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一3 几种限制过电压的电力电容器 苏 容 厂 立 7 Mj 3 f (摘要 )根据电力系统过电压的种类，本文将介绍限制雷电过电压的防护电容器，限制开断 小电感电流时产生的截流过电压、三相同时开断的过 电 压和高额复燃过电压 的 二 一 过 电 压 暧 收 器 ，限 制工频 f 事 递 过 电压 的接地 电容 器 。 ( 叙 词) 防 器 畦 里 匠 护 电 蜜 一 ，前 言 防护 电容 器是近 年来 发展的限制冲击过 电压 的电容 器 ， 直到1 9 8 8 年在 j B z 1 g 2 8 8 电力 电容 器产品系列型谱 上才将其列为 一 个 产品系列。根据GB 2 9 0 0 1 6 8 3电工 名词术语 电力 电容 器 中 保护 电容 器 的定义一 于电力线路 和地 之间用 以抑制 冲 击过 电压 的电容器 ，它应包括抑制 大气 过 电压 ( 即雷 电过电压)和操作过电压的两类 电力 电容器。为 了叙 述的方便 本文将 抑制 大 气过 电压 的电容器称为 防护 电容器， 将抑 制操作冲击过 电压 的电容器 称为 月一 a过 电 压吸收器。另外，本文还提 出了限制 电力 系 统发生 不对称接地等故障时 产生工频 传递过 电压的 电容器，称为 接地 电容 器。本文 将叙 述这 几种 电容 器的作 用 、工作原 理 以及在系 统中的接线形式，愿与同行及用户商榷。 碍 1线 路 田 由于 目前这几种 电容 器名称 比较 混乱 ， 希望 用户在选 用时 注意区别。 二、防护 电容器 在 电力系统 中，旋转 电机的绝缘较为 薄 弱，而其作用又相当重要 ，为 此要对其 进行 特殊的保护。将防护 电容 器和磁吹避 雷器并 联接于 电机的进线端是旋转 电机 防雷经常采 用的措施。 1 作用 防护 电容 器的作 用是降低来波 陡度 、限 制感应过 电压幅值 。 2 工作原理 (1 )降低来波陡度 由于 电容 电压不能 突变，在雷 电波到来 时 电容 器上 的 电压按某 一过 渡过程缓慢增 加 ，而使雷 电波的陡度降低。 为了便于说明 ， 可用 图 1、 2进行 分析 。 Z 冒 2 等 值 寨 中奎 燕 回 菇 瞪 Z 维普资讯 3 2 电力电容 图中z。 为 来波线 路波阻 抗 ( 0) E 为雷电 波 E=且( e p 1 t e 2 ) ，对 一 定 的雷 电波且为 常量，P P 也 为常数且 P 2 P 1 C为防护电容器电容值 ( F ) z 为 电机波阻抗 ( Q )U 为 电 容 器 两端 电压。一般来说z 值 较大 ，若 zz。 ， 则 图 2近似等效为 图 3 图 8 若不 考虑 初始条 件 1 9 9 2 年第 8 期 f 则U =2 E( 1 一 ) ：2 且( e P t P t ) ( 1 一 ) 一t =2 A( 1 一 F z t ) ( 1 一e - Z o C )(1 ) 由( 1 ) 式不难作 出 一 关系曲线。 若Z o =5 0 0 f 来 波波 形为 1 2 5 0 s ， 则对 不同0值 电容器端 口电压 ( 也是电机端 口电 压)( ) 一时问特性如图 4所示： 图 4中左上 角图为 无防护 电容器时( 此 时电容值为电机入 口电容)的电压 ( 嘶)时 间特性。 由图 4可知， 电容 能有效地 降低来 波 陡度，其 陡度近似地 与 值成反 比亦 可降 低来 波幅值。 (2)降低感应过 电压 幅值 图 4 电机 螭 口电压 ( ， 一 对 间特性 由于导体之 间、导体 与地 之间存在 一定 的 电容 、根据 电容分压原理 ，当一导体 ； o对 地具有 一 电压时， 附近 另一导体 i o 将 存在 一 感应 电压，且导体 闯电容越大， 导体 j 。 对地 电容越小，其感应 电 压 越 高。在许多情 况 下，受雷击导体 ； o附近的导体 ； 上 会 感 应 注 对1 2 5 0 , s 标1 隹 电馥带，P z ，2 7 5 【 s ) 一 七 出较高的过 电压，为 了限制感应过 电压在 一 定的范围内，则需 增加 导体 f对地 电容到 一 定值 通常接入防护 电窑器 以增 大 对 地 电 容。 如 图 5所 示系统 ，若雷 电幅值为 U。 则在导体 ； 上感应过电压 U 值为 ( 不接八 C 时 ) 。 维普资讯 1 2 年簟 8 知 几种限制过电压的电力电容器 3 3 u = u。 ( 2) 图 5中 为雷 击导体 ，； 为 雷 击导体 附 近导体 ， 。 为 ， 。 间 电容， t 为 对地 电窑 田 5 为 接入 电容器 的电容。若 较小 或 o较 大 ，则U值亦较大，若接八 电容 则 ： U = O + O旦o - t一- O,Uo ( 3) 由( 3) 式可知接入防护电容器后，可以有效 地 限制感应 过 电压的幅值 ，且 C 值 愈大 U 值 愈低。 如果导体 i 为 电机的进线 感应过 电压 将作 用于电机 ，接八防护 电容 器后 可将过 电 压限制在一定范围内。 同样，在 中性点不接地系统 中，与架空 线 路连 接的三绕 组变压器的低压 绕组空载运 行时， 由于此时 低压绕组对 地 电容较小，在 高压绕组来波 时可使低压侧 感应 出较 高的 电 压，变压器 变比越 大， 对变压器的危害程 度 亦越大在低压绕组侧接八防护 电容器后， 即可限制感应过 电压在 一定范 围内。 5 电 容器 的选 取 - s DJ 7 7 9电力设备过 电压保护 设 计 技术 规程 ( 简称 规程 ) 第 1 0 1 条 规定 ： 装在每相母线上保护直配电机匝问绝缘和 防止感应过 电压 的电容器 ，其 电容应为o 2 5 0 5擞法；对于 中性点不能 引出或双排 非 并绕 圈的 电机应为 1 5 2擞法 。 对于容量较小， 中性点不能 引出且无进 线 电缆的 电机 每相 电容量应为 0 5 1擞 法。 规程 第 0 2 条亦对颓装设电容器的 电机 作 了规定 而 J B Z 1 9 2 8 8电力 电容器 产品系列 型 谱 第 3 1 6条规定 防护 电容器额定 电容 值 ( F)为 1 o，1 5， 2 2， 3 3， 4 7 ， 6 8及这 一基本系 列中的值 乘以 1 o的一 1和 一 2次方所得到 的值 。 因此，在选 取电容量时应根据 被保 护 电 机 的实际情况，参照 J B ZI 9 2 -8 8 ，选择 合 理 的 电容值。 三、R C 过 电压 吸收器 真空断路器 由于其诸 多优 点， 已被广泛 利用。但 由于它 的开断能 力很 强，在开 断小 电感负载时会出现截流产生截流过 电压， 三 相 同时开断 产生的过 电压 及由于多次重复 击 穿 引起的 电压级升过 电压。这些 过 电压 会损 害断路器本身和所控制 的设 备如 电机等 ，为 此必须采 用限制过 电压 的措 施 。并联 月一 C 过 电压 吸收器就是通常采取的措施之 一。 1 工作原理 月一 C过 电压吸收器的工作原理是把 电 容 c与 电阻 月 串联作为保护件 ， 并 联在负 载进线 端 口形成 一上-C振荡 回路 ，以降 低过 电压 幅值和陡度并 且在多次 重 复 击 穿 ( 高频复 燃)时 由于 月吸收能量使高频振荡 过程强烈衰减 缩短过渡过程降低过电压以 保护 电机 。 分析 如下： 圈 B电 厦疆 厦 维普资讯 电力电 喜暑 I i 埤簟 3 ；曰 胃 f开 断 时 辱 效 电 路 图 6、 7中DL为真 空断 路器 ， 为 电 机 ，c ， 为 R C过 电压吸收器 电 容 两端 电 压，虚线 框 内为过 电压吸收 器 ，Ur 为 电机 端 口电压 。 由图 7可得 ： LC +RC + o( 4) 求解 ( 4)式可得 Uc=A1 rp l +直2 3 - p ( 5) 式 中 一 + ： 一 告 一 L C 设 R不足 以阻尼 电路的振荡，夸 a = 告 广 ( 6 ) o = = 6为阻尼系 数， o为周有振 荡角频率 ， C O 为振荡角频 率 则 (Pl =一6 +j j ( 7 ) l P 2 =一6 一j 根据初始条件： f l + 2 =U o P I + P 。 ： 一 ， 。 c ( 。 ) 式 中 uo、， o分别为开断瞬 问电容上的 电压 最大值 、流过 电感 电流的最大值。 求解 ( 8)式可得 【 - ： ( U o 一 ， o c ) ( 2 j ) l ； ： ( P c ， 。 +， o c ) ( 2 j ) 。 代入式 ( 5)推导可得 U L=LC 一 Uo - b t S i n ( f 一日 +去 s i n ( f 一 2 日 ) ( 1 0 ) 式 中C o s j3 =b o S i a fl= o ( 1 1 ) 对 于小 电感 电流容易开断设在 电流 最大时开断，此时电压近似过零，则式( 1 o ) 变 形 为 ， U L 号。 S i n( f 一 2 日 ) ( 1 2 ) 由( 1 2 ) 式可知在开断小电感电流时产 生的过 电压与端 I： 1 电容量成反 比，与开断 电 流的最大值成正 比。回路 电阻决定振荡的衰 减速度 。 例 有 一台1 1 0 k V，3 1 5 0 0 k VA 变压 器，其 激磁 电流为 4嘧额定 电流 ，连续式绕 组 、入 口电容 3 0 0 0 p F ， 则在开断 时 产生截 流过电压如图 ( 8)曲线 1 所示。图中 。 、 o为开 断前变压器靖 I： 1 电压 、电流波形U 为额定 电压最 大值 拈 j I l 车 _ l _ J J ! J 土 J J t ，_ 4 I 、 _ 一 一 、 、 l m 5 f ； 4 1 I 6 “ 珂s 圈 B 撮怍垃 电压被 形 田 维普资讯 l 口 2 年第 3 霸 几种 限制 过 电压的 电力 电容曩 若在 变压器端 口并联 一 C过 电压趿收 器 ( 月=1 0 0 f C=0 1 p F)，则变压器端 口电压 渡形为如 图 8曲线 2所示。 显 然。接八 月一 C过 电压 吸收 器后 可降 低操作 过电压幅值与频率。 2 应 用 、 以上所述 ，用 一 C过 电压 吸收 器可 以 限制在开断 变压器，电机 等感 性负载时的操 作过 电压 但实际上它只常用在切断电机以 限铷操作过电压这种场台。其原因是电机允 许的冲击电压值比同级变压器允许值低一倍 或更低 需要对 电机加 以特殊 保护，其二， 由于变压器绕组电感较大。截流时电感贮能 较大 所需电阻热容量也较大 ，使用 R -C 过 电压吸收器时技术经济指标 较差 ( 和使用 避 雷器相 比)，故在 切空变时常采用避 雷器 作为保 护元件 ； 而 电机 的电感较小 ， 截流时 电 机储能较小。用 一C过电压趿收器容易满 足要 求，另外在断路器高频复燃 时， 频率很 高、陡度极大。对电机主绝缘和匝问绝缘危 害极大。亦必须增加端口电容 以 降 低 频 率 同时应增加 回路 电阻， 以加速高频过 电 压的衰减 根据 一些 单位切断高压感 应 电 机 的经 验 过 电压 一般在 3倍左右有的可达 4倍 甚 至更高 一般来说容量越小 过 电压倍数 越大 同等容量舶 电机 电压 越高 过 电压 倍数亦越亩如在开断3 k 、1 1 0 k W 电机 时，最大过 电压 倍 数 可 达 4 3 平均值为 2 8 ，再如用 Z N3 1 0型真空 断 路 器 开 断 3 k V、2 0 0 k W 鼠笼式感 应 电机 的空载电流 时，过 电压倍数 平 均 值 为 1 7 5 蠼大 高达 3 3 3 ， 高出电机 出厂试验 电压值， 因此 必须 加 以 限制。当 电机并联 电容 C=0 4 7 F和 R：5 1 0 f 组成 的 月一 C过 电压吸收器 后 ， 切空载电流时的最大过 电压倍数为2 0 5 R- C过 电压 吸收器和避雷器保护 的 区 别 l=二 ： 有许多单位在用真空断路器开断电机时 采用阀式避雷器或氧代锌避雷器限制操作过 电压，这 与用 R - C过 电压 吸收器 限制操作 过 电压是有本质 区别 的。前者是将 已产 生的 操作过 电压给 以 削平 ，不能降低过 电压 的频率，而后者则是 通过 R和 C的加 八使不 产生高幅值 的的操作 过 电压，且此 过 电压频 率 随 C值 的变化 而变化。 用 避 雷器保护 的 过 电压波形如图 9、1 O 所 示，其 中： 曲线 1为无避雷器 时 电压波形 曲线 2为有避雷器 时 电压波 形 ， 为 避 雷器 冲击波放 电电压 匪1 0曩位 锌鼍 雷暑保护 对于阀式避雷器。串连间隙放 电需要一 定的时延， 因此有 一比 Ur高的小冲击 。氧 化锌避雷 器砌无 时延问题 R C过 电压吸 牧器亦不存在时延问錾 维普资讯 电力电容器 1 9 9 2 年摹 3 翔 四、接地 电容器 此类 电容器和 肪护 电容器具 有相 同的结 构 ，只 是限制的过 电压种 类不 同，在工作条 件 相同时二者 可以互 用 在 电力系统 中， 由于发 生故 障时会出现 零 序 电压 ，这个 电压将通 电容 的 静 电 耦 台，在相邻线路或变压器绕组之 间出现工 频 电压的传递现象。 例如在图1 1 ( a) 所示的系统，负载变压 器的低 压侧开 路，高压侧单相接地， 出现零 序电压 。 ，将通过绕组 间互部分 电容C。 z 与 低压侧三相对地 自部分 电窑 3 c 。 所 组成的 电 容传递回路传至低 压侧 ，使 低压侧 出现传递 过 电压u。 如 图1 1 ( b ) 所 示。 u 彘 由( 1 5 ) 式 可知 ，若 3 C 。 很小 高，变压器绝缘将受 损害。 接鳍理 ( b ) 传 递 回 路 圈 一 地 9 一 叶 一专 一 一 f 古一 ( 日 ) ( B )接线 阻 臣l