真空开关投切电容器组的过电压问题及其对策

真空开关投切电容器组的过电压问题及其对策2.3.2真空开关开断三相电容器组时的重燃现象及其过电压按运行状况，开断电容器组重燃过电压有无故障单相重燃、带故障单相重燃和两相重燃三种类型。1、无故障单相重燃如上所述，当180t时，真空开关A相的断口恢复电压可以达到相电压幅值的2.5倍，因此发生重燃的几率较大。假定此时A相重燃，由于线路中电感元件和电容器对地电容的影响，线路中将会产生高频振荡。由于NC＜＜C，高频振荡过程中可以将电容器组C视为电压源，忽略线路的损耗，重燃相对地最大过电压maU为：maU5.35.1)1(2中性点对地电压幅值为：5.415.3aNmamNUUU由于中性点出现过电压mNU，相应地，非重燃相也出现过电压：13.437.05.4bNmNmbUUU87.537.15.4cNmNmcUUU可见，开断中性点绝缘的三相电容器组，如果单相重燃，过电压主要加在电容器组中性点与地之间，电容器极间无过高的过电压。重燃相过电压并不是最高的，往往是通过中性点传递至不重燃的二相中的一相，成为过电压最高相。此时真空开关非重燃相的断口恢复电压将分别为：63.4)13.4(5.0trBu37.6)87.5(5.0trCu显然，此时的断口恢复电压已经超过了真空开关的工频绝缘水平，极有可能导致断口击穿。如果击穿产生在真空灭弧室内部，则单相重燃变成了两相重燃，电容器组上将会出现最高可达三倍的过电压；如果击穿产生在真空灭弧室外部，就会出现外绝缘闪络，并进一步引起相对地或相间放电，最终发展成两相或三相短路，导致开关损坏，成为永久性故障。短路故障发生时电源和电容器组同时向短路点供电，电容器组上的残余电压得以快速泄放，因此真空开关的外绝缘闪络不会在电容器组产生过电压。在实际运行中，经常会出现因真空灭弧室外绝缘闪络而导致的开关柜烧毁，而工频耐压低得多的电容器组却未见异常的现象，这种现象正是单相重燃过电压所为。还需要特别指出的是，在三相电容器组回路中，由于对地电容的影响，即使是单相复燃(在小于1/4周期内重燃)，非复燃相中也会出现过电压，过电压主要作用在真空开关的断口上，这一点与单相电容器组回路和空载电缆有着明显的不同。图2-7无故障开断电容器组单相重燃过电压[9](a)t=0，A相电压为最大值时，A相断开；(b)t=π/2ω，B、C相间电压为最大值时，B、c相断开；(c)t=π/ω，A相电压为反极性最大值时，断路器断口间电压。2、带故障单相重燃中性点不接地电网允许单相接地持续运行2h，有可能遇到在单相接地时要开断电容器组。现以系统母线侧单相接地时开断电容器组为例，进行分析。图2-8带故障开断电容器组单相重燃过电压[9](a)A相断开；(b)B、C相断开；(c)A相即将重燃如图2-8所示。tUumAcos，设C相接地，A相为首开相，0t时A相开断。开断后各相电容器上的残留电压参见图2-8(a)所示。仍令mU=1，则A相电容残留电压为1.0，B相和C相各为0.5，因C相接地，此时中性点对地位移电压为0.5。经1/4周期时间，B、C相开断，如图2-8(b)所示。C相残留电压为(-0.5-0.87)=-1.37，B相残留电压为(-0.5+0.87)=0.37，中性点电压为(0.5+0.87)=1.37。再经1/3周期，断路器A相触头间恢复电压为最大，达(2.37+1.73)=4.1，B、C相分别为2.61和0，如图2-8(c)所示。A相重燃，不计回路损耗，振荡过程最大过电压为83.537.2)73.1(2maU中性点对地最大过电压83.6183.5aNmamNUUUB相和C相过电压分别为46.637.083.6bNmNmbUUU20.837.183.6cNmNmcUUU此时真空开关Ｂ相的断口恢复电压为59.5)46.6(87.0trBu20.8)20.8(0trCu显然，电源侧单相接地时，首开相的工频恢复电压幅值高达相电压幅值的4.1倍，真空开关发生单相重燃的概率大大增加，而单相重燃发生后产生的过电压比无故障开断要高，因此危害更大。在40.5kV电压等级，几乎可以肯定真空开关在高达相电压幅值4.1倍的工频恢复电压作用下会发生重燃现象，由于该电压等级产品的爬电比距小，产生真空灭弧室外绝缘击穿的概率大大增加，因此应避免真空开关在这种条件下进行开断操作。3、两相重燃从上述单相重燃的分析可知，如A相为首开相，A相重燃，则C相过电压最高。由于单相重燃时回路的振荡频率很高，中性点对地电容NC上的电压在很短时间内上升，有可能立即导致C相断口击穿，形成两相重燃。另外，若断路器分闸非同期时间过长，如果B相延迟分闸至A相重燃之后，虽然是A相单相重燃，实质上与两相重燃相同。以A、C相相间电势最大时，断路器A、C相同时重燃为例。由于此时发生重燃的两相构成了振荡回路，因此可以忽略中性点对地杂散电容的影响，由此我们也可以预见到这种情况下的中性点对地电位不会很高。考虑到线路损耗电阻很小，可以忽略，因此其等值电路如图2-9所示。图2-9两相重燃过电压[9]设相间电势tUumCAcos3，SL、1L分别为电源漏抗和串联电抗器电感，aC、cC为A、C相补偿电容，令mU=1，L=2(SL+1L)，C=aC/2=cC/2，LC11。在两相重燃之前，首开相A相断弧时，在aC上留下残留电压21210.1aU接着，B、C相断弧时，cC留下的残留电压212137.1cU0t时,两相重燃，形成图2-5等值电路，列电路方程，通过运算法求解，得电容器极间电压)1()cos05.2cos23237.0(2121ttUNa)1()cos05.2cos23237.0(2121ttUNc因1，当t1时，可近似认为0t，01，于是，两相重燃时电容器极间最大过电压分别为1.3)05.2(23237.0maU73.205.223237.0mcU即A相电容器极间最高过电压为额定电压幅值的3.1倍，C相为-2.73倍，A相和C相电容器相间过电压可达5.83倍。当然，在实际运行中由于线路阻抗的存在，过电压要低于此值。从上可知，两相重燃过电压主要作用在电容器极间绝缘上，对地电压并不高。2.4本章小结通过前面的分析和讨论，我们可以得出如下结论：1、在正常线路条件下重燃是导致过电压的根本原因，没有重燃就没有过电压；2、单相重燃的发生概率最高，此时保护的重点是中性点对地和非重燃相的断口；3、发生两相重燃时的过电压主要作用在电容器组上，因此保护的重点是电容器组的极间；4、线路出现单相接地故障大大增加了单相重燃和两相重燃的发生概率，且过电压倍数更高，应避免开关设备在这种条件下进行分闸操作。3.1电容器组负荷的特殊性并联电容器组对任何开关设备来说都是一种十分特殊的负荷，这种特殊性具体表现在以下几点：1、极间绝缘相对较弱并联电容器始终工作于额定电压和额定出力状态，贮能大，场强高，但是由于其结构特点方面的原因，其极间绝缘普遍比较薄弱。国标规定其极间工频耐压为2.15倍相电压，远小于其他中压电器设备3.5～4倍相电压的绝缘水平。2、残压高且衰减缓慢由于电容器组电容量大，开断后剩余电压的衰减亦十分缓慢，即使有专用放电线圈，电容器上电压维持初始电压90%以上的时间仍可达10余周波，若仅靠电容器内放电电阻，则如此高的电压将维持数s，加大了重击穿的可能性。此外，由于电容器组一般串联了6%～13%的电抗器，这一方面将提高电容器组的运行电压，另一方面又将使得其剩余电压提高并最终导致过电压倍数提高。3、过电压倍数相对较高根据前面的分析，真空开关发生两相重燃时在电容器的极间出现3.1倍过电压，这种过电压对电容器组是非常不利的。对于单相电容器组回路而言，如果真空开关发生重燃，理论上还有可能导致过电压按3、5、7倍的规律增长，危害更大。4、接通电流大当开关设备关合并联电容器组时，由于自身线路条件和其他电容器的影响，线路中将会出现幅值可以达到电容器组额定电流数十倍的合闸涌流，这对开关设备来说是个不小的冲击。5、缺乏有效的保护措施目前电力系统一般采用MOA来保护电容器组过电压，也有采用RC装置的做法，但从总体上将还是不能在发生两相重燃时有效电容器组。此外，由于两相重燃时的涌流大，还有可能导致保护电容器的熔断器损坏。电容器组负荷的特殊性从总体上讲可以归结为两点：一是过电压倍数高，另一个则是自身的绝缘强度低。3.2电容器组操作开关的特殊性如前所述，与常规配电开关相比，电容器组操作开关的运行条件是十分严酷的，具体表现在以下几个方面：1、工频恢复电压高由于容性负荷的电压电流相位差和电容器的记忆效应，当开关开断电容器组回路时，电容器组上的电压为工频电压幅值，并将会维持一段时间。虽然安装了专用放电装置，但由于电容器组的容量较大，衰减速度仍然十分缓慢，其残压维持在90%以上初始电压以上的时间仍会达到十余个周波。在电流过零后10ms，电源电压将与电容器组残压反向，这时开关的断口电压将达到两倍的相电压[18]。在三相电路中，若某一相作为首开相开断，考虑了首开相系数（对中性点不接地系统为1.5）以后其工频恢复电压还会更高。以40.5kV为例，对常规负荷来说，开关的首开相恢复电压峰值为40.5÷1.732×1.414×1.5＝49.6KV。若作为电容器组操作开关，其首开相恢复电压峰值将达到40.5÷1.732×1.414×2.5＝82.7KV，已接近72.5KV产品开断常规线路故障的首开相恢复电压峰值（72.5÷1.732×1.414×1.5＝88.8KV）。此外，如果电容器组操作开关在电容器组的电源侧存在对地短路故障时进行分闸操作，首开相将会出现4.1倍的断口工频恢复电压，这种条件对任何开关来说都是非常严酷的。2、关合电流大，开断电流小当真空开关关合并联电容器组时，由于其他电容器的影响，线路中将会出现幅值可以达到电容器组额定电流数十倍的合闸涌流，这么大的电流将会使真空开关的电极出现熔焊。当真空开关开断电容器组电流时，由于电流相对较小，只有一部分被拉断的熔焊斑经过电流烧蚀而变得平滑，另一部分熔焊斑则将保持被机械拉断时的断面，这种断面的存在对电容器组的绝缘是十分不利的。[28]此外，由于电容器组额定电流较小，开断操作对电极表面的电清除效应减弱，而不断产生的合闸熔焊又将使电极表面状况进一步恶化，因此需要经过较多的开断操作才能有效清除真空灭弧室的触头表面在其制造过程中粘附的杂质，而这些杂质正是导致真空开关重燃的重要因素。由于上述因素的影响，真空开关往往在投运的初期表现出较高的重燃率，随着运行次数的增加，重燃率逐渐下降乃至消失。3、线路条件使得真空开关更容易发生重燃在真空开关开断过程结束后长达数秒的范围内，由于机械振动的影响，从真空灭弧室内部电极表面脱落的带电粒子将有可能在外电场的作用下产生微放电现象，由于这种放电的电量很小，而且放电时间非常短暂，通常被认为是无害的。当真空开关作为电容器组操作开关时，由于电容器组对地电容的存在，三相电容器组回路的任何一相均具备对地形成高频震荡的条件，这就使得微放电过程相对于常规负荷来说更易发展成为断口击穿，构成单相重燃。此外，对于常规负荷来说，单相击穿不构成放电回路，因此从宏观上可以认为微放电是无害的。而对于电容器组负荷来说，正是单相击穿和因之引起的两相重燃产生了危险的过电压，从而导致真空开关自身乃至用电设备损坏。4、小开距熄弧现象电容器组操作开关开断并联电容器组时，由于电容器和电抗器的固有相差，使得电流过零时线路压降全部作用在电容器组上，而真空开关的断口工频恢复电压则为零。这种特殊的开断条件使得电容器组操作开关可以在极小的开距下就能开断电流。如果在此后的10ms内电容器组操作开关仍未分闸到额定开距或者刚到额定开距，将极有可能因开距偏小或反弹过