高壓并聯電容器組投切開關的選擇

2018-01-22 10:00:12顧恒科伍經偉

上海電氣技術 2017年3期

馮征，顧恒科，伍經偉，陳磊

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高壓并聯電容器組越來越多地應用于電網中補償無功功率、改善電網功率因數，其特點是實用性較好且維修方便，是系統無功功率補償最普通、最便宜的設備。對于高壓電容器組補償量的調節，目前大多數采用開關投切的方式來進行，因此，并聯電容器組的投切開關就成為電網安全運行的重要設備，其選擇與并聯電容器組的特點有關[1-7]。

1 高壓并聯電容器組運行的基本要求

1.1 電容器運行中的允許過電壓

電容器的無功功率、損耗和發熱都與運行電壓的二次方成正比。長時間過電壓運行，會導致電容器溫度過高，絕緣介質加速老化而縮短壽命，甚至損壞。由于溫度升高需要時間來積累熱量，而在運行中由于倒閘操作、電壓調整、負荷變化等因素，可能引起電力系統波動，產生過電壓，如過電壓作用時間較短，對電容器影響不大，但不能超過一定時間限度。

電力電容器允許的工頻過電壓及時間限度規定見表1。

表1 電力電容器允許工頻過電壓及時間限度

1.2 運行電壓對電容器的影響

電容器運行時的電壓允許范圍如下：電容器必須能在1.05倍額定電壓下長期運行；在一晝夜中，在最高不超過1.1倍額定電壓下運行時間不超過 6h；當周圍空氣溫度24h平均最高值低于標準 10K 時，電容器能在1.1倍額定電壓下長期運行。

1.3 電壓波形畸變和升高對電容器的影響

在配電網中，由于整流負荷等的影響，常使部分網絡中高次諧波電流增大，并使受端母線電壓波形畸變。并聯電容使母線電壓高次諧波成分增加，根據容抗公式，高次諧波的存在會使容抗下降，產生較大的高次諧波電流，使電容器組嚴重過電流。

1.4 電容器運行中的允許過電流

電容器的過電流，除了因過電壓引起的工頻過電流外，還有電網高次諧波電壓引起的過電流，因此，設計時電容器允許過電流的限額比過電壓的限額要高。電容器長期運行允許的過電流倍數為1.3倍，即可超出額定電流30%長期運行，其中10個百分點為允許工頻過電流，20個百分點為留給高次諧波電壓引起的過電流。

諧波的限制通常采用裂相整流的方法，如變為12相或36相整流，或采用在電容器回路串聯小電抗器的方法。

2 并聯電容器組投切開關的基本要求

GB 50227—2008《并聯電容器裝置設計規范》中規定[8]：用于并聯電容器裝置的斷路器選型，應采用真空斷路器或SF6斷路器等適合于電容器組投切的設備，其技術性能應符合斷路器共用技術要求。此外，還應滿足下列特殊要求：① 應具備頻繁操作的性能；② 開關時觸頭彈跳不應大于限定值，開斷時不應出現重擊穿；③ 應能承受電容器組的關合涌流和工頻短路電流，以及電容器高頻涌流的聯合作用。第②、③條很清楚地說明了不得重擊穿和能夠開斷關合涌流。

3 并聯電容器組投切的特點

討論并聯電容器組的投切電流，主要包括以下方面：額定單個電容器組的開斷電流、額定背靠背電容器的開斷電流、額定單個電容器組的關合涌流、額定背靠背電容器組的關合涌流。

3.1 額定單個電容器組的開斷電流

額定單個電容器組的開斷電流，是指并聯電容器組投切開關在其額定電壓和標準規定使用條件下，應能開斷的最大電容電流。開斷時不得出現重擊穿，且操作過電壓不得大于2.5倍額定電壓(此系統可以有避雷器等防過電壓措施)。此處開斷電流指開斷并聯電容器的電流，并聯電容器組投切開關的電源側并沒有連接多個并聯電容器。

并聯電容器組投切開關額定單個電容器組的開斷電流，在其銘牌上或者樣本參數表上可以查到。真空斷路器的開斷電流值一般為630A。由此推算單個電容器組的額定電流應不大于425A，開斷一相電容器組擊穿的容性額定電流為1280A。對于擔負電容器組投入工作的并聯電容器組投切開關，要求在關合電容器組時不應產生較高的過電壓，并能承受由過電壓產生的巨大涌流。

3.2 額定背靠背電容器組的開斷電流

額定背靠背電容器組的開斷電流，是指并聯電容器組投切開關在其額定電壓和標準規定的使用和性能條件下，應能開斷背靠背電容器組的最大電容電流，并且在開斷時不得重擊穿。在運行中，操作過電壓未超過2.5倍規定的最大允許值。此處開斷電流指開斷一組并聯電容器的電流，斷路器電源側連接有一組或者多組并聯電容器。由于開斷困難，真空斷路器的開斷電流值一般為400A，那么背靠背電容器組的額定電流應不大于267A，開斷背靠背電容器組一相擊穿的容性額定電流為 800A。

3.3 額定單個及背靠背電容器組的關合涌流

在投入電容器組的過程中，電容器組的初始電壓為零。而在合閘瞬間，電網電壓又往往不為零，使加在電容器組兩端的電壓突然升高，進而產生一個很大的電流，即合閘涌流。這種情況在背靠背電容器組投入時會更嚴重，甚至可能達到20倍額定電流，不僅會對電網造成沖擊，而且影響電容器組的使用壽命。電容裝置的接入，會造成電網諧波的過度放大并發生諧振。

參考國家標準的相關要求，高壓電容器組補償投入、切除時需要考慮關合涌流及過電壓的問題，對于背靠背電容器組的關合涌流，DL/T 402—2007《高壓交流斷路器訂貨技術條件》有明確規定[9-10]，見表2。

表2 背靠背電容器組的關合涌流

關合涌流的大小與電容器組數、電感等有關。在并聯電容器組投切開關關合過程中，會使充電的電容器組產生涌流，涌流計算時采用施加電壓、回路電容、回路電感的數值和位置，以及回路關合時電容器組上的電荷和操作瞬態過程的阻尼程度的函數。涌流通常是假定電容器組沒有初始電荷，并且回路是在產生最大涌流的時刻關合的情況下計算的。對應電容器組不同的連接方式，相關的涌流計算標準也不一樣，涌流可由已知的網絡阻抗來計算。

圖1所示為當已有零個、一個及多個電容器組分別與母線相連時，接入一組電容器時的三種不同情況。當有兩個或多個電容器組彼此緊密相連，且互相之間的電感很小時，從減小電容器和斷路器涌流的觀點來看，與電容器串聯阻抗是必要的。

根據DL/T 402—2007附錄H，電容器組的涌流計算公式如下。

(1) 開合單個電容器組。

(1)

L0?L

(2)

(3)

式中：U為系統電壓；i為涌流峰值；f為涌流頻率；L0為電源電感；L為與被開合的電容器組串聯的電感；C為被開合的電容器組的電容，為等效星形接法值。

(2) 一個電容器組已與母線相連時，接入另一個電容器組。

(4)

(5)

(6)

式中：S為涌流上升值。

(3)n個電容器組已與母線相連時，接入另一個電容器組。

(7)

C′=C1+C2+…+Cn

(8)

式中：L1、L2、…、Ln為與電源側電容器組串聯的電感；C1、C2、…、Cn為電源側電容器組電容，為等效星形接法值。

式(7)、式(8)中L′與C′可以看作圖1(b)中的L1和C1。如L1C1=L2C2=…=LnCn，則計算是正確的，在其它情況下則是近似的。

如經過計算關合涌流峰值超過20kA，則應加電抗器或其它阻抗。一般來說，不超過20kA的關合涌流峰值能滿足大多數背靠背電容器組的場合。

通常關合背靠背涌流的試驗電流為20倍額定背靠背電容器組開斷電流，例如：某型號斷路器額定單個電容器組開斷電流為630A，額定背靠背電容器組開斷電流為 400A，那么額定電容器組的關合涌流為 8000A，關合電流的峰值為約20kA，試驗次數為 20次。

圖1 電容器組連接方式

4 投切并聯電容器組開關的探討

4.1 真空斷路器投切并聯電容器組

目前，常用經過特殊處理的真空斷路器裝配成專用并聯電容器組的投切開關。真空斷路器由于安裝方便、易于維護，而得到廣泛使用。關于真空斷路器用于并聯電容器組的問題，具體探討如下。

4.1.1 真空滅弧室的合閘預擊穿

真空斷路器在合閘過程中會發生預擊穿，使觸頭燒損，合閘電流越大，預擊穿電弧的能量也越大。前面舉例談到，某斷路器額定單個電容器組開斷電流為630A，額定背靠背電容器組開斷電流為 400A，其額定的背靠背關合涌流為8000A。假如都在額定參數內運行，變電站的大多數并聯電容器組都是數組并聯運行，每天至少要投切2次以上。試驗結果顯示，合閘涌流幅值越高，對斷路器真空滅弧室觸頭表面帶來的破壞作用越大，具體表現為觸頭表面形成明顯突起及面積更大的熔坑，破壞后的觸頭表面會降低真空滅弧室介質耐受強度，從而增大真空滅弧室容性電流投切的重擊穿概率。

合閘涌流幅值為0kA、2kA和5kA時，重擊穿概率依次為4.6%、17.9%、30.4%，當合閘涌流幅值增大到10kA時，在幾次試驗操作后，真空斷路器因觸頭熔焊而無法開斷。此外，高幅值的合閘涌流會使真空斷路器容性電流投切的重擊穿發生時間提前。

4.1.2 真空斷路器的合閘彈跳

真空斷路器的觸頭為對接式結構，合閘時有彈跳，彈跳時間規定為不長于2ms，合閘彈跳將產生過電壓。

身處于福建教案漩渦中心的艾儒略，是繼利瑪竇之后，最為著名的耶穌會傳教士，他在福建傳教事業的成功不僅應當歸功于耶穌會的“合儒”政策和其過人的學識及宗教獻身精神，更應當功于福建官員和大量底層知識分子和教徒的支持[注]艾儒略在閩交往的人物達到200多人。林金水：《艾儒略與福建士大夫交游表》，《中外關系史論叢》1996年第5輯，第182—203頁。。

真空斷路器合閘時發生彈跳不僅會產生較高的過電壓，影響整個電網的穩定，更重要的是對觸頭產生燒損甚至熔焊，這在投入電容器組產生關合涌流時將更加嚴重。涌流越大，預擊穿的電流越大，所產生的預擊穿電弧能量也越大，彈跳的時間也就越長。真空電弧的燃燒時間越長，觸頭燒損就越嚴重。

真空電弧是一種高溫等離子體，弧體溫度可達7000～8000℃，燃弧時間的增加使觸頭表面熔化的深度和廣度都會增加，合閘時就會造成兩觸頭液面接觸，瞬間冷卻后兩觸頭便焊在一起，這種熔焊靠斷路器操作機構的分閘力是拉不開的。熔點小時，分閘即使能拉開，但仍然常常會把觸頭表面拉變形，使觸頭表面形成洼坑，從而使投切電容產生重擊穿。開斷電容補償裝置時，發生單相重擊穿，電容器高壓端對地產生過電壓，其程度可能超過4倍母線相電壓幅值。

4.1.3 分閘反彈引起重燃擊穿

真空斷路器在分閘過程中，由于行程短、分閘速度快，動觸頭在機械特性調整不良的情況下會發生反彈，常常導致反彈擊穿。由于電流與電壓相位相差90°，當電流過零時，斷口電壓最高，易發生電弧熄滅后的重擊穿，為了減少重燃的概率，分閘的速度也應較大。實際上對開斷能力影響最大的是初始分閘速度，而不是平均分閘速度，但分閘速度越快，反彈也就越厲害，反彈造成的重擊穿概率大大增加。

4.1.4 真空滅弧室截流值引起的過電壓

由于真空滅弧室的特性，電弧的熄滅不是在電流過零時熄滅，而是過零前突然截斷，從而產生截流過電壓，此時過電壓一般為3倍相電壓左右，此過電壓將對電容器組產生絕緣老化破壞。另外，如果電容器組使用在有3～5次諧波的環境中，即電容器補償兼具濾波，真空滅弧室截流值造成的過電壓還會使斷路器自身發生絕緣閃爍擊穿事故。

4.2 真空接觸器投切電容器組

真空接觸器開關電容器組會產生與真空斷路器開關電容器組相似的問題，即涌流和重燃現象。

在標準JB/T 7122—2007《交流真空接觸器基本要求》[11]中，額定工作電流Ie用于通斷單獨電容器組。電容器組安裝處的預期短路電流為Ik，Ie的最高浪涌電流峰值Ipmax由式(9)導出：

(9)

式中：Ue為額定工作電壓；XC為電容器組電抗；XL為電路短路阻抗。

由此可以看出，電容器預期的短路電流小于Ik，對于單個電容器組有可能使用真空接觸器，對于背對背電容器組真空接觸器則不能進行開斷。

4.3 負荷開關投切并聯電容器組

一般情況下，普通的負荷開關不能投切電容器組，只有專門投切電容器組的開關才可以，國家標準有此規定，且只能用于單個電容器組。

4.4 SF6斷路器投切并聯電容器組

中壓SF6斷路器的滅弧原理一般分為壓氣式、自能吹弧式、混合式三種類型。壓氣式開斷電流大，但操作力也大。壓氣式又分為單向吹弧和雙向吹弧，雙向吹弧滅弧能力強，氣體交換冷卻快，散熱好。自能吹弧式開斷電流小。混合式是兩種或三種原理的組合，主要通過增強滅弧能力來增大開斷電流，同時又能減小操作力。

壓氣式SF6斷路器利用斷路器開斷過程中活塞和氣缸相對運動壓縮氣體形成吹力而熄弧。圖2為壓氣式SF6斷路器雙向吹弧滅弧原理。

圖2 壓氣式SF6斷路器雙向吹弧滅弧原理

自能吹弧式SF6斷路器利用電弧自身產生的能量形成吹弧，開斷能力受電流大小的影響，且分為熱膨脹式和旋轉式兩種。圖3為自能吹弧式SF6斷路器滅弧原理。

圖3 自能吹弧式SF6斷路器滅弧原理

混合式SF6斷路器結合了旋弧、熱膨脹和活塞氣吹原理。旋弧利用被開斷電流流過線圈產生磁場，驅動電弧高速旋轉，電弧不斷接觸新鮮的SF6冷卻氣體，最終熄滅。

圖4為混合式SF6斷路器工作原理，開斷大電流時采用旋弧加熱膨脹吹弧方式，開斷小電流時則采用活塞氣吹方式。

SF6斷路器投切并聯電容器組總結如下：① 觸頭結構采用動靜觸頭插入式，不同于真空斷路器觸頭平面對接結構，因此無合閘彈跳產生；② SF6斷路器動觸頭采用絕緣噴嘴結構，壓氣式的氣缸在合閘過程中吸氣，在觸頭處形成倒吹弧，使預擊穿電弧大大減小，因此產生的涌流過電壓也較低；③ SF6斷路器的滅弧是電流過零后熄弧，因此沒有截流值，也就沒有截流過電壓；④ 由于電流過零時熄弧，加之SF6氣體絕緣強度較高、觸頭開距大，使斷口間的絕緣強度迅速恢復，因此產生重擊穿的概率很低，幾乎不會產生；⑤ 因SF6斷路器開距大，分閘時也就沒有反彈重擊穿過電壓產生。