电容器组投切过电压

1、并联电容器组操作过电压分析 在电力系统中在电力系统中, ,电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。确电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。确保电力系统的正常运行保电力系统的正常运行, ,供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。 电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制, ,即对系统进行无即对系统进行无功补偿。进行无功补偿的方法很多功补偿。进行无功补偿的方法很多, ,主要有主要有: :同步发电机补偿、同步电动机补同步发电机补偿、同步电动机补偿、同步调相机补偿、并联电容器组

2、补偿及用静止无功补偿装置进行无功补偿、同步调相机补偿、并联电容器组补偿及用静止无功补偿装置进行无功补偿等。偿等。 目前国内用得较普遍的是并联补偿电容器目前国内用得较普遍的是并联补偿电容器, ,它可根据需要由若干电容器串、并它可根据需要由若干电容器串、并联组成联组成, ,容量可大可小容量可大可小, ,即可以集中使用、又可以分散使用即可以集中使用、又可以分散使用, ,且可分相补偿且可分相补偿, ,可可随时分组投切随时分组投切, ,具有运行灵活具有运行灵活, ,有功损耗小有功损耗小, ,维护方便维护方便, ,投资少等优点投资少等优点, ,因此因此, ,并并联补偿电容器组作为一种无功电源被广泛应用于电

3、网的无功补偿联补偿电容器组作为一种无功电源被广泛应用于电网的无功补偿, ,以提高电压以提高电压质量和功率因数质量和功率因数, ,减小电能损耗。减小电能损耗。 近年来近年来, ,随着电网容量的迅速增大和对电能质量要求的不断提高随着电网容量的迅速增大和对电能质量要求的不断提高, ,电容器电容器的投切的投切操作越来越频繁。低压无功补偿装置的投切采用晶闸管投切技术操作越来越频繁。低压无功补偿装置的投切采用晶闸管投切技术, ,能精确能精确地控制地控制电容器的投切时刻电容器的投切时刻, ,从而最大限度地减少投切时的冲击电从而最大限度地减少投切时的冲击电流和过流和过电压。而高压电压。而高压电容器的投切电容器

4、的投切, ,由于受到可控硅器件耐压的限制不由于受到可控硅器件耐压的限制不能做到无触点精确控制能做到无触点精确控制, ,都都是利用断路器来投切是利用断路器来投切, ,不可避免地带来操作过不可避免地带来操作过电压。另外电压。另外, ,真空断路器被真空断路器被大面积大面积应用应用, ,由于其开断特性和电弧特性与以由于其开断特性和电弧特性与以往使用的油断路器不尽相同往使用的油断路器不尽相同, ,使得使得操作过操作过电压引起的故障现象有了一些电压引起的故障现象有了一些新的特性新的特性, ,不少性能比较差的国产真空断路器不少性能比较差的国产真空断路器分闸分闸时重燃现象严重。时重燃现象严重。 并联电容器组操

5、作过电压的危害总的来说主要是损坏并联电容器并联电容器组操作过电压的危害总的来说主要是损坏并联电容器组的设备组的设备, ,持续持续的过电压会大大降低电容器装置的寿命的过电压会大大降低电容器装置的寿命, ,严重的操严重的操作过电压会破坏电容器作过电压会破坏电容器的对的对地绝缘或发生极间击穿地绝缘或发生极间击穿, ,使电容器装置使电容器装置不能正常运作不能正常运作, ,进而牵连和破坏系统进而牵连和破坏系统中其他中其他设备设备, ,影响电网的正常影响电网的正常运行。运行。 并联电容器过电压操作过电压： 合闸过电压 分闸过电压 并联电容器组分闸过电压主要是指分闸重燃过电压并联电容器组分闸过电压主要是指分

6、闸重燃过电压, ,包括单相重燃和多包括单相重燃和多相重燃过相重燃过电压。重燃过电压是由于切除电容器组时因开关的重燃而引起电压。重燃过电压是由于切除电容器组时因开关的重燃而引起的的, ,当开当开关断开关断开电流熄灭后电流熄灭后, ,电容器组上的残存电荷在短时间内无法释放电容器组上的残存电荷在短时间内无法释放, ,电容器组上将电容器组上将残留直流残留直流电压电压, ,假如开关弧隙绝缘恢复的速度低于恢复电假如开关弧隙绝缘恢复的速度低于恢复电压增长的速度压增长的速度, ,一旦真空一旦真空开关开关的电气恢复强度不能承受加于其上的暂态的电气恢复强度不能承受加于其上的暂态恢复电压恢复电压, ,将发生重击穿将

7、发生重击穿, ,引起引起电磁振荡电磁振荡, ,产生重燃过电压。真空断路器产生重燃过电压。真空断路器投切电容器组产生过电压投切电容器组产生过电压, ,所有成因都所有成因都归结为归结为电流过零后一段时间内电流过零后一段时间内( (几几msms至至几几s),s),弧隙动态介质恢复强度低于恢复弧隙动态介质恢复强度低于恢复电压而电压而导致电流重现。导致电流重现。 电容器在开断过程中,若开关不发生重燃,电容器组为自然开断,即电容器组正常分闸。图1所示是并联电容器组的简化电路图,中性点对地电容远小于补偿电容。假设断路器动作后,在t=0ms时,A相电流先过零,熄弧,此时A相电源恰为最大值,即相电压峰值Um(以

8、下未作特别说明的电压倍数均以相电压峰值为单位)。由于A相电容器的电荷无法释放,故A相电容上有直流电压1.O,B、C相电容上有直流电压0.5 。ACBcba110.50.50.50.5t=0ms,A相电流过零时断开0.5o+ 过四分值之一工频周期后,B、C相间电压最大,电流过零,两相同时熄弧,此时A相电容上保持1不变,B、C两相电容则相应加上原直流分量0.5,分别为0.37和-1.37,中性点电位为0.5。所以,正常分闸情况下,电容器极间只耐受1.37的过电压作用,对地仅耐受0.5电压,不会对电容器绝缘构成威胁。 iBC=0 Uan=Um， Ubn=0.37Um , Ucn=-1.37Um ,U

9、nm=0.5Um, B、C相同时熄弧t=5ms,B、C相间电压最大时两相断开ABC00.870.8710.371.370.5+ 分闸单相重燃 断路器各项触头恢复电压最大：断路器各项触头恢复电压最大： A:10msA:10ms 2.5U2.5Um m B:16.7msB:16.7ms 1.87U1.87Um m C:13.3msC:13.3ms -1.87U-1.87Um m 断路器三相分闸后, t=10ms时,A相断路器断口上的恢复电压将达2.5,B相和C相的断口电压分别为0.37和-1.37。如此时A相发生重燃,由于回路中有串联电抗等电感元件存在,A相电源经A相电容器和中性点电容接通,形成自

10、由振荡。忽略损耗,A相对地电压将达2(-)l-(1+0.5)=3.5,由于A相电容远小于中性点杂散电容,过电压主要加在中性点电容上,A相电容上的电容基本未变,所以中性点电位达到(-3.5-1)=-4.5,其他相的对地电位也将升高,C相对地电位为(-1.37)+(-4.5)=-5.87,B相对地电位为0.37+(-4.5)=4.13。t=0.01ms,A相开关断口电压最大10.50.510.371.370.5t=0.01ms,A相重燃10.50.510.371.37-4.5 由于中性点不接地系统允许单相接地运行2小时,因此在电源侧单相接地故障情况下也可能开断电容器组,可用类似的分析方法求得相对地

11、过电压最高达到-8.5,中性点电位达到-6.83比无故障情况下的单相重燃过电压更严重。 分闸两相重燃 断路器分闸两相重燃分为两相非同时重燃和两相同时重燃两种情况。由于单相重燃时回路的振荡频率很高,中性点电压在很短的时间内上升,使其他两相的断路器断口间恢复电压迅速上升,导致另一相随后重燃,这种情况是两 相 非 同 时 重 燃 。 由 前 分 析 可 知 , A 相 重 燃 后 C 相 恢 复 电 压 可 达(1.0+5.87)=6.87,假设C相在断口恢复电压最大时重燃,一方面主要时A、C相电源通过串联电抗对C充电,使A、C相电容上的电压增大,另一方面A、C相电源通过串联电感和C对中性点电容充电

12、,使中性点上的电压出现振荡。用类似的方法分析可得,A相电容上的电压为-2.87,C相电容上的电压为2.5,中性点电位和相对地电压最大值基本等同于C相重燃前的状态; 除了由单相重燃引起的两相非同时重燃情况外除了由单相重燃引起的两相非同时重燃情况外, ,实际运行中也可能实际运行中也可能发生发生A A、C C两相同时重燃两相同时重燃, ,假设两相重燃在假设两相重燃在A A、C C相相间电压最大时发相相间电压最大时发生生, ,此时此时A A、C C相的电容器极间过电压接近最严重情况相的电容器极间过电压接近最严重情况, ,用类似的方用类似的方法分析可得法分析可得A A相电容器极间电压达到相电容器极间电压

13、达到3.3.1 1,C,C相电容极间电压为相电容极间电压为2.73,2.73,考虑串联电抗器的影响考虑串联电抗器的影响, ,用运算法可得电容器最大极间电压为用运算法可得电容器最大极间电压为3.1(1+k),k3.1(1+k),k为串联电抗率。显然为串联电抗率。显然, ,两种两相重燃情况的电容器两种两相重燃情况的电容器极间极间过电压均超过了电容器极间操作冲击耐压水平。过电压均超过了电容器极间操作冲击耐压水平。 合闸过电压并联电容器组的操作过电压主要是指分闸重燃过并联电容器组的操作过电压主要是指分闸重燃过电压电压,合闸时一般不会合闸时一般不会产生威胁产生威胁电容器绝缘的过电电容器绝缘的过电压。按照

14、开关三相合闸的不同情况划分压。按照开关三相合闸的不同情况划分,合闸过电合闸过电压压主要有主要有:三相同时合闸过电压、非同期合闸过电三相同时合闸过电压、非同期合闸过电压、合闸时触头弹跳过电压等压、合闸时触头弹跳过电压等,其中由其中由合闸弹跳引合闸弹跳引起的过电压最主要。起的过电压最主要。 (1)(1)正常合闸正常合闸 电容器合闸时电容器合闸时, ,电容器两端的电压由两部分组成电容器两端的电压由两部分组成, ,即工频部分和高频部分即工频部分和高频部分, ,工频部分就是电容器两端的稳态电压工频部分就是电容器两端的稳态电压, ,高频部分为暂态电压高频部分为暂态电压, ,产生极间过产生极间过电压主要因为

15、存在高频暂态电压电压主要因为存在高频暂态电压, ,而暂态电压与合闸瞬间电源电压的初而暂态电压与合闸瞬间电源电压的初相角以及电容器上的残压有关。未充电的电容器合闸时相角以及电容器上的残压有关。未充电的电容器合闸时, ,极间过电压的极间过电压的最大值不会超过其额定电压峰值的最大值不会超过其额定电压峰值的2 2。如果电容器处于充电状态。如果电容器处于充电状态, ,而充电而充电电压和系统电压大小相等电压和系统电压大小相等, ,极性相反时极性相反时, ,合闸时的极间过电压可能达到合闸时的极间过电压可能达到3 3。 (2)(2)非同期合闸非同期合闸 断路器非同期合闸时断路器非同期合闸时, ,可能出现其中一

16、相先合闸使电容器充电可能出现其中一相先合闸使电容器充电, ,而而其它两其它两相接通相接通时时, ,可能会遇到大小相近可能会遇到大小相近, ,极性相反的工况极性相反的工况, ,发生非同发生非同期合闸过电压。期合闸过电压。05001000150020002500300035004000t/s05001000150020002500300035004000|Us|/V0 k100 k500 k0 k100 k500 k05001000150020002500300035004000t/s05001000150020002500300035004000 |Us|/kV (3)(3)合闸弹跳合闸弹跳 由

17、于真空开关的触头是平面接触由于真空开关的触头是平面接触, ,在合闸时难以完全避免弹跳现象在合闸时难以完全避免弹跳现象, ,这样这样就将出现电弧断开又接通的重复过程就将出现电弧断开又接通的重复过程, ,与电容器充电状态下的重新合闸与电容器充电状态下的重新合闸的状态相近似的状态相近似, ,当触头接通瞬间发生弹跳当触头接通瞬间发生弹跳, ,其电流高频过零时其电流高频过零时, ,发生熄弧发生熄弧, ,此时在电容器上已充有电荷此时在电容器上已充有电荷, ,当触头再次接通时当触头再次接通时, ,有如断路器发生分闸重有如断路器发生分闸重燃一样燃一样, ,产生较高的合闸过电压产生较高的合闸过电压, ,同时电容器极间也会产生较大的过电压。同时电容器极间也会产生较大的过电压。一般来说一般来说, ,合闸弹跳过电压比重击穿过电压要低。但因电容器组需进行合闸弹跳过电压比重击穿过电压要低。但因电容器组需进行经常操作经常操作, ,在这样的过电压多次冲击下在这样的过电压多次冲击下, ,电容器的绝缘劣化速度将加快。电容器的绝缘劣化速度将加快。0500100015002000250030003500t/s05001000150020002500300035004000|Us|/