馮 征，顧恒科，伍經(jīng)偉，陳 磊

1.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心成都分中心 成都 610041 2.四川大爾電氣有限責(zé)任公司 四川內(nèi)江 641000 3.成都諾一工程服務(wù)有限公司 成都 610016

高壓并聯(lián)電容器組越來(lái)越多地應(yīng)用于電網(wǎng)中補(bǔ)償無(wú)功功率、改善電網(wǎng)功率因數(shù)，其特點(diǎn)是實(shí)用性較好且維修方便，是系統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償最普通、最便宜的設(shè)備。對(duì)于高壓電容器組補(bǔ)償量的調(diào)節(jié)，目前大多數(shù)采用開(kāi)關(guān)投切的方式來(lái)進(jìn)行，因此，并聯(lián)電容器組的投切開(kāi)關(guān)就成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備，其選擇與并聯(lián)電容器組的特點(diǎn)有關(guān)[1-7]。

1 高壓并聯(lián)電容器組運(yùn)行的基本要求

1.1 電容器運(yùn)行中的允許過(guò)電壓

電容器的無(wú)功功率、損耗和發(fā)熱都與運(yùn)行電壓的二次方成正比。長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電壓運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致電容器溫度過(guò)高，絕緣介質(zhì)加速老化而縮短壽命，甚至損壞。由于溫度升高需要時(shí)間來(lái)積累熱量，而在運(yùn)行中由于倒閘操作、電壓調(diào)整、負(fù)荷變化等因素，可能引起電力系統(tǒng)波動(dòng)，產(chǎn)生過(guò)電壓，如過(guò)電壓作用時(shí)間較短，對(duì)電容器影響不大，但不能超過(guò)一定時(shí)間限度。

電力電容器允許的工頻過(guò)電壓及時(shí)間限度規(guī)定見(jiàn)表1。

表1 電力電容器允許工頻過(guò)電壓及時(shí)間限度

1.2 運(yùn)行電壓對(duì)電容器的影響

電容器運(yùn)行時(shí)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(zhǎng)期運(yùn)行；在一晝夜中，在最高不超過(guò)1.1倍額定電壓下運(yùn)行時(shí)間不超過(guò) 6h；當(dāng)周?chē)諝鉁囟?4h平均最高值低于標(biāo)準(zhǔn) 10K 時(shí)，電容器能在1.1倍額定電壓下長(zhǎng)期運(yùn)行。

1.3 電壓波形畸變和升高對(duì)電容器的影響

在配電網(wǎng)中，由于整流負(fù)荷等的影響，常使部分網(wǎng)絡(luò)中高次諧波電流增大，并使受端母線電壓波形畸變。并聯(lián)電容使母線電壓高次諧波成分增加，根據(jù)容抗公式，高次諧波的存在會(huì)使容抗下降，產(chǎn)生較大的高次諧波電流，使電容器組嚴(yán)重過(guò)電流。

1.4 電容器運(yùn)行中的允許過(guò)電流

電容器的過(guò)電流，除了因過(guò)電壓引起的工頻過(guò)電流外，還有電網(wǎng)高次諧波電壓引起的過(guò)電流，因此，設(shè)計(jì)時(shí)電容器允許過(guò)電流的限額比過(guò)電壓的限額要高。電容器長(zhǎng)期運(yùn)行允許的過(guò)電流倍數(shù)為1.3倍，即可超出額定電流30%長(zhǎng)期運(yùn)行，其中10個(gè)百分點(diǎn)為允許工頻過(guò)電流，20個(gè)百分點(diǎn)為留給高次諧波電壓引起的過(guò)電流。

諧波的限制通常采用裂相整流的方法，如變?yōu)?2相或36相整流，或采用在電容器回路串聯(lián)小電抗器的方法。

2 并聯(lián)電容器組投切開(kāi)關(guān)的基本要求

GB 50227—2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定[8]：用于并聯(lián)電容器裝置的斷路器選型，應(yīng)采用真空斷路器或SF6斷路器等適合于電容器組投切的設(shè)備，其技術(shù)性能應(yīng)符合斷路器共用技術(shù)要求。此外，還應(yīng)滿足下列特殊要求：① 應(yīng)具備頻繁操作的性能；② 開(kāi)關(guān)時(shí)觸頭彈跳不應(yīng)大于限定值，開(kāi)斷時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)重?fù)舸?；?應(yīng)能承受電容器組的關(guān)合涌流和工頻短路電流，以及電容器高頻涌流的聯(lián)合作用。第②、③條很清楚地說(shuō)明了不得重?fù)舸┖湍軌蜷_(kāi)斷關(guān)合涌流。

3 并聯(lián)電容器組投切的特點(diǎn)

討論并聯(lián)電容器組的投切電流，主要包括以下方面：額定單個(gè)電容器組的開(kāi)斷電流、額定背靠背電容器的開(kāi)斷電流、額定單個(gè)電容器組的關(guān)合涌流、額定背靠背電容器組的關(guān)合涌流。

3.1 額定單個(gè)電容器組的開(kāi)斷電流

額定單個(gè)電容器組的開(kāi)斷電流，是指并聯(lián)電容器組投切開(kāi)關(guān)在其額定電壓和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用條件下，應(yīng)能開(kāi)斷的最大電容電流。開(kāi)斷時(shí)不得出現(xiàn)重?fù)舸?，且操作過(guò)電壓不得大于2.5倍額定電壓(此系統(tǒng)可以有避雷器等防過(guò)電壓措施)。此處開(kāi)斷電流指開(kāi)斷并聯(lián)電容器的電流，并聯(lián)電容器組投切開(kāi)關(guān)的電源側(cè)并沒(méi)有連接多個(gè)并聯(lián)電容器。

并聯(lián)電容器組投切開(kāi)關(guān)額定單個(gè)電容器組的開(kāi)斷電流，在其銘牌上或者樣本參數(shù)表上可以查到。真空斷路器的開(kāi)斷電流值一般為630A。由此推算單個(gè)電容器組的額定電流應(yīng)不大于425A，開(kāi)斷一相電容器組擊穿的容性額定電流為1280A。對(duì)于擔(dān)負(fù)電容器組投入工作的并聯(lián)電容器組投切開(kāi)關(guān)，要求在關(guān)合電容器組時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，并能承受由過(guò)電壓產(chǎn)生的巨大涌流。

3.2 額定背靠背電容器組的開(kāi)斷電流

額定背靠背電容器組的開(kāi)斷電流，是指并聯(lián)電容器組投切開(kāi)關(guān)在其額定電壓和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用和性能條件下，應(yīng)能開(kāi)斷背靠背電容器組的最大電容電流，并且在開(kāi)斷時(shí)不得重?fù)舸?。在運(yùn)行中，操作過(guò)電壓未超過(guò)2.5倍規(guī)定的最大允許值。此處開(kāi)斷電流指開(kāi)斷一組并聯(lián)電容器的電流，斷路器電源側(cè)連接有一組或者多組并聯(lián)電容器。由于開(kāi)斷困難，真空斷路器的開(kāi)斷電流值一般為400A，那么背靠背電容器組的額定電流應(yīng)不大于267A，開(kāi)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(gè)及背靠背電容器組的關(guān)合涌流

在投入電容器組的過(guò)程中，電容器組的初始電壓為零。而在合閘瞬間，電網(wǎng)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(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)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(shí)會(huì)更嚴(yán)重，甚至可能達(dá)到20倍額定電流，不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)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(huì)造成電網(wǎng)諧波的過(guò)度放大并發(fā)生諧振。

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，高壓電容器組補(bǔ)償投入、切除時(shí)需要考慮關(guān)合涌流及過(guò)電壓的問(wèn)題，對(duì)于背靠背電容器組的關(guān)合涌流，DL/T 402—2007《高壓交流斷路器訂貨技術(shù)條件》有明確規(guī)定[9-10]，見(jiàn)表2。

表2 背靠背電容器組的關(guān)合涌流

關(guān)合涌流的大小與電容器組數(shù)、電感等有關(guān)。在并聯(lián)電容器組投切開(kāi)關(guān)關(guān)合過(guò)程中，會(huì)使充電的電容器組產(chǎn)生涌流，涌流計(jì)算時(shí)采用施加電壓、回路電容、回路電感的數(shù)值和位置，以及回路關(guān)合時(shí)電容器組上的電荷和操作瞬態(tài)過(guò)程的阻尼程度的函數(shù)。涌流通常是假定電容器組沒(méi)有初始電荷，并且回路是在產(chǎn)生最大涌流的時(shí)刻關(guān)合的情況下計(jì)算的。對(duì)應(yīng)電容器組不同的連接方式，相關(guān)的涌流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)也不一樣，涌流可由已知的網(wǎng)絡(luò)阻抗來(lái)計(jì)算。

圖1所示為當(dāng)已有零個(gè)、一個(gè)及多個(gè)電容器組分別與母線相連時(shí)，接入一組電容器時(shí)的三種不同情況。當(dāng)有兩個(gè)或多個(gè)電容器組彼此緊密相連，且互相之間的電感很小時(shí)，從減小電容器和斷路器涌流的觀點(diǎn)來(lái)看，與電容器串聯(lián)阻抗是必要的。

根據(jù)DL/T 402—2007附錄H，電容器組的涌流計(jì)算公式如下。

(1) 開(kāi)合單個(gè)電容器組。

(1)

L0?L

(2)

(3)

式中：U為系統(tǒng)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(kāi)合的電容器組串聯(lián)的電感；C為被開(kāi)合的電容器組的電容，為等效星形接法值。

(2) 一個(gè)電容器組已與母線相連時(shí)，接入另一個(gè)電容器組。

(4)

(5)

(6)

式中：S為涌流上升值。

(3)n個(gè)電容器組已與母線相連時(shí)，接入另一個(gè)電容器組。

(7)

C′=C1+C2+…+Cn

(8)

式中：L1、L2、…、Ln為與電源側(cè)電容器組串聯(lián)的電感；C1、C2、…、Cn為電源側(cè)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(jì)算是正確的，在其它情況下則是近似的。

如經(jīng)過(guò)計(jì)算關(guān)合涌流峰值超過(guò)20kA，則應(yīng)加電抗器或其它阻抗。一般來(lái)說(shuō)，不超過(guò)20kA的關(guān)合涌流峰值能滿足大多數(shù)背靠背電容器組的場(chǎng)合。

通常關(guān)合背靠背涌流的試驗(yàn)電流為20倍額定背靠背電容器組開(kāi)斷電流，例如：某型號(hào)斷路器額定單個(gè)電容器組開(kāi)斷電流為630A，額定背靠背電容器組開(kāi)斷電流為 400A，那么額定電容器組的關(guān)合涌流為 8000A，關(guān)合電流的峰值為約20kA，試驗(yàn)次數(shù)為 20次。

圖1 電容器組連接方式

4 投切并聯(lián)電容器組開(kāi)關(guān)的探討

4.1 真空斷路器投切并聯(lián)電容器組

目前，常用經(jīng)過(guò)特殊處理的真空斷路器裝配成專(zhuān)用并聯(lián)電容器組的投切開(kāi)關(guān)。真空斷路器由于安裝方便、易于維護(hù)，而得到廣泛使用。關(guān)于真空斷路器用于并聯(lián)電容器組的問(wèn)題，具體探討如下。

4.1.1 真空滅弧室的合閘預(yù)擊穿

真空斷路器在合閘過(guò)程中會(huì)發(fā)生預(yù)擊穿，使觸頭燒損，合閘電流越大，預(yù)擊穿電弧的能量也越大。前面舉例談到，某斷路器額定單個(gè)電容器組開(kāi)斷電流為630A，額定背靠背電容器組開(kāi)斷電流為 400A，其額定的背靠背關(guān)合涌流為8000A。假如都在額定參數(shù)內(nèi)運(yùn)行，變電站的大多數(shù)并聯(lián)電容器組都是數(shù)組并聯(lián)運(yùn)行，每天至少要投切2次以上。試驗(yàn)結(jié)果顯示，合閘涌流幅值越高，對(duì)斷路器真空滅弧室觸頭表面帶來(lái)的破壞作用越大，具體表現(xiàn)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(huì)降低真空滅弧室介質(zhì)耐受強(qiáng)度，從而增大真空滅弧室容性電流投切的重?fù)舸└怕省?/p>

合閘涌流幅值為0kA、2kA和5kA時(shí)，重?fù)舸└怕室来螢?.6%、17.9%、30.4%，當(dāng)合閘涌流幅值增大到10kA時(shí)，在幾次試驗(yàn)操作后，真空斷路器因觸頭熔焊而無(wú)法開(kāi)斷。此外，高幅值的合閘涌流會(huì)使真空斷路器容性電流投切的重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)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(duì)接式結(jié)構(gòu)，合閘時(shí)有彈跳，彈跳時(shí)間規(guī)定為不長(zhǎng)于2ms，合閘彈跳將產(chǎn)生過(guò)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(huì)傳教士，他在福建傳教事業(yè)的成功不僅應(yīng)當(dāng)歸功于耶穌會(huì)的“合儒”政策和其過(guò)人的學(xué)識(shí)及宗教獻(xiàn)身精神，更應(yīng)當(dāng)功于福建官員和大量底層知識(shí)分子和教徒的支持[注]艾儒略在閩交往的人物達(dá)到200多人。林金水：《艾儒略與福建士大夫交游表》，《中外關(guān)系史論叢》1996年第5輯，第182—203頁(yè)。。

真空斷路器合閘時(shí)發(fā)生彈跳不僅會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定，更重要的是對(duì)觸頭產(chǎn)生燒損甚至熔焊，這在投入電容器組產(chǎn)生關(guān)合涌流時(shí)將更加嚴(yán)重。涌流越大，預(yù)擊穿的電流越大，所產(chǎn)生的預(yù)擊穿電弧能量也越大，彈跳的時(shí)間也就越長(zhǎng)。真空電弧的燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，觸頭燒損就越嚴(yán)重。

真空電弧是一種高溫等離子體，弧體溫度可達(dá)7000～8000℃，燃弧時(shí)間的增加使觸頭表面熔化的深度和廣度都會(huì)增加，合閘時(shí)就會(huì)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(jī)構(gòu)的分閘力是拉不開(kāi)的。熔點(diǎn)小時(shí)，分閘即使能拉開(kāi)，但仍然常常會(huì)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(chǎn)生重?fù)舸?。開(kāi)斷電容補(bǔ)償裝置時(shí)，發(fā)生單相重?fù)舸?，電容器高壓端?duì)地產(chǎn)生過(guò)電壓，其程度可能超過(guò)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(guò)程中，由于行程短、分閘速度快，動(dòng)觸頭在機(jī)械特性調(diào)整不良的情況下會(huì)發(fā)生反彈，常常導(dǎo)致反彈擊穿。由于電流與電壓相位相差90°，當(dāng)電流過(guò)零時(shí)，斷口電壓最高，易發(fā)生電弧熄滅后的重?fù)舸?，為了減少重燃的概率，分閘的速度也應(yīng)較大。實(shí)際上對(duì)開(kāi)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?fù)舸└怕蚀蟠笤黾印?/p>

4.1.4 真空滅弧室截流值引起的過(guò)電壓

由于真空滅弧室的特性，電弧的熄滅不是在電流過(guò)零時(shí)熄滅，而是過(guò)零前突然截?cái)?，從而產(chǎn)生截流過(guò)電壓，此時(shí)過(guò)電壓一般為3倍相電壓左右，此過(guò)電壓將對(duì)電容器組產(chǎn)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(huán)境中，即電容器補(bǔ)償兼具濾波，真空滅弧室截流值造成的過(guò)電壓還會(huì)使斷路器自身發(fā)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(kāi)關(guān)電容器組會(huì)產(chǎn)生與真空斷路器開(kāi)關(guān)電容器組相似的問(wèn)題，即涌流和重燃現(xiàn)象。

在標(biāo)準(zhǔn)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(dú)電容器組。電容器組安裝處的預(yù)期短路電流為Ik，Ie的最高浪涌電流峰值Ipmax由式(9)導(dǎo)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(yù)期的短路電流小于Ik，對(duì)于單個(gè)電容器組有可能使用真空接觸器，對(duì)于背對(duì)背電容器組真空接觸器則不能進(jìn)行開(kāi)斷。

4.3 負(fù)荷開(kāi)關(guān)投切并聯(lián)電容器組

一般情況下，普通的負(fù)荷開(kāi)關(guān)不能投切電容器組，只有專(zhuān)門(mén)投切電容器組的開(kāi)關(guān)才可以，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有此規(guī)定，且只能用于單個(gè)電容器組。

4.4 SF6斷路器投切并聯(lián)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(lèi)型。壓氣式開(kāi)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(qiáng)，氣體交換冷卻快，散熱好。自能吹弧式開(kāi)斷電流小。混合式是兩種或三種原理的組合，主要通過(guò)增強(qiáng)滅弧能力來(lái)增大開(kāi)斷電流，同時(shí)又能減小操作力。

壓氣式SF6斷路器利用斷路器開(kāi)斷過(guò)程中活塞和氣缸相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(chǎn)生的能量形成吹弧，開(kāi)斷能力受電流大小的影響，且分為熱膨脹式和旋轉(zhuǎn)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(jié)合了旋弧、熱膨脹和活塞氣吹原理。旋弧利用被開(kāi)斷電流流過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電弧高速旋轉(zhuǎn)，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(kāi)斷大電流時(shí)采用旋弧加熱膨脹吹弧方式，開(kāi)斷小電流時(shí)則采用活塞氣吹方式。

SF6斷路器投切并聯(lián)電容器組總結(jié)如下：① 觸頭結(jié)構(gòu)采用動(dòng)靜觸頭插入式，不同于真空斷路器觸頭平面對(duì)接結(jié)構(gòu)，因此無(wú)合閘彈跳產(chǎn)生；② SF6斷路器動(dòng)觸頭采用絕緣噴嘴結(jié)構(gòu)，壓氣式的氣缸在合閘過(guò)程中吸氣，在觸頭處形成倒吹弧，使預(yù)擊穿電弧大大減小，因此產(chǎn)生的涌流過(guò)電壓也較低；③ SF6斷路器的滅弧是電流過(guò)零后熄弧，因此沒(méi)有截流值，也就沒(méi)有截流過(guò)電壓；④ 由于電流過(guò)零時(shí)熄弧，加之SF6氣體絕緣強(qiáng)度較高、觸頭開(kāi)距大，使斷口間的絕緣強(qiáng)度迅速恢復(fù)，因此產(chǎn)生重?fù)舸┑母怕屎艿?，幾乎不?huì)產(chǎn)生；⑤ 因SF6斷路器開(kāi)距大，分閘時(shí)也就沒(méi)有反彈重?fù)舸┻^(guò)電壓產(chǎn)生。

圖4 混合式SF6斷路器工作原理

5 結(jié)論

綜上所述，并聯(lián)高壓電容器組投切開(kāi)關(guān)的選擇如下。

(1) 對(duì)于10kV電容器組，可采用專(zhuān)用的真空斷路器開(kāi)斷背靠背電容器組，額定電流和開(kāi)斷電流較小。

(2) 具有關(guān)合電容器功能的真空接觸器，只能針對(duì)10kV單組電容器使用。

(3) 10kV背靠背電容器組單組容量額定電流和開(kāi)斷電流大，且動(dòng)作次數(shù)較少時(shí)，建議采用SF6斷路器進(jìn)行開(kāi)斷。

(4) 對(duì)于35kV背靠背電容器組，一般不采用真空斷路器，國(guó)網(wǎng)公司在《國(guó)家電網(wǎng)十八項(xiàng)反事故措施》文件中有此規(guī)定。

(5) 一般不采用負(fù)荷開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)單組電容器組。

[1] 國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)輔導(dǎo)教材[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

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[5] 趙冰.用于無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕旌鲜街懈邏洪_(kāi)關(guān)的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2016.

[6] 張銀穗，范欽曉，王之軍，等.特高壓并聯(lián)電容器組選相關(guān)合涌流計(jì)算分析[J].電氣時(shí)代，2015(7)：88-90.

[7] 劉剛.調(diào)壓式電網(wǎng)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[8] 并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50227—2008[S].

[9] 高壓交流斷路器訂貨技術(shù)條件：DL/T 402—2007[S].

[10] 高壓交流斷路器：DL/T 402—2016[S].

[11] 交流真空接觸器基本要求：JB/T 7122—2007[S].