王 勇，陳 偉，勞斯佳

（1.國網(wǎng)陜西省電力檢修公司，西安 710048；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；3.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

并聯(lián)電容器組及其避雷器組通常均采用星形接線方式，避雷器組的中性點接地，而電容器組的中性點不接地，見圖1。避雷器僅用作電容器組相對地過電壓保護，但對電容器組相對中性點的過電壓不能起到保護作用[1-2]。如果要對電容器組相對中性點過電壓進行保護，則必須將避雷器與電容器組直接并聯(lián)，而電容器組的容量非常大，避雷器需要具有非常高的能量吸收能力，否則很容易發(fā)生爆炸，這就極大地增高了避雷器的制造難度和安全隱患[3-5]。因此，我國現(xiàn)行并聯(lián)電容器裝置標準中規(guī)定，不允許采用避雷器與電容器組直接并聯(lián)的接線方式[6-7]。

當電容器組相對地之間產(chǎn)生較高過電壓時，避雷器會動作吸收能量。避雷器吸收能量的能力應該滿足在最高過電壓水平時注入避雷器的能量[8-9]。圖1中避雷器的吸收能量理論上相對較小，我國目前關于該避雷器能量的設計主要憑借經(jīng)驗，裕度相對較大，缺少系統(tǒng)的研究和試驗驗證[10-12]。

圖1 并聯(lián)電容器裝置用避雷器接線方式Fig.1 Wiring of shunt capacitor installation arrester

筆者建立了10 kV并聯(lián)電容器組重擊穿模擬試驗平臺，通過選相技術，模擬出相對地產(chǎn)生最高過電壓水平的工況，實際測量得出避雷器上的電壓波形與電流波形，并計算得到注入避雷器的能量，分析影響避雷器吸收能量的因素，為工程設計提供技術支撐。

1 避雷器吸收能量試驗方法

并聯(lián)電容器組的避雷器僅用作操作過電壓保護，對于雷電沖擊殘壓沒有要求[13-14]。電容器組的操作過電壓包括合閘過電壓和分閘過電壓。研究表明，在不考慮衰減的條件下，電容器組正常合閘時的最大合閘過電壓為2Um（Um為電容器組的額定電壓峰值）[15-17]。對于電容器來說，峰值為2Um的操作過電壓是安全的，避雷器不需要動作保護[18-20]。而且隨著斷路器制造水平的進步，合閘彈跳引起的過電壓問題也已可以忽略不計[21-22]。因此，設計避雷器能量時可以不考慮合閘過電壓的影響。

電容器組用避雷器主要對分閘過電壓進行保護。研究表明：電容器組正常分閘時，相對地最高過電壓峰值理論上為1.5Um，但是當分閘出現(xiàn)重擊穿時，相對地最高過電壓峰值理論上可以達到5.87Um[23-25]。另外，由于電源為中性點不接地系統(tǒng)，允許單相接地情況下運行2 h，所以理論上存在單相接地后電容器組開關分閘重擊穿的情況，但發(fā)生這種工況的概率很低，而兩相重擊穿概率更低[26-27]，因此，本文僅對單相重擊穿進行模擬試驗。

筆者在大功率試驗站開展了10 kV并聯(lián)電容器裝置分閘重擊穿模擬試驗，采用實際工程中運行的電容器組作為試品，選取典型工況進行試驗，實際測量分閘重擊穿過程的電壓和電流波形，計算得出避雷器吸收能量。

試驗方案見圖2。在試驗過程中，利用PEM CWT6 LF羅氏線圈測量主回路電流，靈敏度為5 mV/A，可測電流峰值為1.2 kA，頻率范圍為0.27 Hz～6.5 MHz。利用Pearson101線圈測量流過避雷器的電流，靈敏度為10 mV/A，最大測量電流峰值為50 kA，頻率范圍0.25 Hz～4 MHz。利用NRV-150寬頻分壓器測量避雷器兩端電壓，最高直流耐壓150 kV，頻率范圍0～20 MHz。利用示波器對6路電流和3路電壓信號進行錄波，采樣頻率5 MS/s。

圖2 分閘重擊穿模擬試驗方案原理圖Fig.2 The schematic of restriking simulation test program

圖2 中，K1為試驗站原有斷路器，K2為本次試驗電容器裝置配套投切斷路器。由于目前斷路器分閘重擊穿的概率很低，為了提高試驗效率，并準確控制重擊穿的相位，采用真空斷路器與真空觸發(fā)開關（TVS）并聯(lián)的方案，當斷路器K2電流過零熄弧后，經(jīng)過設定的時間后觸發(fā)TVS導通，模擬斷路器分閘重擊穿，并實現(xiàn)精準控制重擊穿相位。L為電容器組串聯(lián)電抗器，C為三相電容器組主電容，C0為電容器組中性點側對地電容。

試驗電源由3臺沖擊試驗變壓器通過接線形成三相變壓器，變壓器高壓側為220 kV星型接線，低壓側為12.7 kV三角形接線，單相沖擊試驗變壓器的參數(shù)見表1。表1中變壓器型號為IDJ-60000/220。

表1 單相沖擊試驗變壓器參數(shù)Table 1 The parameters of single phase impact test transformer

為了避免K2在試驗過程中發(fā)生重擊穿，影響TVS的正常工作，K2選用35 kV真空斷路器，以確保其不會發(fā)生分閘重擊穿。35 kV真空斷路器K2的技術參數(shù)見表2，表2中真空斷路器的型號為ZKTC 100/35。TVS結構見圖3。

表2 35 kV真空斷路器主要技術參數(shù)Table 2 The main technical parameters of 35 kV vacuum circuit breaker

圖3 真空觸發(fā)開關（TVS）結構示意圖Fig.3 The schematic of vacuum trigger switch

根據(jù)觸發(fā)間隙的主電極結構，觸發(fā)間隙主要分為平板電極、棒狀電極和運動電極結構等。按觸發(fā)方式分為沿面擊穿和場擊穿型，按應用場合分為接通型和合分型。目前應用較多的是平板電極和棒狀電極，觸發(fā)間隙一般采用沿面擊穿。本次試驗所用TVS采用平板電極，觸發(fā)間隙采用沿面觸發(fā)。TVS主要技術參數(shù)見表2。

試驗用10 kV并聯(lián)電容器組額定容量為4800 kvar，電容器單元每相8臺，4并2串，外殼直接接地。電容器單元型號為BAM11/2/√3-200-1 W，額定電壓11/2/√3 kV，額定容量200 kvar，額定電容64 μF。干式空芯串聯(lián)電抗器型號為CKCKL-80-10-6，額定容量80 kvar，額定電壓10.5 kV，額定電流210 A，額定電感值5.69 mH，直流電阻為80 mΩ。避雷器型號為YH5WR-17/45，標稱電流5 kA，額定電壓17 kV，伏安特性曲線見圖4。

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

2 避雷器吸收能量試驗結果

2.1 正常分閘試驗結果

根據(jù)上述試驗方案開展電容器分閘試驗，隨機選擇分閘時間，多次重復試驗得到試驗波形的形狀是類似的，典型分閘試驗波形見圖5。

圖5 正常分閘下的主回路電流和電容器相對地電壓Fig.5 Main circuit current and the phase-to-earth overvoltage under normal opening

由圖5可看出，電容器組主回路電流峰值約為304 A，A相電流先過零熄弧，5 ms后B、C相同時過零，A相電壓最高，峰值為17.8 kV。

2.2 單相重擊穿試驗結果

考慮最嚴重的情況，開關在反相電壓峰值時重擊穿，即TVS在首開相電流過零10 ms后觸發(fā)導通，得到典型試驗波形見圖6。

由圖6試驗結果可看出，主回路電流A相先過零熄弧，5 ms后B、C相電流過零熄弧。在A相過零熄弧后10 ms，A相TVS觸發(fā)導通，模擬單相重擊穿，最大過電壓出現(xiàn)在A相的前一相，即C相。最大過電壓峰值為38.96 kV，避雷器電流峰值為71.22 A，避雷器電流持續(xù)時間約為252.4 μs，通過電容器相對地電壓和避雷器電流曲線進行積分，得到避雷器吸收能量為243.0 J。

圖5和圖6是試驗過程中的典型波形，經(jīng)過多次重復試驗，并變換TVS觸發(fā)時延得到試驗統(tǒng)計結果見表3。

結果顯示，TVS延時10 ms觸發(fā)情況下，過電壓最高峰值為38 kV左右，避雷器電流峰值為71 A左右，避雷器電流脈寬為250 μs左右，避雷器吸收的能量為242 J左右。

3 結論

搭建了10 kV并聯(lián)電容器裝置分閘重擊穿模擬試驗平臺，開展了重擊穿模擬試驗，得到了電容器組開關正常分閘與分閘重擊穿兩種情況下的電流波形和電壓波形，并通過曲線積分的方法得到了避雷器的吸收能量。經(jīng)過多次試驗證明了試驗結果的正確性和可重復性，結果表明：

圖6 分閘單相重擊穿時主回路電流和電容器相對地電壓Fig.6 Circuit current and the phase-to-earth overvoltage under restriking

表3 試驗結果統(tǒng)計Table 3 Test results statistics

1）通過在斷路器兩端并聯(lián)TVS，可以模擬斷路器分閘重擊穿，并可以精確控制重擊穿的相位。

2）電容器組開關在反相電壓峰值處發(fā)生重擊穿時，電容器組相對地的過電壓水平最高為38.96 kV，避雷器吸收的能量也最高為243.0 J。

3）10 kV、4800 kvar并聯(lián)電容器裝置在最嚴重情況下發(fā)生單相重擊穿過電壓峰值為38.96 kV，避雷器吸收能量為243.0 J。由此可見，10 kV并聯(lián)電容器裝置用避雷器的吸收能量僅為數(shù)百焦耳，實際工程中10 kV并聯(lián)電容器裝置的額定容量一般不會超過20000 kvar，即使避雷器吸收能量與電容器組容量呈線性關系，避雷器的吸收能量也僅為1 kJ左右。因此，實際工程中，10 kV并聯(lián)電容器裝置用避雷器的吸收能量按照1 kJ設計就足夠滿足運行要求了。