并联电容器组用避雷器吸收能量试验研究

王 勇，陈 伟，劳斯佳

（1.国网陕西省电力检修公司，西安 710048；2.国家电网公司，北京 100031；3.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

并联电容器组及其避雷器组通常均采用星形接线方式，避雷器组的中性点接地，而电容器组的中性点不接地，见图1。避雷器仅用作电容器组相对地过电压保护，但对电容器组相对中性点的过电压不能起到保护作用[1-2]。如果要对电容器组相对中性点过电压进行保护，则必须将避雷器与电容器组直接并联，而电容器组的容量非常大，避雷器需要具有非常高的能量吸收能力，否则很容易发生爆炸，这就极大地增高了避雷器的制造难度和安全隐患[3-5]。因此，我国现行并联电容器装置标准中规定，不允许采用避雷器与电容器组直接并联的接线方式[6-7]。

当电容器组相对地之间产生较高过电压时，避雷器会动作吸收能量。避雷器吸收能量的能力应该满足在最高过电压水平时注入避雷器的能量[8-9]。图1中避雷器的吸收能量理论上相对较小，我国目前关于该避雷器能量的设计主要凭借经验，裕度相对较大，缺少系统的研究和试验验证[10-12]。

图1 并联电容器装置用避雷器接线方式Fig.1 Wiring of shunt capacitor installation arrester

笔者建立了10 kV并联电容器组重击穿模拟试验平台，通过选相技术，模拟出相对地产生最高过电压水平的工况，实际测量得出避雷器上的电压波形与电流波形，并计算得到注入避雷器的能量，分析影响避雷器吸收能量的因素，为工程设计提供技术支撑。

1 避雷器吸收能量试验方法

并联电容器组的避雷器仅用作操作过电压保护，对于雷电冲击残压没有要求[13-14]。电容器组的操作过电压包括合闸过电压和分闸过电压。研究表明，在不考虑衰减的条件下，电容器组正常合闸时的最大合闸过电压为2Um（Um为电容器组的额定电压峰值）[15-17]。对于电容器来说，峰值为2Um的操作过电压是安全的，避雷器不需要动作保护[18-20]。而且随着断路器制造水平的进步，合闸弹跳引起的过电压问题也已可以忽略不计[21-22]。因此，设计避雷器能量时可以不考虑合闸过电压的影响。

电容器组用避雷器主要对分闸过电压进行保护。研究表明：电容器组正常分闸时，相对地最高过电压峰值理论上为1.5Um，但是当分闸出现重击穿时，相对地最高过电压峰值理论上可以达到5.87Um[23-25]。另外，由于电源为中性点不接地系统，允许单相接地情况下运行2 h，所以理论上存在单相接地后电容器组开关分闸重击穿的情况，但发生这种工况的概率很低，而两相重击穿概率更低[26-27]，因此，本文仅对单相重击穿进行模拟试验。

笔者在大功率试验站开展了10 kV并联电容器装置分闸重击穿模拟试验，采用实际工程中运行的电容器组作为试品，选取典型工况进行试验，实际测量分闸重击穿过程的电压和电流波形，计算得出避雷器吸收能量。

试验方案见图2。在试验过程中，利用PEM CWT6 LF罗氏线圈测量主回路电流，灵敏度为5 mV/A，可测电流峰值为1.2 kA，频率范围为0.27 Hz～6.5 MHz。利用Pearson101线圈测量流过避雷器的电流，灵敏度为10 mV/A，最大测量电流峰值为50 kA，频率范围0.25 Hz～4 MHz。利用NRV-150宽频分压器测量避雷器两端电压，最高直流耐压150 kV，频率范围0～20 MHz。利用示波器对6路电流和3路电压信号进行录波，采样频率5 MS/s。

图2 分闸重击穿模拟试验方案原理图Fig.2 The schematic of restriking simulation test program

图2 中，K1为试验站原有断路器，K2为本次试验电容器装置配套投切断路器。由于目前断路器分闸重击穿的概率很低，为了提高试验效率，并准确控制重击穿的相位，采用真空断路器与真空触发开关（TVS）并联的方案，当断路器K2电流过零熄弧后，经过设定的时间后触发TVS导通，模拟断路器分闸重击穿，并实现精准控制重击穿相位。L为电容器组串联电抗器，C为三相电容器组主电容，C0为电容器组中性点侧对地电容。

试验电源由3台冲击试验变压器通过接线形成三相变压器，变压器高压侧为220 kV星型接线，低压侧为12.7 kV三角形接线，单相冲击试验变压器的参数见表1。表1中变压器型号为IDJ-60000/220。

表1 单相冲击试验变压器参数Table 1 The parameters of single phase impact test transformer

为了避免K2在试验过程中发生重击穿，影响TVS的正常工作，K2选用35 kV真空断路器，以确保其不会发生分闸重击穿。35 kV真空断路器K2的技术参数见表2，表2中真空断路器的型号为ZKTC 100/35。TVS结构见图3。

表2 35 kV真空断路器主要技术参数Table 2 The main technical parameters of 35 kV vacuum circuit breaker

图3 真空触发开关（TVS）结构示意图Fig.3 The schematic of vacuum trigger switch

根据触发间隙的主电极结构，触发间隙主要分为平板电极、棒状电极和运动电极结构等。按触发方式分为沿面击穿和场击穿型，按应用场合分为接通型和合分型。目前应用较多的是平板电极和棒状电极，触发间隙一般采用沿面击穿。本次试验所用TVS采用平板电极，触发间隙采用沿面触发。TVS主要技术参数见表2。

试验用10 kV并联电容器组额定容量为4800 kvar，电容器单元每相8台，4并2串，外壳直接接地。电容器单元型号为BAM11/2/√3-200-1 W，额定电压11/2/√3 kV，额定容量200 kvar，额定电容64 μF。干式空芯串联电抗器型号为CKCKL-80-10-6，额定容量80 kvar，额定电压10.5 kV，额定电流210 A，额定电感值5.69 mH，直流电阻为80 mΩ。避雷器型号为YH5WR-17/45，标称电流5 kA，额定电压17 kV，伏安特性曲线见图4。

图4 避雷器伏安特性曲线Fig.4 The volt-ampere characteristic curve of arrester

2 避雷器吸收能量试验结果

2.1 正常分闸试验结果

根据上述试验方案开展电容器分闸试验，随机选择分闸时间，多次重复试验得到试验波形的形状是类似的，典型分闸试验波形见图5。

图5 正常分闸下的主回路电流和电容器相对地电压Fig.5 Main circuit current and the phase-to-earth overvoltage under normal opening

由图5可看出，电容器组主回路电流峰值约为304 A，A相电流先过零熄弧，5 ms后B、C相同时过零，A相电压最高，峰值为17.8 kV。

2.2 单相重击穿试验结果

考虑最严重的情况，开关在反相电压峰值时重击穿，即TVS在首开相电流过零10 ms后触发导通，得到典型试验波形见图6。

由图6试验结果可看出，主回路电流A相先过零熄弧，5 ms后B、C相电流过零熄弧。在A相过零熄弧后10 ms，A相TVS触发导通，模拟单相重击穿，最大过电压出现在A相的前一相，即C相。最大过电压峰值为38.96 kV，避雷器电流峰值为71.22 A，避雷器电流持续时间约为252.4 μs，通过电容器相对地电压和避雷器电流曲线进行积分，得到避雷器吸收能量为243.0 J。

图5和图6是试验过程中的典型波形，经过多次重复试验，并变换TVS触发时延得到试验统计结果见表3。

结果显示，TVS延时10 ms触发情况下，过电压最高峰值为38 kV左右，避雷器电流峰值为71 A左右，避雷器电流脉宽为250 μs左右，避雷器吸收的能量为242 J左右。

3 结论

搭建了10 kV并联电容器装置分闸重击穿模拟试验平台，开展了重击穿模拟试验，得到了电容器组开关正常分闸与分闸重击穿两种情况下的电流波形和电压波形，并通过曲线积分的方法得到了避雷器的吸收能量。经过多次试验证明了试验结果的正确性和可重复性，结果表明：

图6 分闸单相重击穿时主回路电流和电容器相对地电压Fig.6 Circuit current and the phase-to-earth overvoltage under restriking

表3 试验结果统计Table 3 Test results statistics

1）通过在断路器两端并联TVS，可以模拟断路器分闸重击穿，并可以精确控制重击穿的相位。

2）电容器组开关在反相电压峰值处发生重击穿时，电容器组相对地的过电压水平最高为38.96 kV，避雷器吸收的能量也最高为243.0 J。

3）10 kV、4800 kvar并联电容器装置在最严重情况下发生单相重击穿过电压峰值为38.96 kV，避雷器吸收能量为243.0 J。由此可见，10 kV并联电容器装置用避雷器的吸收能量仅为数百焦耳，实际工程中10 kV并联电容器装置的额定容量一般不会超过20000 kvar，即使避雷器吸收能量与电容器组容量呈线性关系，避雷器的吸收能量也仅为1 kJ左右。因此，实际工程中，10 kV并联电容器装置用避雷器的吸收能量按照1 kJ设计就足够满足运行要求了。