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摘 要：利用真空断路器进行并联电容控制，容易在合闸投入过程中出现严重过电压，从而导致相关设备遭受损坏。基于这种认识，本文对合闸的过电压现象和产生机理展开了分析，并对过电压产生过程进行了研究。在此基础上，根据过电压特性，提出了预防投入并联电容器的过电压的措施，以便为关注这一话题的人们提供参考。
关键词：真空断路器；并联电容器；过电压；防护
引言：通过投入并联电容器，能够使电网中的无功功率得到补偿，所以能够使电力系统的功率因素得到提高，从而使电网的电能质量得到有效改善。但在利用真空断路器进行并联电容器投切时常常会出现过电压，以至于给电网的稳定运行带来的威胁。因此，有必要对合闸过程中过电压产生原因展开分析，以便寻求有效的预防措施。
1真空断路器投入并联电容器的过电压问题分析
1.1过电压现象分析
在电力系统中，电容器将起到对系统进行无功补偿的作用，能够使电力系统的功率因数和电压得到提高，并且能够降低线路的损耗。而为了对电容器进行控制，则需要使用真空断路器进行并联电容器的投切操作。但随着电力系统容量的增大，并联电容器容量也在不断增大，操作人员对电容器的操作也越来越频繁。在利用真空断路器进行并联电容投入时，电容器将产生过电压，从而导致电容器的安全受到威胁。以某变电站系统为例，其在进行电容器支路开关合闸时出现了母线侧闸刀三相静触头对开关柜放电的现象，以至于导致开关柜的支柱瓷瓶受损。而该系统运行至今，投切已达数百次，因投入电容器发生多次跳闸事件，每次都将导致电容器开关间隔出现闸刀支柱瓷瓶烧损问题。后将该电容器支路开关更换为其他型号的开关，但是仍然再次发生了过电压故障。从故障特点上来看，故障发生时母线侧闸刀静触头将发生对地闪络现象。此外，过电压出现具有一定随机性，并且与开关型号无必然联系。
1.2过电压产生机理分析
真空断路器合闸的过程中出现过电压现象，与电容器上的电压无法突变和系统电压迅速下降有关。在这一过程中，断路器的动、静触头间隙将逐渐减小，绝缘强度也将不断降低。当二者将的绝缘强度比触头间电压值要小时，就会出现击穿问题，并且引起持续电弧或火花。该种现象被称之为预击穿，回路在触头接触前就已经接头。完成碰撞接触后，在触头间作用力的影响下，动触头容易出现被推开的问题[1]。该现象被称之为合闸弹跳，现象严重时会出现4-5次弹跳。针对40.5kV电压等级以下的真空断路器，弹跳时间需要控制在2ms以内。但实际上，由于触头材料、装备工艺和合闸速度等因素均不相同，所以合闸弹跳时间一般在2-5ms之间。而在合闸时间不同的情况下，回路电流、电压的相位和变化趋势也并不相同。在合闸一瞬间，如果电流不过零，即便出现弹跳现象依然能够使触头间电弧得到维持，所以能够避免回路产生过高的过电压。但是，如果合闸一瞬间的电流即将过零，一旦发生弹跳问题就会导致电弧熄灭。此时，在断路器的截留作用下，电容器支路中的杂散电容贮存能量将与串抗线圈中磁场能量产生激荡，从而导致回路中产生电容和电弧相互充放电的问题，继而导致回路产生高频震荡和恢复电压。而恢复电压的产生，将导致端口击穿电弧复燃。经过多次电弧复燃，就会导致回路中电压级升高[2]。而直到触头间绝缘强度能够达到一定值，触头间电弧才不再熄灭。因此，过电压问题出现之所以具有一定的随机性，与合闸时刻的随机性有关。同时，由于所有的真空断路器都具有截流和合闸弹跳特性，所以更换真空断路器无法对过电压进行预防。
1.3过电压产生过程研究
为寻求预防过电压产生的措施，可以利用电力系统PSCAD计算软件对过电压产生过程进行分析。而该软件为电磁暂态仿真计算软件，可以通过设置参数对变电站10kV系统进行仿真。根据实际情况，可以将变压器容量设为31.5MVA，杂散电容为40pF，串抗单相电感为0.0064H，电容器单向电容为94.75μF。在电容器和母线上，需要进行17kV避雷器的并联，并且将出线电缆等效为電容。在分析的过程中发现，在合闸一瞬间，如果回路电流不过零点，无论是否发生弹跳现象，电容器回路都将处在导通状态。在系统运行0.2254s时，断路器将合闸，而此时母线和串抗电压最大仅为10.727kV。此外，在合闸一瞬间，回路产生了合闸涌流，最高幅值为额定电流3.57倍。但是，在合闸时产生了电流过零点的现象时，断路器就出现了截流现象。此时，回路中的电抗器杂散电容较小，以至于串抗两端出现了较高的过电压[3]。在仿真分析的过程中，断路器在系统运行0.2244s时合闸，此时母线电压和支路B相合闸涌流都将过零点。在合闸过程中，共发生2次弹跳，花费时间3ms。在触头弹开1ms时，B相电弧出现熄火重燃现象。随后在第二次弹跳发生时，B相电流出现截流，三相都出现了过电压。此时，串抗上B相电压幅值达到了71.64kV，其它两相的电压幅值也超出了20kV，远远超出了额定电压幅值。所以，如果合闸过程中产生弹跳和重燃问题，就容易导致过电压的产生，继而引发绝缘闪络。因此，想要预防断路器合闸时电容器回路中产生过电压，还要采取措施限制电压幅值。
2预防真空断路器投入并联电容器的过电压产生的措施
2.1加装避雷器
通过分析可以发现，合闸弹跳的过电压的产生与电抗器与杂散电容间的谐振的产生有关。所以，可以通过在串抗侧加装避雷器对二者之间的谐振进行抑制。而避雷器具有成本低、体积小和安装便利的特点，所以在变电站中得到了广泛应用。在仿真分析的过程中，使用了17kV的避雷器，其持续运行电压将达到13.6kV。而在避雷器的限制下，尽管变电站电容器支路的三相均出现了过电压，但是母线电压仍然得到了限制。所以，通过在串抗上加装避雷器，将能够避免断路器合闸对母线电压产生过多影响[4]。而经过仿真分析可以发现，在串抗上加装避雷器后，电容器支路的三相最高过电压为25kV。因此，通过加装避雷器，能够使合闸弹跳和重燃产生的过电压得到有效抑制。 2.2加装过电压保护装置
在投入电容器的过程中，回路過电压现象将出现在过渡过程中。所以，通过在回路中加装电阻元件等过电压保护装置，将能够利用电阻阻尼作用增大回路衰减系数，从而使回路的过电压幅值得到降低。具体来讲，就是使用L-R过电压保护装置，以便利用电阻和电感元件进行电容器的保护。通过将该装置串联到电容器支路中，一旦支路发生合闸弹跳或重燃问题，该保护装置就能够在电容器两端产生较高电压，从而使电容器闭合[5]。因此，使用过电压保护装置，相当于在回路中添加了一阶跃电压，能够有效防止过电压的产生。
2.3加装RC保护器
在电容器支路中加装RC保护器，可以起到吸收过电压能量和抑制过电压陡度的作用，所以能够降低回路中的振动频率，并且使过电压的幅值得到限制。而RC保护器由电容与电阻构成，能够起到保护电路的作用。而投入电容器的过程，其实就是利用电容电感串接电路的过程，所以该操作将导致较高的过电压产生。使用RC保护器，则能够在支路产生高频振荡时将过电压降至2倍以下，并且在支路断路器重燃时将过电压降至4倍以下[6]。但是，如果发生多次重燃，电路就将产生数倍的过电压，因此RC保护器将无法有效实现电路保护。
结论：总之，在真空断路器合闸的过程中，如果出现弹跳和熄灭-重燃问题，就会导致回路中产生较高的过电压。而由于合闸时刻具有一定随机性，所以过电压的产生具有一定的随机性。所以，想要对断路器投入并联电容器的过电压进行预防，还要对合闸过电压进行抑制。为此，可以通过在回路中加装避雷器、L-R过电压保护装置和RC保护器等保护装置，从而使合闸过电压得到有效抑制。
参考文献
[1] 安韵竹，文习山，张婷婷等.SF_6断路器预击穿引起并联电抗器合闸过电压的原因及防护措施[J].高电压技术，2013，01：75-80.
[2] 谢天喜，周志成，陶风波等.真空断路器开断并联电抗器保护措施仿真分析[J].中国电力，2014，01：39-43+70.
[3] 吉亚民，周志成，马勇等.真空断路器投切并联电抗器过电压故障分析[J].江苏电机工程，2014，02：12-14.
[4] 杨庆，欧阳沙，司马文霞等.真空断路器快速合-分闸操作10kV并联电容器的过电压机理[J].高电压技术，2014，10：3135-3140.
[5] 丁大鹏.牵引变电所并联电容器组操作过电压分析[J].电气技术，2012，12：44-47.
[6] 王金辉，郎福成.40.5kV真空断路器开合并联电容器组产生过电压的仿真分析[J].电工材料，2015，04：15-20.
关键词：真空断路器；并联电容器；过电压；防护
引言：通过投入并联电容器，能够使电网中的无功功率得到补偿，所以能够使电力系统的功率因素得到提高，从而使电网的电能质量得到有效改善。但在利用真空断路器进行并联电容器投切时常常会出现过电压，以至于给电网的稳定运行带来的威胁。因此，有必要对合闸过程中过电压产生原因展开分析，以便寻求有效的预防措施。
1真空断路器投入并联电容器的过电压问题分析
1.1过电压现象分析
在电力系统中，电容器将起到对系统进行无功补偿的作用，能够使电力系统的功率因数和电压得到提高，并且能够降低线路的损耗。而为了对电容器进行控制，则需要使用真空断路器进行并联电容器的投切操作。但随着电力系统容量的增大，并联电容器容量也在不断增大，操作人员对电容器的操作也越来越频繁。在利用真空断路器进行并联电容投入时，电容器将产生过电压，从而导致电容器的安全受到威胁。以某变电站系统为例，其在进行电容器支路开关合闸时出现了母线侧闸刀三相静触头对开关柜放电的现象，以至于导致开关柜的支柱瓷瓶受损。而该系统运行至今，投切已达数百次，因投入电容器发生多次跳闸事件，每次都将导致电容器开关间隔出现闸刀支柱瓷瓶烧损问题。后将该电容器支路开关更换为其他型号的开关，但是仍然再次发生了过电压故障。从故障特点上来看，故障发生时母线侧闸刀静触头将发生对地闪络现象。此外，过电压出现具有一定随机性，并且与开关型号无必然联系。
1.2过电压产生机理分析
真空断路器合闸的过程中出现过电压现象，与电容器上的电压无法突变和系统电压迅速下降有关。在这一过程中，断路器的动、静触头间隙将逐渐减小，绝缘强度也将不断降低。当二者将的绝缘强度比触头间电压值要小时，就会出现击穿问题，并且引起持续电弧或火花。该种现象被称之为预击穿，回路在触头接触前就已经接头。完成碰撞接触后，在触头间作用力的影响下，动触头容易出现被推开的问题[1]。该现象被称之为合闸弹跳，现象严重时会出现4-5次弹跳。针对40.5kV电压等级以下的真空断路器，弹跳时间需要控制在2ms以内。但实际上，由于触头材料、装备工艺和合闸速度等因素均不相同，所以合闸弹跳时间一般在2-5ms之间。而在合闸时间不同的情况下，回路电流、电压的相位和变化趋势也并不相同。在合闸一瞬间，如果电流不过零，即便出现弹跳现象依然能够使触头间电弧得到维持，所以能够避免回路产生过高的过电压。但是，如果合闸一瞬间的电流即将过零，一旦发生弹跳问题就会导致电弧熄灭。此时，在断路器的截留作用下，电容器支路中的杂散电容贮存能量将与串抗线圈中磁场能量产生激荡，从而导致回路中产生电容和电弧相互充放电的问题，继而导致回路产生高频震荡和恢复电压。而恢复电压的产生，将导致端口击穿电弧复燃。经过多次电弧复燃，就会导致回路中电压级升高[2]。而直到触头间绝缘强度能够达到一定值，触头间电弧才不再熄灭。因此，过电压问题出现之所以具有一定的随机性，与合闸时刻的随机性有关。同时，由于所有的真空断路器都具有截流和合闸弹跳特性，所以更换真空断路器无法对过电压进行预防。
1.3过电压产生过程研究
为寻求预防过电压产生的措施，可以利用电力系统PSCAD计算软件对过电压产生过程进行分析。而该软件为电磁暂态仿真计算软件，可以通过设置参数对变电站10kV系统进行仿真。根据实际情况，可以将变压器容量设为31.5MVA，杂散电容为40pF，串抗单相电感为0.0064H，电容器单向电容为94.75μF。在电容器和母线上，需要进行17kV避雷器的并联，并且将出线电缆等效为電容。在分析的过程中发现，在合闸一瞬间，如果回路电流不过零点，无论是否发生弹跳现象，电容器回路都将处在导通状态。在系统运行0.2254s时，断路器将合闸，而此时母线和串抗电压最大仅为10.727kV。此外，在合闸一瞬间，回路产生了合闸涌流，最高幅值为额定电流3.57倍。但是，在合闸时产生了电流过零点的现象时，断路器就出现了截流现象。此时，回路中的电抗器杂散电容较小，以至于串抗两端出现了较高的过电压[3]。在仿真分析的过程中，断路器在系统运行0.2244s时合闸，此时母线电压和支路B相合闸涌流都将过零点。在合闸过程中，共发生2次弹跳，花费时间3ms。在触头弹开1ms时，B相电弧出现熄火重燃现象。随后在第二次弹跳发生时，B相电流出现截流，三相都出现了过电压。此时，串抗上B相电压幅值达到了71.64kV，其它两相的电压幅值也超出了20kV，远远超出了额定电压幅值。所以，如果合闸过程中产生弹跳和重燃问题，就容易导致过电压的产生，继而引发绝缘闪络。因此，想要预防断路器合闸时电容器回路中产生过电压，还要采取措施限制电压幅值。
2预防真空断路器投入并联电容器的过电压产生的措施
2.1加装避雷器
通过分析可以发现，合闸弹跳的过电压的产生与电抗器与杂散电容间的谐振的产生有关。所以，可以通过在串抗侧加装避雷器对二者之间的谐振进行抑制。而避雷器具有成本低、体积小和安装便利的特点，所以在变电站中得到了广泛应用。在仿真分析的过程中，使用了17kV的避雷器，其持续运行电压将达到13.6kV。而在避雷器的限制下，尽管变电站电容器支路的三相均出现了过电压，但是母线电压仍然得到了限制。所以，通过在串抗上加装避雷器，将能够避免断路器合闸对母线电压产生过多影响[4]。而经过仿真分析可以发现，在串抗上加装避雷器后，电容器支路的三相最高过电压为25kV。因此，通过加装避雷器，能够使合闸弹跳和重燃产生的过电压得到有效抑制。 2.2加装过电压保护装置
在投入电容器的过程中，回路過电压现象将出现在过渡过程中。所以，通过在回路中加装电阻元件等过电压保护装置，将能够利用电阻阻尼作用增大回路衰减系数，从而使回路的过电压幅值得到降低。具体来讲，就是使用L-R过电压保护装置，以便利用电阻和电感元件进行电容器的保护。通过将该装置串联到电容器支路中，一旦支路发生合闸弹跳或重燃问题，该保护装置就能够在电容器两端产生较高电压，从而使电容器闭合[5]。因此，使用过电压保护装置，相当于在回路中添加了一阶跃电压，能够有效防止过电压的产生。
2.3加装RC保护器
在电容器支路中加装RC保护器，可以起到吸收过电压能量和抑制过电压陡度的作用，所以能够降低回路中的振动频率，并且使过电压的幅值得到限制。而RC保护器由电容与电阻构成，能够起到保护电路的作用。而投入电容器的过程，其实就是利用电容电感串接电路的过程，所以该操作将导致较高的过电压产生。使用RC保护器，则能够在支路产生高频振荡时将过电压降至2倍以下，并且在支路断路器重燃时将过电压降至4倍以下[6]。但是，如果发生多次重燃，电路就将产生数倍的过电压，因此RC保护器将无法有效实现电路保护。
结论：总之，在真空断路器合闸的过程中，如果出现弹跳和熄灭-重燃问题，就会导致回路中产生较高的过电压。而由于合闸时刻具有一定随机性，所以过电压的产生具有一定的随机性。所以，想要对断路器投入并联电容器的过电压进行预防，还要对合闸过电压进行抑制。为此，可以通过在回路中加装避雷器、L-R过电压保护装置和RC保护器等保护装置，从而使合闸过电压得到有效抑制。
参考文献
[1] 安韵竹，文习山，张婷婷等.SF_6断路器预击穿引起并联电抗器合闸过电压的原因及防护措施[J].高电压技术，2013，01：75-80.
[2] 谢天喜，周志成，陶风波等.真空断路器开断并联电抗器保护措施仿真分析[J].中国电力，2014，01：39-43+70.
[3] 吉亚民，周志成，马勇等.真空断路器投切并联电抗器过电压故障分析[J].江苏电机工程，2014，02：12-14.
[4] 杨庆，欧阳沙，司马文霞等.真空断路器快速合-分闸操作10kV并联电容器的过电压机理[J].高电压技术，2014，10：3135-3140.
[5] 丁大鹏.牵引变电所并联电容器组操作过电压分析[J].电气技术，2012，12：44-47.
[6] 王金辉，郎福成.40.5kV真空断路器开合并联电容器组产生过电压的仿真分析[J].电工材料，2015，04：15-20.