王 勇，陳 偉，勞斯佳

（1.國網(wǎng)陜西省電力檢修公司，西安 710048；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

并聯(lián)電容器組及其避雷器組通常均采用星形接線方式，避雷器組的中性點接地，而電容器組的中性點不接地，見圖1。避雷器僅用作電容器組相對地過電壓保護(hù)，但對電容器組相對中性點的過電壓不能起到保護(hù)作用[1-2]。如果要對電容器組相對中性點過電壓進(jìn)行保護(hù)，則必須將避雷器與電容器組直接并聯(lián)，而電容器組的容量非常大，避雷器需要具有非常高的能量吸收能力，否則很容易發(fā)生爆炸，這就極大地增高了避雷器的制造難度和安全隱患[3-5]。因此，我國現(xiàn)行并聯(lián)電容器裝置標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，不允許采用避雷器與電容器組直接并聯(lián)的接線方式[6-7]。

當(dāng)電容器組相對地之間產(chǎn)生較高過電壓時，避雷器會動作吸收能量。避雷器吸收能量的能力應(yīng)該滿足在最高過電壓水平時注入避雷器的能量[8-9]。圖1中避雷器的吸收能量理論上相對較小，我國目前關(guān)于該避雷器能量的設(shè)計主要憑借經(jīng)驗，裕度相對較大，缺少系統(tǒng)的研究和試驗驗證[10-12]。

圖1 并聯(lián)電容器裝置用避雷器接線方式Fig.1 Wiring of shunt capacitor installation arrester

筆者建立了10 kV并聯(lián)電容器組重?fù)舸┠M試驗平臺，通過選相技術(shù)，模擬出相對地產(chǎn)生最高過電壓水平的工況，實際測量得出避雷器上的電壓波形與電流波形，并計算得到注入避雷器的能量，分析影響避雷器吸收能量的因素，為工程設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 避雷器吸收能量試驗方法

并聯(lián)電容器組的避雷器僅用作操作過電壓保護(hù)，對于雷電沖擊殘壓沒有要求[13-14]。電容器組的操作過電壓包括合閘過電壓和分閘過電壓。研究表明，在不考慮衰減的條件下，電容器組正常合閘時的最大合閘過電壓為2Um（Um為電容器組的額定電壓峰值）[15-17]。對于電容器來說，峰值為2Um的操作過電壓是安全的，避雷器不需要動作保護(hù)[18-20]。而且隨著斷路器制造水平的進(jìn)步，合閘彈跳引起的過電壓問題也已可以忽略不計[21-22]。因此，設(shè)計避雷器能量時可以不考慮合閘過電壓的影響。

電容器組用避雷器主要對分閘過電壓進(jìn)行保護(hù)。研究表明：電容器組正常分閘時，相對地最高過電壓峰值理論上為1.5Um，但是當(dāng)分閘出現(xiàn)重?fù)舸r，相對地最高過電壓峰值理論上可以達(dá)到5.87Um[23-25]。另外，由于電源為中性點不接地系統(tǒng)，允許單相接地情況下運行2 h，所以理論上存在單相接地后電容器組開關(guān)分閘重?fù)舸┑那闆r，但發(fā)生這種工況的概率很低，而兩相重?fù)舸└怕矢蚚26-27]，因此，本文僅對單相重?fù)舸┻M(jìn)行模擬試驗。

筆者在大功率試驗站開展了10 kV并聯(lián)電容器裝置分閘重?fù)舸┠M試驗，采用實際工程中運行的電容器組作為試品，選取典型工況進(jìn)行試驗，實際測量分閘重?fù)舸┻^程的電壓和電流波形，計算得出避雷器吸收能量。

試驗方案見圖2。在試驗過程中，利用PEM CWT6 LF羅氏線圈測量主回路電流，靈敏度為5 mV/A，可測電流峰值為1.2 kA，頻率范圍為0.27 Hz～6.5 MHz。利用Pearson101線圈測量流過避雷器的電流，靈敏度為10 mV/A，最大測量電流峰值為50 kA，頻率范圍0.25 Hz～4 MHz。利用NRV-150寬頻分壓器測量避雷器兩端電壓，最高直流耐壓150 kV，頻率范圍0～20 MHz。利用示波器對6路電流和3路電壓信號進(jìn)行錄波，采樣頻率5 MS/s。

圖2 分閘重?fù)舸┠M試驗方案原理圖Fig.2 The schematic of restriking simulation test program

圖2 中，K1為試驗站原有斷路器，K2為本次試驗電容器裝置配套投切斷路器。由于目前斷路器分閘重?fù)舸┑母怕屎艿?，為了提高試驗效率，并?zhǔn)確控制重?fù)舸┑南辔?，采用真空斷路器與真空觸發(fā)開關(guān)（TVS）并聯(lián)的方案，當(dāng)斷路器K2電流過零熄弧后，經(jīng)過設(shè)定的時間后觸發(fā)TVS導(dǎo)通，模擬斷路器分閘重?fù)舸崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制重?fù)舸┫辔?。L為電容器組串聯(lián)電抗器，C為三相電容器組主電容，C0為電容器組中性點側(cè)對地電容。

試驗電源由3臺沖擊試驗變壓器通過接線形成三相變壓器，變壓器高壓側(cè)為220 kV星型接線，低壓側(cè)為12.7 kV三角形接線，單相沖擊試驗變壓器的參數(shù)見表1。表1中變壓器型號為IDJ-60000/220。

表1 單相沖擊試驗變壓器參數(shù)Table 1 The parameters of single phase impact test transformer

為了避免K2在試驗過程中發(fā)生重?fù)舸?，影響TVS的正常工作，K2選用35 kV真空斷路器，以確保其不會發(fā)生分閘重?fù)舸?5 kV真空斷路器K2的技術(shù)參數(shù)見表2，表2中真空斷路器的型號為ZKTC 100/35。TVS結(jié)構(gòu)見圖3。

表2 35 kV真空斷路器主要技術(shù)參數(shù)Table 2 The main technical parameters of 35 kV vacuum circuit breaker

圖3 真空觸發(fā)開關(guān)（TVS）結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic of vacuum trigger switch

根據(jù)觸發(fā)間隙的主電極結(jié)構(gòu)，觸發(fā)間隙主要分為平板電極、棒狀電極和運動電極結(jié)構(gòu)等。按觸發(fā)方式分為沿面擊穿和場擊穿型，按應(yīng)用場合分為接通型和合分型。目前應(yīng)用較多的是平板電極和棒狀電極，觸發(fā)間隙一般采用沿面擊穿。本次試驗所用TVS采用平板電極，觸發(fā)間隙采用沿面觸發(fā)。TVS主要技術(shù)參數(shù)見表2。

試驗用10 kV并聯(lián)電容器組額定容量為4800 kvar，電容器單元每相8臺，4并2串，外殼直接接地。電容器單元型號為BAM11/2/√3-200-1 W，額定電壓11/2/√3 kV，額定容量200 kvar，額定電容64 μF。干式空芯串聯(lián)電抗器型號為CKCKL-80-10-6，額定容量80 kvar，額定電壓10.5 kV，額定電流210 A，額定電感值5.69 mH，直流電阻為80 mΩ。避雷器型號為YH5WR-17/45，標(biāo)稱電流5 kA，額定電壓17 kV，伏安特性曲線見圖4。

圖4 避雷器伏安特性曲線Fig.4 The volt-ampere characteristic curve of arrester

2 避雷器吸收能量試驗結(jié)果

2.1 正常分閘試驗結(jié)果

根據(jù)上述試驗方案開展電容器分閘試驗，隨機選擇分閘時間，多次重復(fù)試驗得到試驗波形的形狀是類似的，典型分閘試驗波形見圖5。

圖5 正常分閘下的主回路電流和電容器相對地電壓Fig.5 Main circuit current and the phase-to-earth overvoltage under normal opening

由圖5可看出，電容器組主回路電流峰值約為304 A，A相電流先過零熄弧，5 ms后B、C相同時過零，A相電壓最高，峰值為17.8 kV。

2.2 單相重?fù)舸┰囼灲Y(jié)果

考慮最嚴(yán)重的情況，開關(guān)在反相電壓峰值時重?fù)舸碩VS在首開相電流過零10 ms后觸發(fā)導(dǎo)通，得到典型試驗波形見圖6。

由圖6試驗結(jié)果可看出，主回路電流A相先過零熄弧，5 ms后B、C相電流過零熄弧。在A相過零熄弧后10 ms，A相TVS觸發(fā)導(dǎo)通，模擬單相重?fù)舸?，最大過電壓出現(xiàn)在A相的前一相，即C相。最大過電壓峰值為38.96 kV，避雷器電流峰值為71.22 A，避雷器電流持續(xù)時間約為252.4 μs，通過電容器相對地電壓和避雷器電流曲線進(jìn)行積分，得到避雷器吸收能量為243.0 J。

圖5和圖6是試驗過程中的典型波形，經(jīng)過多次重復(fù)試驗，并變換TVS觸發(fā)時延得到試驗統(tǒng)計結(jié)果見表3。

結(jié)果顯示，TVS延時10 ms觸發(fā)情況下，過電壓最高峰值為38 kV左右，避雷器電流峰值為71 A左右，避雷器電流脈寬為250 μs左右，避雷器吸收的能量為242 J左右。

3 結(jié)論

搭建了10 kV并聯(lián)電容器裝置分閘重?fù)舸┠M試驗平臺，開展了重?fù)舸┠M試驗，得到了電容器組開關(guān)正常分閘與分閘重?fù)舸﹥煞N情況下的電流波形和電壓波形，并通過曲線積分的方法得到了避雷器的吸收能量。經(jīng)過多次試驗證明了試驗結(jié)果的正確性和可重復(fù)性，結(jié)果表明：

圖6 分閘單相重?fù)舸r主回路電流和電容器相對地電壓Fig.6 Circuit current and the phase-to-earth overvoltage under restriking

表3 試驗結(jié)果統(tǒng)計Table 3 Test results statistics

1）通過在斷路器兩端并聯(lián)TVS，可以模擬斷路器分閘重?fù)舸⒖梢跃_控制重?fù)舸┑南辔弧?/p>

2）電容器組開關(guān)在反相電壓峰值處發(fā)生重?fù)舸r，電容器組相對地的過電壓水平最高為38.96 kV，避雷器吸收的能量也最高為243.0 J。

3）10 kV、4800 kvar并聯(lián)電容器裝置在最嚴(yán)重情況下發(fā)生單相重?fù)舸┻^電壓峰值為38.96 kV，避雷器吸收能量為243.0 J。由此可見，10 kV并聯(lián)電容器裝置用避雷器的吸收能量僅為數(shù)百焦耳，實際工程中10 kV并聯(lián)電容器裝置的額定容量一般不會超過20000 kvar，即使避雷器吸收能量與電容器組容量呈線性關(guān)系，避雷器的吸收能量也僅為1 kJ左右。因此，實際工程中，10 kV并聯(lián)電容器裝置用避雷器的吸收能量按照1 kJ設(shè)計就足夠滿足運行要求了。