高压并联电容器组投切开关的选择

2018-01-22顾恒科伍经伟

上海电气技术 2017年3期

冯征，顾恒科，伍经伟，陈磊

1.中国质量认证中心成都分中心成都 610041 2.四川大尔电气有限责任公司四川内江 641000 3.成都诺一工程服务有限公司成都 610016

高压并联电容器组越来越多地应用于电网中补偿无功功率、改善电网功率因数，其特点是实用性较好且维修方便，是系统无功功率补偿最普通、最便宜的设备。对于高压电容器组补偿量的调节，目前大多数采用开关投切的方式来进行，因此，并联电容器组的投切开关就成为电网安全运行的重要设备，其选择与并联电容器组的特点有关[1-7]。

1 高压并联电容器组运行的基本要求

1.1 电容器运行中的允许过电压

电容器的无功功率、损耗和发热都与运行电压的二次方成正比。长时间过电压运行，会导致电容器温度过高，绝缘介质加速老化而缩短寿命，甚至损坏。由于温度升高需要时间来积累热量，而在运行中由于倒闸操作、电压调整、负荷变化等因素，可能引起电力系统波动，产生过电压，如过电压作用时间较短，对电容器影响不大，但不能超过一定时间限度。

电力电容器允许的工频过电压及时间限度规定见表1。

表1 电力电容器允许工频过电压及时间限度

1.2 运行电压对电容器的影响

电容器运行时的电压允许范围如下：电容器必须能在1.05倍额定电压下长期运行；在一昼夜中，在最高不超过1.1倍额定电压下运行时间不超过 6h；当周围空气温度24h平均最高值低于标准 10K 时，电容器能在1.1倍额定电压下长期运行。

1.3 电压波形畸变和升高对电容器的影响

在配电网中，由于整流负荷等的影响，常使部分网络中高次谐波电流增大，并使受端母线电压波形畸变。并联电容使母线电压高次谐波成分增加，根据容抗公式，高次谐波的存在会使容抗下降，产生较大的高次谐波电流，使电容器组严重过电流。

1.4 电容器运行中的允许过电流

电容器的过电流，除了因过电压引起的工频过电流外，还有电网高次谐波电压引起的过电流，因此，设计时电容器允许过电流的限额比过电压的限额要高。电容器长期运行允许的过电流倍数为1.3倍，即可超出额定电流30%长期运行，其中10个百分点为允许工频过电流，20个百分点为留给高次谐波电压引起的过电流。

谐波的限制通常采用裂相整流的方法，如变为12相或36相整流，或采用在电容器回路串联小电抗器的方法。

2 并联电容器组投切开关的基本要求

GB 50227—2008《并联电容器装置设计规范》中规定[8]：用于并联电容器装置的断路器选型，应采用真空断路器或SF6断路器等适合于电容器组投切的设备，其技术性能应符合断路器共用技术要求。此外，还应满足下列特殊要求：① 应具备频繁操作的性能；② 开关时触头弹跳不应大于限定值，开断时不应出现重击穿；③ 应能承受电容器组的关合涌流和工频短路电流，以及电容器高频涌流的联合作用。第②、③条很清楚地说明了不得重击穿和能够开断关合涌流。

3 并联电容器组投切的特点

讨论并联电容器组的投切电流，主要包括以下方面：额定单个电容器组的开断电流、额定背靠背电容器的开断电流、额定单个电容器组的关合涌流、额定背靠背电容器组的关合涌流。

3.1 额定单个电容器组的开断电流

额定单个电容器组的开断电流，是指并联电容器组投切开关在其额定电压和标准规定使用条件下，应能开断的最大电容电流。开断时不得出现重击穿，且操作过电压不得大于2.5倍额定电压(此系统可以有避雷器等防过电压措施)。此处开断电流指开断并联电容器的电流，并联电容器组投切开关的电源侧并没有连接多个并联电容器。

并联电容器组投切开关额定单个电容器组的开断电流，在其铭牌上或者样本参数表上可以查到。真空断路器的开断电流值一般为630A。由此推算单个电容器组的额定电流应不大于425A，开断一相电容器组击穿的容性额定电流为1280A。对于担负电容器组投入工作的并联电容器组投切开关，要求在关合电容器组时不应产生较高的过电压，并能承受由过电压产生的巨大涌流。

3.2 额定背靠背电容器组的开断电流

额定背靠背电容器组的开断电流，是指并联电容器组投切开关在其额定电压和标准规定的使用和性能条件下，应能开断背靠背电容器组的最大电容电流，并且在开断时不得重击穿。在运行中，操作过电压未超过2.5倍规定的最大允许值。此处开断电流指开断一组并联电容器的电流，断路器电源侧连接有一组或者多组并联电容器。由于开断困难，真空断路器的开断电流值一般为400A，那么背靠背电容器组的额定电流应不大于267A，开断背靠背电容器组一相击穿的容性额定电流为 800A。

3.3 额定单个及背靠背电容器组的关合涌流

在投入电容器组的过程中，电容器组的初始电压为零。而在合闸瞬间，电网电压又往往不为零，使加在电容器组两端的电压突然升高，进而产生一个很大的电流，即合闸涌流。这种情况在背靠背电容器组投入时会更严重，甚至可能达到20倍额定电流，不仅会对电网造成冲击，而且影响电容器组的使用寿命。电容装置的接入，会造成电网谐波的过度放大并发生谐振。

参考国家标准的相关要求，高压电容器组补偿投入、切除时需要考虑关合涌流及过电压的问题，对于背靠背电容器组的关合涌流，DL/T 402—2007《高压交流断路器订货技术条件》有明确规定[9-10]，见表2。

表2 背靠背电容器组的关合涌流

关合涌流的大小与电容器组数、电感等有关。在并联电容器组投切开关关合过程中，会使充电的电容器组产生涌流，涌流计算时采用施加电压、回路电容、回路电感的数值和位置，以及回路关合时电容器组上的电荷和操作瞬态过程的阻尼程度的函数。涌流通常是假定电容器组没有初始电荷，并且回路是在产生最大涌流的时刻关合的情况下计算的。对应电容器组不同的连接方式，相关的涌流计算标准也不一样，涌流可由已知的网络阻抗来计算。

图1所示为当已有零个、一个及多个电容器组分别与母线相连时，接入一组电容器时的三种不同情况。当有两个或多个电容器组彼此紧密相连，且互相之间的电感很小时，从减小电容器和断路器涌流的观点来看，与电容器串联阻抗是必要的。

根据DL/T 402—2007附录H，电容器组的涌流计算公式如下。

(1) 开合单个电容器组。

(1)

L0≫L

(2)

(3)

式中：U为系统电压；i为涌流峰值；f为涌流频率；L0为电源电感；L为与被开合的电容器组串联的电感；C为被开合的电容器组的电容，为等效星形接法值。

(2) 一个电容器组已与母线相连时，接入另一个电容器组。

(4)

(5)

(6)

式中：S为涌流上升值。

(3)n个电容器组已与母线相连时，接入另一个电容器组。

(7)

C′=C1+C2+…+Cn

(8)

式中：L1、L2、…、Ln为与电源侧电容器组串联的电感；C1、C2、…、Cn为电源侧电容器组电容，为等效星形接法值。

式(7)、式(8)中L′与C′可以看作图1(b)中的L1和C1。如L1C1=L2C2=…=LnCn，则计算是正确的，在其它情况下则是近似的。

如经过计算关合涌流峰值超过20kA，则应加电抗器或其它阻抗。一般来说，不超过20kA的关合涌流峰值能满足大多数背靠背电容器组的场合。

通常关合背靠背涌流的试验电流为20倍额定背靠背电容器组开断电流，例如：某型号断路器额定单个电容器组开断电流为630A，额定背靠背电容器组开断电流为 400A，那么额定电容器组的关合涌流为 8000A，关合电流的峰值为约20kA，试验次数为 20次。

图1 电容器组连接方式

4 投切并联电容器组开关的探讨

4.1 真空断路器投切并联电容器组

目前，常用经过特殊处理的真空断路器装配成专用并联电容器组的投切开关。真空断路器由于安装方便、易于维护，而得到广泛使用。关于真空断路器用于并联电容器组的问题，具体探讨如下。

4.1.1 真空灭弧室的合闸预击穿

真空断路器在合闸过程中会发生预击穿，使触头烧损，合闸电流越大，预击穿电弧的能量也越大。前面举例谈到，某断路器额定单个电容器组开断电流为630A，额定背靠背电容器组开断电流为 400A，其额定的背靠背关合涌流为8000A。假如都在额定参数内运行，变电站的大多数并联电容器组都是数组并联运行，每天至少要投切2次以上。试验结果显示，合闸涌流幅值越高，对断路器真空灭弧室触头表面带来的破坏作用越大，具体表现为触头表面形成明显突起及面积更大的熔坑，破坏后的触头表面会降低真空灭弧室介质耐受强度，从而增大真空灭弧室容性电流投切的重击穿概率。

合闸涌流幅值为0kA、2kA和5kA时，重击穿概率依次为4.6%、17.9%、30.4%，当合闸涌流幅值增大到10kA时，在几次试验操作后，真空断路器因触头熔焊而无法开断。此外，高幅值的合闸涌流会使真空断路器容性电流投切的重击穿发生时间提前。

4.1.2 真空断路器的合闸弹跳

真空断路器的触头为对接式结构，合闸时有弹跳，弹跳时间规定为不长于2ms，合闸弹跳将产生过电压。

身处于福建教案漩涡中心的艾儒略，是继利玛窦之后，最为著名的耶稣会传教士，他在福建传教事业的成功不仅应当归功于耶稣会的“合儒”政策和其过人的学识及宗教献身精神，更应当功于福建官员和大量底层知识分子和教徒的支持[注]艾儒略在闽交往的人物达到200多人。林金水：《艾儒略与福建士大夫交游表》，《中外关系史论丛》1996年第5辑，第182—203页。。

真空断路器合闸时发生弹跳不仅会产生较高的过电压，影响整个电网的稳定，更重要的是对触头产生烧损甚至熔焊，这在投入电容器组产生关合涌流时将更加严重。涌流越大，预击穿的电流越大，所产生的预击穿电弧能量也越大，弹跳的时间也就越长。真空电弧的燃烧时间越长，触头烧损就越严重。

真空电弧是一种高温等离子体，弧体温度可达7000～8000℃，燃弧时间的增加使触头表面熔化的深度和广度都会增加，合闸时就会造成两触头液面接触，瞬间冷却后两触头便焊在一起，这种熔焊靠断路器操作机构的分闸力是拉不开的。熔点小时，分闸即使能拉开，但仍然常常会把触头表面拉变形，使触头表面形成洼坑，从而使投切电容产生重击穿。开断电容补偿装置时，发生单相重击穿，电容器高压端对地产生过电压，其程度可能超过4倍母线相电压幅值。

4.1.3 分闸反弹引起重燃击穿

真空断路器在分闸过程中，由于行程短、分闸速度快，动触头在机械特性调整不良的情况下会发生反弹，常常导致反弹击穿。由于电流与电压相位相差90°，当电流过零时，断口电压最高，易发生电弧熄灭后的重击穿，为了减少重燃的概率，分闸的速度也应较大。实际上对开断能力影响最大的是初始分闸速度，而不是平均分闸速度，但分闸速度越快，反弹也就越厉害，反弹造成的重击穿概率大大增加。

4.1.4 真空灭弧室截流值引起的过电压

由于真空灭弧室的特性，电弧的熄灭不是在电流过零时熄灭，而是过零前突然截断，从而产生截流过电压，此时过电压一般为3倍相电压左右，此过电压将对电容器组产生绝缘老化破坏。另外，如果电容器组使用在有3～5次谐波的环境中，即电容器补偿兼具滤波，真空灭弧室截流值造成的过电压还会使断路器自身发生绝缘闪烁击穿事故。

4.2 真空接触器投切电容器组

真空接触器开关电容器组会产生与真空断路器开关电容器组相似的问题，即涌流和重燃现象。

在标准JB/T 7122—2007《交流真空接触器基本要求》[11]中，额定工作电流Ie用于通断单独电容器组。电容器组安装处的预期短路电流为Ik，Ie的最高浪涌电流峰值Ipmax由式(9)导出：

(9)

式中：Ue为额定工作电压；XC为电容器组电抗；XL为电路短路阻抗。

由此可以看出，电容器预期的短路电流小于Ik，对于单个电容器组有可能使用真空接触器，对于背对背电容器组真空接触器则不能进行开断。

4.3 负荷开关投切并联电容器组

一般情况下，普通的负荷开关不能投切电容器组，只有专门投切电容器组的开关才可以，国家标准有此规定，且只能用于单个电容器组。

4.4 SF6断路器投切并联电容器组

中压SF6断路器的灭弧原理一般分为压气式、自能吹弧式、混合式三种类型。压气式开断电流大，但操作力也大。压气式又分为单向吹弧和双向吹弧，双向吹弧灭弧能力强，气体交换冷却快，散热好。自能吹弧式开断电流小。混合式是两种或三种原理的组合，主要通过增强灭弧能力来增大开断电流，同时又能减小操作力。

压气式SF6断路器利用断路器开断过程中活塞和气缸相对运动压缩气体形成吹力而熄弧。图2为压气式SF6断路器双向吹弧灭弧原理。

图2 压气式SF6断路器双向吹弧灭弧原理

自能吹弧式SF6断路器利用电弧自身产生的能量形成吹弧，开断能力受电流大小的影响，且分为热膨胀式和旋转式两种。图3为自能吹弧式SF6断路器灭弧原理。

图3 自能吹弧式SF6断路器灭弧原理

混合式SF6断路器结合了旋弧、热膨胀和活塞气吹原理。旋弧利用被开断电流流过线圈产生磁场，驱动电弧高速旋转，电弧不断接触新鲜的SF6冷却气体，最终熄灭。

图4为混合式SF6断路器工作原理，开断大电流时采用旋弧加热膨胀吹弧方式，开断小电流时则采用活塞气吹方式。

SF6断路器投切并联电容器组总结如下：① 触头结构采用动静触头插入式，不同于真空断路器触头平面对接结构，因此无合闸弹跳产生；② SF6断路器动触头采用绝缘喷嘴结构，压气式的气缸在合闸过程中吸气，在触头处形成倒吹弧，使预击穿电弧大大减小，因此产生的涌流过电压也较低；③ SF6断路器的灭弧是电流过零后熄弧，因此没有截流值，也就没有截流过电压；④ 由于电流过零时熄弧，加之SF6气体绝缘强度较高、触头开距大，使断口间的绝缘强度迅速恢复，因此产生重击穿的概率很低，几乎不会产生；⑤ 因SF6断路器开距大，分闸时也就没有反弹重击穿过电压产生。