摘 要：介绍一种降低并联电容器极间操作过电压的新型保护装置——自控式过电压限制器，它通过火花间隙在极间并接放电电阻实现过电压保护。经试验和挂网试运行考核，装置性能与结构均满足运行的要求，能有效降低电容器组操作过电压。
关键词：电容器 过电压 保护装置
0 前 言
随着电网容量的迅速增大，并联电容器总装容量及单组容量亦越来越大。因其操作频繁产生过电压乃至引发绝缘事故时有发生，迄今的解决途径主要有二：一是选用性能良好即重击穿概率低的开关；二是选用合适的MOA过电压保护，它方便有效且广为应用。但由于过电压保护配置不完善，引起运行中并联电容器事故时有发生，为此，作者在分析研究并联电容器操作过电压的机理和现行保护配置方案的基础上研制成一种新型的过电压保护装置——“自控式过电压限制器”，从抑制开关重击穿的发生和迅速吸收电容器储存的能量两方面来解决操作过电压的保护问题。第一套10 kV样机业已通过了各项试验。
1 并联电容器操作过电压特性及保护措施
并联电容器的运行条件严酷，始终工作于额定电压和额定出力状态，贮能大，场强高(约为其它设备的5～30倍)，而极间绝缘相对较弱。因中性点不接地，断路器正常开断操作时首开相断口恢复电压为2.5 p.u，虽其按工频上升速度较慢，但幅值远高于开断其他负荷的情况［1～2］(如开断试验时，首开相系数为1.5)。由于电容量大，开断后剩余电压的衰减亦十分缓慢，即使用专用放电线圈，电容器上的剩余电压维持初始电压90%以上时间可达10余周波，若仅靠电容器内放电电阻，则如此高的电压将维持数秒，加大了重击穿的可能。
1.1 开关问题
现行标准规定：电容器组应使用无重击穿开关，但实际并无“无重击穿开关”。大量试验数据表明：国产10 kV真空断路器平均重击穿率约(2～4)%，经老炼后可<1%，按“单相回路法”老炼则可降至0.2%左右［3］。35 kV真空断路器的平均重击穿率(试验操作总相次中出现重击穿的百分率，由重击穿诱发的多次重击穿均按1次统计)可达(5～10)%。由于电容器用开关每年数百至上千次频繁操作，即使0.2%的重击穿率，仍是不容忽视的安全问题。
分析开断电容器时［4］的重击穿过程可知：
①影响重击穿发生最显著的因素除断口介质强度外就是断口间恢复电压Ur的波形，它取决于外部电路结构。大量试验证实真空断路器(特别是未经严格老炼的真空断路器)虽也有可能重击穿于Ur已经过开断后数十甚至数百ms充分衰减后的峰值附近，但仍以最大峰值附近出现的概率占多数。故应按最大过电压考虑电容器装置的安全。
②单相重击穿出现的概率远较两相重击穿和多相多次重击穿的大。计算和试验均表明，不加保护时，单相重击穿产生相对地过电压>5 p.u，采用I型(接于三相对地)MOA或L型(接于中性点对地)MOA时可限制到<4 p.u。
单相重击穿的危害还在于其过电压向非重击穿相传递，引起Ur的瞬时跃增并诱发两相重击穿。现场试验的示波图表明：即使装有I型MOA，发生单相重击穿瞬间，非重击穿相Ur将跃增至3倍额定相电压Un即3.0 p.u，超过正常开断时的最大Ur值2.5Un。之后，又继续升高达3.6Un。如此高的Ur无疑会增大重击穿的可能。
③两相重击穿发生的概率相对低些，但后果严重得多。由于真空断路器(或SF6断路器)的灭弧能力很强，当发生两相重击穿时，往往在高频暂态电流过零时便被强行熄灭，使电容器极间电压维持在高幅值(可达3 p.u)处，然后缓慢地衰减泄放。这对绝缘水平较弱的电容器极间绝缘十分危险。同时，两相重击穿伴随的高幅值高频振荡电流冲击对设备亦颇具破坏力。从试验可知：两相重击穿中由两相的单相重击穿偶然重叠造成两相重击穿的可能性极小，多由单相重击穿诱发。因此，总的两相重击穿将不是一个很小的数字，系统试验站对35 kV真空断路器进行的试验表明其两相重击穿率约在(0.5～1)%，此点尤需注意。
1.2 过电压保护配置的现状
因电容器装置的开关重击穿难以避免，故必须有过电压保护配置。迄今应用最广的仍是MOA，但事故仍时有发生。故近年来对MOA的结构方式、参数选配以及高参数高性能的新品开发方面及在过电压过程分析和MOA自身的性能分析等方面都作了大量有益的和有成效的工作。
我国多使用I型MOA，一般接于开关的电容器侧或串联电抗器与电容器之间(当串联电抗器位于开关侧时)，均为三相对地。接于中性点对地的L型用得少些。两类型MOA均能保护单相重击穿引起的相对地过电压，对两相重击穿和继发性单相重击穿的发生亦有一定抑制。但对电容器极间过电压无效，由于电容器极间绝缘水平低(工频耐压仅2.15Un)，若MOA的操作波电流残压按此考虑绝缘配合，其通流容量须大幅度提高，对于大容量的电容器组，则MOA的参数更难满足要求。同时，由于MOA正常工作时的荷电率过高且操作频繁，并接于电容器两端之间保护极间绝缘的Y型MOA在使用中易于老化损坏，在我国电力系统中使用不多，因此目前的MOA技术较难保护电容器极间绝缘，电容器过电压保护配置不够完善。
2 “自控式过电压限制器”的工作原理
我所研制的新型“自控式过电压限制器”装置在开关断开时利用火花间隙在电容器两极之间自动接入电阻，使电容器组残余电压迅速降低，Ur减小，从而抑制开关重击穿的发生、降低重击穿过电压的幅值［5］。该装置最大特点是通流容量远大于MOA。
2.1 开断电容器组的恢复电压过程
开断电容器组时断口电压恢复过程主要取决于被开断电路的电容网络特性［6］。该电容网络由三相Y接主电容及其对地电容组成，开关断口电容器侧的三相对地电容远小于主电容，故实际电路可简化成三相Y接主电容与中性点对地电容C0串联。
如B相首开，t=0时电流过0断开，其电容CB上电压为母线相电压Um，即：
UCB＝1.0Um； UCC＝UCA＝－0.5Um。
5 ms后，剩余两相(C及A相)电流同时过0断开，CC与CA上电压分别为：
UCC＝0.37Um； UCA＝－1.37Um。
而中性点对地电压U0＝0.5Um；其衰减由对地绝缘电阻决定。开关的电容器侧对地电压：
UA＝－0.87Um，UB＝1.50Um，UC＝0.87Um，
若考虑串联电抗器的存在，则这些数值将略大一些。
三相断口恢复电压为电源电压与电容器侧对地电压之差值，其最大值及出现时间为：
t=10 ms时，UrB＝2.5Um，
t=16.6 ms时，UrC＝1.87Um，
t=13.3 ms时，UrA＝1.87Um。
首开相UrB和另二相UrC、UrA分别自0和5 ms起始，呈工频分量与不同直流衰减分量迭加波形。大量试验证实：三相的恢复电压波形在起始至最大值的区段内有较好的重复性，因C
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