鄒振球

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

高壓并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中具有補償無功消耗的功能。但是在其投切過程中易出現(xiàn)重擊穿問題，如在其未接通狀態(tài)下，電容器電路中無電流，而在電容器合閘的一瞬間，電網中的電流流入電容器，并且電路此時的阻抗較小，會產生較大的合閘涌流現(xiàn)象，進而引起電容器電路的重擊穿問題，導致電路上的裝置和設備被損壞。所以，應通過對高壓并聯(lián)電容器投切開關重擊穿抑制技術的研究分析，對合閘涌流或分閘過電壓進行有效抑制，以保護并聯(lián)電容器的安全可靠運行。

1 高壓并聯(lián)電容器投切開關重擊穿產生的原因分析

高壓并聯(lián)電容器投切開關形成重擊穿的原因較多，如開關斷路器切除電容器形成過電壓、電容器合閘形成涌流等，導致斷路器或是電容器被過電壓電流擊穿。電容器在投切過程中形成過大的合閘涌流，或過高的分閘過電壓等，均會對斷路器產生重擊穿，并且在擊穿后電壓還會增加，對于電力系統(tǒng)的安全運行產生較大的影響。所以針對合閘涌流與分閘過電壓產生原因進行分析，為投切開關重擊穿抑制技術的運用提供參考。

1.1 合閘涌流原因

高壓并聯(lián)電容器在接入電網后，與斷路器一起形成單相等效電路，斷路器投切電容器單相等效電路如圖1所示。圖1中的u（t）為電源電壓，i（t）為電流，BRK為斷路器，R為電阻，L為整個電路的總電感，C為電容。電源電壓u（t）=Umsin（wt+θ），根據(jù)等效電路圖確定單相電容器投入電力系統(tǒng)后的回路電壓方程式如下

圖1 斷路器投切電容器單相等效電路圖

式中：Um為電源電壓正弦穩(wěn)態(tài)的峰值；w為正弦穩(wěn)態(tài)角頻率；θ為初相角；uc（t）為電容電壓；i（0+）與uc（0+）分別為斷路器閉合的電流初始值與電容器兩端電壓初始值，通過求解微分方程，獲取回路電容電壓與電容電流公式后，進行電容合閘涌流的計算，在不考慮電阻R的情況下，假設I0=0，最終獲取電容電流公式

式中：wn是暫態(tài)分量；Imcos（wt+θ）為穩(wěn)態(tài)分量，兩者相加得到了電容器電流，即是單相電容器在投入系統(tǒng)后產生的合閘涌流，根據(jù)以上公式可以看出，與產生合閘涌流相關的電路參數(shù)有θ、U0與時間t。

1.2 分閘過電壓原因

在高壓電網中多個電容器并聯(lián)組成電路，如圖2所示，每個單相電容器（C1、C2、C3）都有各自的三相交流電源電壓（uA、uB、uC）、總電感（L1、L2、L3）、斷路器（A與A1，B與B1、C與C1），N為中性點，CN為中性點N的對地雜散電容，對地雜散電容跨接在線路與地之間，在單相電容器失效后，對地雜散電容具有保護作用，不會引發(fā)電擊風險，其中三相交流電源電壓計算公式如下

圖2 高壓并聯(lián)電容器電路

（1）在電容器正常分閘時，t=0，uA（t）=Um為最大電壓值，B與C相獲取uB、uC電源，當uB（t）與uC（t）為最大值時，B和C相為切斷狀態(tài)，電容器的電壓穩(wěn)定。因此，在電路正常運行狀態(tài)下，電容器分閘正常，不會形成過電壓。

（2）分閘重擊穿，在A相t=10 ms時，分閘處于半工頻狀態(tài)，A相斷路器觸頭恢復電壓峰值會產生重擊穿問題。主要是因為電路中的電壓集中在CN上，在A相遭到重擊穿后，其極間電壓變化較小，增加了N對地電壓，B相與C相對地電壓與斷路器電壓重新分布，受到A相重擊穿的牽連，恢復電壓一旦超過電容器抗沖擊能力，則會損壞電路上的電器設備。此外，電路上的斷路器在發(fā)生切除動作后，有形成二次重擊穿的可能，致使過電壓大幅度增加，從而進一步的擴大重擊穿影響范圍，對電力系統(tǒng)及電力設備產生較大的危害。

2 重擊穿抑制預充電裝置的設計與應用

在電力系統(tǒng)中應用真空斷路器投切電容器發(fā)生合閘涌流后，過大的電流會損壞電路上的設備，尤其是斷路器上的金屬觸頭，在燒蝕后引起觸頭接觸不良，電場分布不均，會形成更高的電流，使斷路器在切除電容器時形成過大電壓，最終由合閘涌流引起重擊穿。而在電容器上安裝預充電裝置，在電路合閘之前，完成三相電路中某個或幾個電容器充電，使投切開關在合閘后暫態(tài)分量最小，三相電路中的電流直接進入穩(wěn)態(tài)，形成對合閘涌流的抑制作用。

2.1 預充電抑制思路

并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中進行投切動作時，電容器的U0=0，線路中阻抗較小，而處于并聯(lián)的三相電容隨機合閘，那么電源電壓也是隨機的，從而形成了合閘涌流。例如，在高壓系統(tǒng)中，并聯(lián)三相電容電路中性點作接地處理，電源設置消弧線圈，然后再進行接地處理。本文基于高壓條件進行電容器的預充電，在電容器做合閘動作時，借助電容器中的電流消減合閘涌流，將涌流控制在安全范圍內，以形成對投切開關重擊穿的抑制效果。較為理想的抑制效果是在電源電壓增長至峰值的一半時，進行電容器合閘動作，使合閘時的電流為0，電路中的電流正弦增長，電流不會出現(xiàn)大的波動，也就不會產生電容器投切合閘涌流的重擊穿問題。

2.2 預充電方案設計

2.2.1 確定預充電時刻

基于上文高壓并聯(lián)電容器投切開關合閘涌流及分閘過電壓發(fā)生的原因分析，利用電容器投入電力系統(tǒng)后的回路電壓方程與三相電源電壓計算公式，推導出回路中電容電壓公式如下

式中：K1與K2為系數(shù)；α為衰減系數(shù)；ωn為關合涌流角頻率；t為時間；Um為電源電壓峰值；ω為正弦穩(wěn)態(tài)角頻率；e為電源電動勢；φ為電容電壓相位角。結合上文的電容電流公式ic（t），確定電容器投切開關過程中與回路電流有關的參數(shù)有θ、U0與時間t，當回路中的初始電壓U0=Um，θ=90°時，電容器在合閘后ic（t）=-Imsin（ωt），回路中無電流沖擊，也就是說在電流相角θ為90°的條件下，電容器合閘時斷路器兩側電壓差約等于0，回路中電壓穩(wěn)定，不會形成合閘涌流。所以，在高壓并聯(lián)電容器預充電抑制解決方案中，在高壓并聯(lián)電容器的回路中設置預充電裝置，將斷路器兩側電壓差控制在接近于0的狀態(tài)，然后在此時刻合閘，可達到抑制投切開關重擊穿的效果。

2.2.2 高壓并聯(lián)電容器預充電流程

如圖3所示，在高壓并聯(lián)電容器回路中，電容器C1、C2、C3的線路上分別串聯(lián)了等效電感L1、L2、L3，以及斷路器BRK1、BRK2、BRK3，并且在斷路器上分別并聯(lián)二極管（D1、D2、D3），同時斷路器與電源（uA、uB、uC）之間串聯(lián)投切開關（S1、S2、S3），用來控制二極管投切。在圖3中C1電容器與D1二極管為正聯(lián)，實現(xiàn)電源uA給C1充電的目的，而D2和D3則是為反聯(lián)，在給C2與C3充電的同時，2個二極管與C1建立通路，以此實現(xiàn)整個高壓并聯(lián)電容器組的預充電。在電容器投切之前，閉合3個投切開關，接通3個二級管，使電源為電容器充電，至斷路器兩側電壓差接近0時電容器合閘，從而避免合閘涌流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 高壓并聯(lián)電容器預充電電路圖

結合圖3電容器的充電流程，使用投切開關控制二級管，假設其通態(tài)電阻等于0，進行電容器C1、C2與C3充電電壓（uc1、uc2、uc3）的計算，具體計算公式如下

式中：uAB為AB回路的線電壓等效電壓源；UAC為AC回路電壓源。在高壓并聯(lián)電容器充電后，uc1是和的1/2倍，且當在充電的1/4周期時，BC回路電壓相等，所以將此刻確定為充電初始時刻，即高壓并聯(lián)電容的合閘時刻，線路中3個斷路器兩側電壓差接近0，電容器在此時投切最為安全，實現(xiàn)對合閘涌流的有效抑制。

3 重擊穿抑制涌流抑制器的設計與應用

3.1 涌流抑制器應用思路

在高壓并聯(lián)電容器的第三繞組與電源之間設置涌流抑制器（二階欠阻尼電路與分壓器），在接通回路的電源后先給第三繞組通電，穩(wěn)定回路上變壓器的交變磁通，使電容器各個繞組的相位保持一致，以形成對合閘涌流的抑制。交變磁通ψ2=-Φmcos（ωt+α），式中：α為合閘角；Φm為勵磁電感；ω為電容器電抗值；t為電容器運行時間。假設電容器有功功率損耗為0，接通回路電源后中：u為電容器電源側電壓；Um為分閘線圈帶電信號；d為合閘時電容器瞬時鐵心損耗；dt為一次側電感；ψ為鐵芯磁鏈；C為電容值?；阼F芯磁鏈保持守恒公式-Φmcos（ωt+α）|t=t0+C=cos（ωt+α），在初始運行時間t=t0的條件下，ψ=C=0。利用以上公式進行推測，在高壓并聯(lián)電容器完成合閘后，在任意時間將第三繞組切除，電容器仍然能保持穩(wěn)態(tài)運行。

3.2 涌流抑制器抑制方案

在高壓并聯(lián)電容器的第三繞組上接入涌流抑制器，通過調整二階欠阻尼電路的阻尼比，形成對回路中的電壓頻率與相位的控制，以消除電容器合閘涌流。使用輸入電壓源公式與二階欠阻尼期望電壓公式為，式中：T為時間常數(shù)；并采取輸入與輸出信號的轉換為Umω以此計算出二階欠阻尼的傳遞函數(shù)為H（s）=U0（s）/Ui（s），同時設定α的變化區(qū)間，αmin≤α≤αmax，amin=0，amax=2π，式中：αmin為最小合閘角，αmax為最大合閘角，帶入輸入輸出信號公式簡化后通過公式推導可以確定，增加時間常數(shù)T，對α合閘角不會產生較大的影響，可維持第三繞組升壓的穩(wěn)定性，電壓頻率波動較小，那么鐵芯磁通變化處于穩(wěn)態(tài)，也就不會形成過大的合閘涌流?；谝陨戏治?，在抑制高壓并聯(lián)電容器合閘涌流過程中，需要準確選擇電容、電感與電阻等，以明確電容器涌流抑制的控制特性。具體公式為式中：U2N為電容器二相繞組額定電容值；U3N為三相繞組額定電容值；R1、R2為電阻，L為電感、T為時間常數(shù)。

3.3 涌流抑制器合閘參數(shù)

使用并聯(lián)電容器電壓開路計算公式UD=，式中：UD為并聯(lián)電容器開路電壓；UT為高壓并聯(lián)電容器回路上變壓器一次側電壓值；Il為最大功率電流；m為電容器電路調制度；A為電路電流；ωf為轉速；Lm1與Lm2為電感值。在電容器最大功率條件下，電路調制度m與UD成反比，m越小UD越大，那么在電容器合閘時，可承受的涌流也就越高。如果電容器處于最小功率條件，直流電壓小，m為最大值，電容器最低開路電壓計算公式為在高壓并聯(lián)電容器運行穩(wěn)定的情況下，一般輸出頻率在48.5～50.5 Hz，結合電容器的最大與最小電壓，繪制出合閘區(qū)域圖，如圖4所示。

圖4 高壓并聯(lián)電容器合閘區(qū)域

在高壓并聯(lián)電容器串聯(lián)繼電器BRK1與BRK2閉合狀態(tài)下，進行電壓值與頻率的檢測，如果檢測值處于圖4的陰影區(qū)，則高壓并聯(lián)電路運行正常，可以接通BRK3，不會形成過大的涌流。如果檢測值不在陰影區(qū)域，則斷開繼電器BRK1與BRK2，不進行電容器合閘動作。此外，在繼電器BRK1與BRK2閉合后，檢測電容器的輸出電壓正常，可適當增加T值，延長電容器穩(wěn)定電壓的時間，可選用多個T值進行調試，直至涌流抑制效果最佳。

3.4 涌流抑制器應用流程

為了保證涌流抑制器的應用效果，在高壓并聯(lián)電容器不同時期合閘時，進行合閘時序的準確設計，在電路接通伊始，高壓并聯(lián)電容器升壓瞬間，采用復位操作斷開并聯(lián)電容器的繼電器。使并聯(lián)電路上的各個裝置完成初始化；在電容器投切完成后，待機狀態(tài)下檢測其直流電壓。如果電壓值不在高限值與低限值的范圍內，重新調整電容器進入初始狀態(tài)。如果直流電壓值在正常值范圍內，閉合繼電器BRK1與BRK2并檢測電容器輸出電壓與頻率，同時增加T值，再進行電壓與頻率檢測，如果兩次檢測結果正常，就可閉合繼電器BRK3，以實現(xiàn)高壓并聯(lián)電容器的安全投切。

4 結束語

電力系統(tǒng)對于運行的穩(wěn)定性與可靠性有著較高的要求，高壓并聯(lián)電容器作為電力系統(tǒng)安全運行的保障機制，具有改善供電質量的作用。但是由于在其投切開關過程中，出現(xiàn)合閘時的涌流現(xiàn)象，使電容器電路上的電流瞬間增加，或者是斷路器分閘時，電容器兩側殘留電壓過高，導致電路發(fā)生重擊穿現(xiàn)象，使斷路器及電容器被損壞，進而危及到電力系統(tǒng)的可靠運行。所以，本文通過重擊穿產生原因的分析，查找重擊穿的成因，并在高壓并聯(lián)電容器的電路上接入抑制重擊穿的預充電裝置與涌流抑制器，切實地解決電容器投切開關的重擊穿隱患，充分發(fā)揮出高壓并聯(lián)電容器的作用，保障電力系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定的運行。