维普资讯 http://www.cqvip.com 《宁夏电力》２ｏｏ７年第３期 新型电容器组过电压保护器的现场试验研究 吴旭涛，艾绍贵，樊益平 （宁夏电力科技教育工程院，银川市７５０００２） 摘要： 由于真空断路器在合闸过程中可能出现断口预击穿、合闸弹跳、合闸不同期等问题，而分闸过程中 可能会出现单相、两相重燃、截流等问题。这些问题都会在真空断路器投切电容器组过程中产生严重的过电 压。目前电容器组过电压保护通常采用的金属氧化物避雷器的Ｉ型接线并不能完全有效的真空断路器因 上述问题而产生的过电压。为此设计出新型电容器组过电压保护器，与电容器组串联电抗器并联安装，并进 行了现场投切电容器组试验。试验结果表明，对电容器组投切过程中因异常工况所造成的过电压确实起到了 作用，特别是明显降低了电容器组切除过程中因截流和两相重燃所产生的较高的极间过电压，过电压保 护器还可吸收因开关断口预击穿所产生的快波前过电压的能量。过电压保护器的安装，对系统内其它电容器 组投切所产生的过电压也有抑制作用。 关键词： 电容器组投切；过电压保护器；现场试验研究 中图分类号：ＴＭ５３ 文献标识码： Ｂ 文章编号：１６７２—３６４３（２０ｏ７）０３－００２９－－０４ Ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ ＷＵ Ｘｕ－ｔａｏ，ＡＩ Ｓｈａｏ－－ｇｕｉ，ＦＡＮ Ｙｉ－ｐｉｎｇ （Ｎｉｎｇｘｉａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｍａｙ ａｐｐｅａｒ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ：ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ｂｒｅａｋ－ｄｏｗｎ，ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｉｎ ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｉｎ ｕｎｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ，ｂｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ—ｏｆｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍａｙ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｒｅｓｔｒｉｋｅ ｏｆ ａｒｃ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｏｕｌｄ ｃａｕｓｅ ｈｅａｖｙ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｔｅ ｖａｃｕｕｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎ４ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｇｒｏｕｐ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｉ ｔｙｐｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｏｘｉｄｅ ａｔｔｅｓｔｅｒ ｃａｎ＇ｔ ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｃｏｍｉｎｇ ｉｎｔｏ ｂｅｉｎｇ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｓｏ ｗｏｒｋｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｇｒｏｕｐ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ ｂｕ．ｄｄ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｃｔａｎｃｅ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｎｅｃｔ ｔｏ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｇｒｏｕｐ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ，ａｎｄ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｏｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｇｒｏｕｐ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ：ｔｈｅ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ａｂｎｏｒｍａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｉｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｒｅｄｕｃｅｓ ｈｉｇｈｅｒ ｅｘｔｒｅｍｅ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ａｒｃ ｒｅｓｔｒｉｋｉｎｇ ｉｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｏｆｆ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ Ｃａｎ ａｂｓｏｒｂ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｉｎ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｄｕｅ ｔｏ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ｂｒｅａｋ－－－ｄｏｗｎ ｃａｕｓｅｄ ｑｕｉｃｋ ｗａｖｅ，ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ ａｌｓｏ ｉｎｈｉｂｉｔｅｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｃａｕｓｅｄ．ｂｙ ｏｔｈｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｉｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｉｎ；ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ；ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｓｔｕｄｙ １前言 前，用于投切电容器组的断路器多为真空断路器。真空断路 器虽然能够满足电容器组频繁投切的需要，但在合闸过程 电网中为了补偿无功功率，往往需要在１０ｋＶ～３５ｋＶ侧 中易出现弹跳现象，在分闸过程中易出现重燃、截流等现象 并联安装电容器组，而为了投入电容器组时的合闸涌 而引起操作过电压。 流和系统谐波，一般需要在并联电容器组中串联电抗器。目 近年来，宁夏电网３５ｋＶ系统多次发生了因投切电容器 收稿日期：２００７－０１—２２ 作者简介：吴旭涛（１９７１一），男，工程师，从事电力系统过电压防污闪技术研究工作。 ・２９・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 《宁夏电力）２００７年第３期 组引起的过电压事故。石嘴山供电局在２００２年～２００５年 间，每年因投切电容器组过电压造成的开关柜烧损、电缆头 爆炸以及避雷器爆炸事故就达５起以上。投切电容器组过 电压一度成为影响宁夏电网安全稳定运行的主要矛盾。 新型电容器组过电压保护器的现场试验研究 压。而过电压保护器操作冲击电流残压较低，如３５ｋＶ系统 使用的过电压保护器，其操作冲击电流（５０Ａ）残压仅为 ３４．３２ｋＶ。有利于吸收电磁振荡过程中，电抗器中的磁场能 量。因此具有良好的保护性能。保护器内还串接有快速熔断 元件，能够防止因电容器极间绝缘击穿，而造成保护器发生 热崩溃。因此具有较好的安全性。 ２电容器组投切过电压的一般措施 宁夏电网电容器组一般采用如图１所示的Ｉ型接线的氧化锌避雷器作为过电压保护措施。 ４ 新型过电压保护器的现场试验 ４．１试验情况简介 为了验证新型电容器组过电压保护器的安全性、可靠 性及有效性，在石嘴山供电局２２０ｋＶ落石滩变电所３５ｋＶ Ｃ Ｌ 系统进行了相关的电容器组投切试验。落石滩变３５ｋＶ系 统共有三段母线，九组电容器。试验在Ⅲ母进行，Ⅲ母并联 电容器组的情况如表ｌ所示。 表１落石滩变３５ｋＶ ＩＩＩ母并联电容器组情况 间隔电容器电容器额定电容器额定额定电抗电抗器额定 名称 编号 电压（ｋＶ） 容量（ｋｖａｒ） 率（％） 端电压（ｋＶ） ・ ： 图１电容器组的Ｉ型保护接线方式 电容器组的。Ｉ型保护接线方式，主要是为了断路 器单相重燃引起的相对地过电压。真空断路器对地工频绝缘 水平为９５ｋＶ，断口间的工频绝缘耐受水平为ｌ１０ｋＶ。其操作 冲击耐受水平分别约为１３４ｋＶ及１５６ｋＶ，当开关柜内严重 脏污且湿度较大时，此电压还会进一步降低。３５ｋＶ系统的电 容器组用金属氧化物避雷器的参数为：额定电压，５１ｋＶ；雷 投切试验按以下运行方式进行： （１）Ｉ９电容器不投入运行， 电容器、Ｉ８电容器的过电 电冲击电流（５ｋＡ）残压，１３４ｋＶ；操作冲击电流（１２５Ａ或 ５００Ａ）残压，１０５ｋＶ；直流ｌｍＡ参考电压，７３ｋＶ。当背对背投 切电容器组时，除被操作的电容器组会发生电磁振荡外，非 压保护器均投入运行， 电容器运行，投入Ｉ８电容器； （２）Ｉ９电容器不投入运行， 电容器、Ｉ８电容器的过电 被操作的电容器组也会发生电磁振荡。此时被操作电容器组 即便发生了单相重燃，产生的操作过电压不一定能使避雷器 放电计数器动作，但产生的过电压与非被操作电容器组电磁 振荡产生的电压相叠加，若开关柜内绝缘不良，依然有发生 绝缘击穿的可能。同时，在分闸操作中，还有可能在真空泡外 壁上产生放电，使真空泡外壁上出现放电痕迹。 当真空断路器发生截流时，由于串抗两端产生较高的截 压保护器均投入运行， 电容器运行，退出镥电容器。 试验的测试内容包括： （１）电容器组开关分合闸过程中，电容器母线侧对地电压； （２）电容器组开关分合闸过程中，电容器组中性点对地电压； （３）电容器组开关分合闸过程中，母线电压； （４）电容器组开关分合闸过程中，相关电容器组的电流。 ４．２试验方法 流过电压。截流过电压频率较高，电容器相当于被短接，因此 过电压会发生传递，能够作用到断路器断口处，同时对回路 的相问绝缘产生极大的危害。Ｉ型保护接线方式对真空断路 试验接线如图２所示。在Ｉ８电容器母线侧、串抗侧及 电容器组中性点上分别接入电容分压器，分压器测试信号 线经１Ｏ：ｌ衰减探头接入暂态参数记录仪。暂态参数记录仪 通过人工触发方式进行触发。 器截流产生的截流过电压是无效的。同时，Ｉ型保护接线对由 于两相重燃产生的电容器极间过电压也是没有作用的。 在Ｉ８电容器ＣＴ二次侧串入无感电阻，ＣＴ二次电流经无 感电阻转化为电压信号后，经信号线接入电量记录分析仪。将 Ⅲ母ＰＴ二次侧电压经信号线接入电量记录分析仪。电量记录 分析仪的触发信号由电容器组开关动作控制回路提供。进行开 关分、合闸的同时，触发电量记录分析仪开始参数记录。 ４．３试验结果 ３新型电容器组过电压保护器 新型电容器组过电压保护器采用了高能量氧化锌阀 片，并联安装在电容器组的串联电抗器上。在电容器组的正 常工作状态下，由于电抗器承担的电压极低，因此过电压保 试验过程中，Ｉ９电容器组不投入运行， 、Ｉ８电容器组 护器的荷电率也非常的小，对其长期运行性能及其有利。在 电容器组的投切过程中 无论真空开关出现何种异常工况， 都会造成回路的电磁振荡。在这个过程中，电抗器反复吸收 磁场能量和释放磁场能量，并在电抗器两端产生较高的电 ・均带过电压保护器，叩电容器组运行，共对侣电容器组进 行了１Ｏ次投、切操作。 侣电容器投、切操作过程中，Ⅲ段母线过电压及 电 容器组合闸涌流如表２所示。 ３Ｏ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com Ａ Ｃ ＣＴ 开关 岬电ｊ 器 …－ＪＪ’］ ．一亨／ ． …＿厂。］ ／ ｌ一．享一 ｌ …一Ｊ。。１ １｝ｌ Ｉ、 １ ｝ ” 獾 电 上Ｊ＿． ＣＴ 开关 ｜８电容器 ” ， ｌｌ ’一 ／ ． ＩＩＩ ｛・ 一一一－＿／ １ ．Ｉ ｌ １ 母 ．ＩＩ．． －Ｉ—ｑ 。一 一 ｌｆ ｆ ． ｆ Ｉ ［一［＿ 上． ｒ Ｉ－一匪 －ｒＩ 噬 ）Ｉ Ｉ 纂电 １ ●一 ————＝－］Ｉ ＿ ｌ ．ｌ；触发信 ：Ｊ ＬＪ Ｕ～ 电量分析ｌ 暂态参数记录仪 记录仪 １ —＝１Ｉ 图２试验接线示意图 表２投切电容器组过程中的母线过电压及合闸涌流 操作顺序 Ｕａｂ Ｕｋ Ｕｃａ ｌａ Ｉｂ Ｉｃ 备注 １ 合 １．１８４ １．１１２ １．２４６ ７．０６６ ２．６１６ ５．５７０ ｂ相发生弹跳 分 １．２６７ １．２７８ １．２８８ ， ， ， ａ．ｂ相同时发生重燃 ２ 合 １．２２８ １．２５１ １．１４５ ２．６１６ ６．０３３ ６－８９１ ｜｜｜｜｜｜ ３ 台｜｜｜｜｜｜ 分 １．０２８ １．０２８ １．０３４ ， ， ， ｂ相发生截流 ４ 合 １，２５４ １．０４９ １．２５０ ７．１８１ ３．６４９ ３．９４６ 会 １，０２６ １．０３１ １．０３２ ｌ｜ｌ ５ 合 １，２５５ １．０８２ １．２５２ ７．００７ ５－０２０ ２．８８５ 分 １．０２８ １．０７９ １．１６８ ， ， ， ａ、ｃ相先后发生重燃 ６ 合 １．２４６ １，０４４ １．２５０ ７．０８７ ３．２４７ ４．１４９ ｂ相合闸滞后 分 １．１８１ １．０２９ １．０３２ ， ， ， ｃ相发生重燃 ７ 合 １．１２５ １，２５２ ｌ＿１６８ ２．６１３ ５．３８７ ７．３１５ ８相发生弹跳 会 １．０２６ １，０３０ １．０３１ ｌ｜ｌ ８ 合 １．１６０ １．０７１ １．２５４ ５．７８１ １，５０３ ５．４４１ ｂ相合闸滞后 会 １．０２６ １，０３０ １．０３３｜ｌ ｌ ９ 合 １．２５５ １．２５３ １，０８６ ２．７５８ ７．２４５ ５．１０９ １．０２８ １．０２８ １，０３２｜｜｜ １０ 合 １．２５５ １．０７９ １，２５４ ６．５７０ ５．４００ ２．８９０ 分 １．０２６ １．０３０ １．０３２ ， ， ， ｂ相发生截流 此外．因测试仪器电压通道量程偏小，部分测试波形有削顶，也导致了部分测数据偏低。 电容器投、切操作过程中， 电容器组电源侧对地过 中，其￣ｔｏｇＮ保护器共计动作２９相次，在ｌＯ次切除操作过 电压及中性点对地电压如表３所示。 程计动作了ｌ４相次，其中Ｂ相电容器在第５次切除过 投、切操作过程中， 电容器组在ｌ０次投入操作过程 程中，￣ｔｏｇｆ｛保护器连续动作了２次。在 电容器的ｌ０次 ・３ｌ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 《宁夏电力》２０ｏ７年第３期 表３电容器组电源侧对地过电压及中性点对地电Ｗ，（ｋＶ） 新型电容器组过电压保护器的现场试验研究 保护器共计动作了１０相次。 动作情况如表４所示。 ｌ ２ ３ ４ ５ 电容器投切过程中， 、 电容器组的过电压保护器 合分合分合分合分合分动作 动作 动作 动作 动作未动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 未动作未动作未动作未动作未动作未动作 动作 动作 动作未动作动作 动作 未动作未动作动作未动作动作未动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 未动作未动作未动作未动作未动作未动作 动作 动作 动作未动作动作未动作 动作动作注动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作未动作动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作未动作 动作 动作 动作 动作 动作 动作 未动作未动作未动作未动作未动作未动作 动作 动作 动作 动作 动作未动作 未动作未动作未动作未动作未动作未动作 未动作动作 动作 动作 动作未动作 未动作未动作未动作未动作未动作未动作 动作 动作 动作 动作 动作未动作 动作 动作 动作未动作动作未动作 注：该相此次动作两次。 投入过程中， 电容器组的过电压保护器共计动作了２２相 次，在 电容器的１０次切除过程中， 电容器组的过电压 ・３２・ ４．４试验结果分析 （１）试验过程中，虽然｜Ｉ８电容器组在分合闸操作时，出 现了多种诱发操作过电压的工况，但并未出现严重的过电 压，表明过电压保护器对于由电容器组投切过程中异常工 况所造成的过电压确实起到了作用。 （２）电容器组的切除过程中，出现截流或两相重燃，均会 在电抗器及电容器极问产生很高的过电压，显然过电压保护器 的使用，明显降低了截流和两相重燃所产生过电压的ＪｋＶ－。 （３）电容器组在全部的合闸操作及部分分闸操作的起 始阶段出现了频率４０ｋＨｚ左右，持续时间２００ｌ￣ｓ左右，幅 值较高的快波前过电压，这是由于开关断口在合闸过程中 出现了预击穿所致，此时 电容器的过电压保护器几乎全 部动作，表明过电压保护器对于开关断口预击穿造成的快 波前过电压的能量有吸收作用。 （４）在 电容器组的１０次投、切操作过程中。 电容 器组过电压保护器共计动作了２２相次，这表明投切电容器 组所产生的过电压会在系统内传递，在运的其它电容器组 上所安装的过电压保护器可吸收传递过电压的能量，对系 统内其它电容器组投切所产生的过电压有抑制作用。 （５）过电压保护器正常运行中几乎不承担电压，仅在 系统出现过电压时动作，吸收能量。本次试验的１０次投、切 操作中， 电容器组过电压保护器共计动作了４３相次。特 别是在第一次分闸操作时，开关出现了电流幅值极高的两 相重燃， 电容器组三相过电压保护器均动作。第五次分闸 操作过程中，开关Ａ、Ｃ相先后发生重燃，这个过程中， 电 容器组Ｂ相过电压保护器动作了两次。目前，已有几十组 过电压保护器投入运行，且动作频繁，这些过电压保护器均 未出现损坏和异常。这表明过电压保护器具有足够的安全 性和可靠性。 ５结论 真空断路器投切电容器组，可能会出现多种诱发系统 过电压的异常工况，同时开关断口在合闸过程中存在明显 的预击穿，从而产生快波前过电压。过电压保护器对电容器 组投切过程中因异常工况所造成的过电压确实起到了 作用。特别是明显降低了电容器组切除过程中因截流和两 相重燃所产生的较高的极间过电压，过电压保护器还可吸 收因开关断口预击穿所产生的快波前过电压的能量。过电 压保护器的安装，对系统内其它电容器组投切所产生的过 电压也有抑制作用。石嘴山供电局自２００５年以来大规模使 用了新型电容器组过电压保护器后，再未发生过投切电容 器组过电压造成的事故。因此，试验和运行经验均表明过电 压保护器具有足够的安全性和可靠性，可长期投入运行。
