都会产生严重的过电压，故存在很大的安全隐患。而我变电所所采用的金属氧化物避雷器不能完全有效地吸收真空断路器因上述原因产生的操作过电压，所以只有采取更加有效的措施，从根本上消除操作过电压，才能保证电容器组的投切安全。为了弄清楚真空开关投切电容器组时产生过电压的真正原因，我们就从真空开关的几个关键部分进行一下分析。我公司于2012年4月利用大修停车机会完成了对电容器投切开关柜的改造，经多次投切实验，效果良好。通过改造可以极大的降低在投切电容器时，发生操作过电压的可能性，不仅减少电容器组修理维护费用，延长电容器组使用寿命，更重要的是有效保证供电系统安全和化工生产线的安全稳定性。

关键词：真空断路器；变电所；过电压；投切电容器组

宁夏英力特化工股份有限公司树脂分公司110kV变电所有两台63000kVA的三圈主变，并列运行，35kV侧及6kV侧采用分段运行方式。无功补偿装置接在6kV母线上，每段母线上个两组，每组容量4800kVar。在投运过程中发生过三次严重过电压事故，每次都造成多只电容器击穿及单只电容器熔丝发生群爆。第一次事故是在2008年8月大修后投运2#电容器组时，发生单相过电压。第二次事故发生在2009年2月临时检修完成后，投运3#电容器组时发生过电压。第三次是2011年3月31。两次都为三相相间过电压。在第二次事故发生后采取了在每组电容器组电抗器两端加装过电压吸收装置的措施，希望能抑制、吸收操作过程中产生的过电压。经过两年的运行，虽然该装置起到了一定的作用，在这两年中的投运未發生故障。但在2011年3月31投运时又出现过电压的现象，说明该装置并不能从根本上解决真空开关投切电容器产生过电压的问题。

真空度：我们再从投切电容器组的过程来分析发生重燃的原因：电容器组在被投入的瞬间有个短暂的充电过程，此过程是一个相当于短路的暂态过程，对于正好处于较高电压相位的相来说，会有很大的冲击电流流过开关触头，同时，由于限流电抗器的存在，又会因阻容震荡产生很高的谐波过电压，这是造成电弧成倍增加的根本原因。电容器组在断开前已经被充电，自身具有一定的电压，开关接到分闸指令后断开，电弧熄灭，外部线路为随着时间而不断变化极性的交流电压，因此开关断开后将受反向的电压，使开关断口最大需要承受2倍的正常线路电压，这是比一般的开断过程要严酷的地方；而且切合电容器组时的电流一般较小，不超过数百安培，电流开断过程本身并不存在困难，因此切合电容器组时发生重燃主要是电压击穿的过程。

从以上分析可见，真空开关自身的问题并不是其在投切电容器组时产生过电压的真正原因，过电压的原因是由电容器组的特点造成的。因此，我们可以想象一种理想的状态——在开关触头合、分的瞬间，加在触头间的电压为零，这样，断口预击穿、截流等过电压产生的原因就会迎刃而解。但传统的操动机构（弹簧机构和电磁机构）是一个复杂的机械系统，零部件多，运动环节长，因此运动时间分散性大，响应速度慢，且传统操动机构均为三相共轴运动方式，因而难以在三相交流系统中按时序对各相分别进行精确控制。我公司通过广泛的考察和交流，选择了锦州拓新电力电子有限公司的时间跟踪过零投切式电容器投切专用开关柜。该装置采用检测母线过零时刻接通电容器的控制方案，从而消除电容器投切时产生的涌流和过电压。为准确做到过零控制，设计了一种与分合闸线圈动作时间无关的永磁机构控制器。在该控制器的控制下，断路器分合闸时间仅与断路器的机械运动时间有关。断路器选用永磁真空机构，在环境条件相同的情况下，永磁真空断路器的机械运动特性一致性较好，保证了同步过零投切的准确性。同时电压无功测控、录波单元对断路器的每次动作进行跟踪分析，计算每次动作的分合闸时间，对永磁机构控制器的控制时间进行调整。

1 智能式过零分合闸断路器

由可分相操作的真空永磁机构断路器本体与智能过零控制器组成。真空永磁机构断路器本体是一个由德国特瑞德的每相装有永磁机构的单相真空断路器。即A、B、 C分相断路器，为实现断路器过零分合闸操作，提供了所需的开关设备。

2 智能过零控制器

智能过零控制器是该公司自行研制的一种微机控制装置。内置了开关量采集电路，可以识别断路器的运行状态及有无分合操作的请求；内置了分合闸时间测量电路，可确知每相断路器的分合闸时间；内置了过零检测电路，可确知每相断口电压差等于零时的发生时刻和每相断口通过电流过零时的发生时刻；内置了大功率无触点开关电路，做为驱动断路器分合闸的执行元件，可准确，快捷，保证断路器过零合闸与过零分闸。智能过零控制器采用在母线电压过零时合闸，在电流过零时刻分闸的控制方案。由于真空永磁机构断路器具有分合闸动作时间一致性好的特点，在一定的环境条件下断路器的机械运动时间趋于一个常数，可由该装置的智能单元测量出来。设定其动作时间值为x，当要投入电容器时，按相关过零时刻起，计时等于10-（x/10的余数）时间时，由智能过零控制器给出对应的操作指令，便可以实现电容器过零投切的目的。

我公司于2012年4月利用大修停车机会完成了对电容器投切开关柜的改造，经多次投切实验，效果良好。通过改造可以极大的降低在投切电容器时，发生操作过电压的可能性，不仅减少电容器组修理维护费用，延长电容器组使用寿命，更重要的是有效保证供电系统安全和化工生产线的安全稳定性。

因个人技术水平所限，难免有错误及纰漏之处，望各位同行多多提出批评指正，也希望本文能对各位同行有所帮助和启发。