浅析变电站并联电容器开断短路电流过电压

时间：2024-05-17

郭建峰

（哈尔滨供电公司，黑龙江哈尔滨 150010）

由于最近几年变电器中压侧及低压侧电网的发展速度很快，使变电器中压侧及低压侧电网的短路容量不断增加，因此，有必要研究变电器中压侧及低压侧电网各部件的运行情况，特别是与并联电容器组的关系，以及变压器中压侧及低压侧断路器工况。

变压器中性点不接地的中压侧电压等级一般为：110kV、66kV，低压侧电压等级一般为：35 kV、20 kV、10kV。中压侧、低压侧有不同的电压等级，是取决于经济上的考虑，并且随不同地区、不同电网而异。

截止到2014年，哈尔滨供电公司已在所管辖的98座变电站的66kV或10kV母线上装设87组（台）电容器，其中66kV45组，10kV42台。220 kV变电站一般为两台主变各带66kV和10kV一段母线，每条母线上装设一组（台）并联电容器，当一台主变退出运行时，另一台主变带出两条母线，若此时66kV或10kV线路发生故障，线路的断路器在母线上带有两组电容器的情况下开断短路电流时，变电站的布置和变压器的选择要考虑电网短路电流的要求。

变电站的66kV或10kV线路采用光纤纵差、距离、过流保护，常规或检无压、检同期重合闸。66kV并联电容器采用单相每台334kV的电容器，接成星形电容器组；10kV并联电容器采用油浸集合式。电容器组的容量一般约为变压器铭牌容量的20~25%，即当变电器的容量为16MVA或25MVA时，选用电容器组的容量应分别为3600kV或5400kV。研究变电站的中压侧或低压侧线路断路器的运行情况，要考虑上述电网的结构形式。

1 母线接有并联电容器组时线路断路器开断短路

装有电容器的变电站，断路器在动作中出现的问题既与电容器组的充放电有关，又与断路器开断的短路电流有关。开断电容电流的问题在现有技术标准中已予以考虑，本文不过多研究。然而开断短路电流引起的异常现象却是值得注意的。

在大多数情况下，大电容与电弧并联时，因为降低了暂态恢复电压上升的速率，所以断路器负担更轻些。但暂态恢复电压的峰值若过高就容易发生重燃。虽然暂态恢复电压上升速率降低到一定程度可以在电流第一次过零时切断电弧，但通常做不到这一点。如触头间的距离、灭弧介质的状态耐受不了继续上升的电压，就会发生重燃。

当电容器向与断路器相连接的回路电抗放电时，会产生几千Hz的振荡电流，该振荡电流将叠加在断路器通过的工频短路电流上。电容器组的电容值高，而与断路器相连的电抗值低时，往往使放电电流初始峰值很高，可能达到或者超过断路器的额定关合容量。断路器内通过的电流在恢复到50Hz之前多次过零，如断路器继续拉开，当电流主要是50Hz的工频成份时，在某一个过零的时刻才能将电流断开。而贮存于电源侧电路内的电磁能将传送到电容器，并造成电压升高。过电压的数值与许多参数有关，如：开断的电流、电容器组的容量，回路的电抗、阻尼作用和决定性的开断瞬间（在全电流第一次过零开断，第二次过零开断及多次过零开断）还有重燃电压的幅值，过电压的最大值发生于各种最不利条件同时存在的情况下。

如同单相对地过电压的起因一样，在相对相之间也可能发生过电压。在实际电网中，当发生三相短路并重燃时，某相首先切断暂态电流后，其他两相工频短路电流比较容易早期过零灭弧。互相短接的两相，可能在同一时刻开断短路电流。当他们的极性相反时，会发生相间过电压，其值可达危险程度。上述现象可在下述条件下发生：故障电流较断路器的铭牌断流容量低很多，同时电容器组的容量较大，因此暂态电流也较大，此时一旦发生重燃，电流要经过几个零点才能恢复到原来的50Hz。故障电流与断路器铭牌的断流容量为同一个数量级，在这种条件下运行，重燃的概率比较高。

若故障发生在线路上，产生过电压的可能性是比较小的。这是因为：第一，线路的电压降使暂态恢复电压的幅值降低，因而降低了重燃的可能性。第二，由于电容器组至故障点之间有线路电抗，所以暂态电流的频率和幅值也降低了。因而减少了电流早期过零的概率。电容器组串接一个几百微亨的电抗，可以获得同样的效果。

当暂态恢复电压初始上升速率较高，在电流第一次过零切断电流的可能性较低时，用减少涌流值的方法可以获得一定的效益。此外，还可采用断路器触头的错开闭合或采用避雷器来限制过电压。

通常，串联电抗器可以有效控制高频瞬态。方案一：每个电容器组串联一个电抗器。方案二：母线和电容器回路中加串联电抗器。方案三：电抗器用于限制放电涌流，断路器用于限制充电涌流。充电涌流可以采用带时间控制的断路器，或采用带合闸电阻或电感的断路器来控制；而放电涌流可以通过串联一个电抗器来控制。

2 在临界条件下运行的概率

当架空线路的近区发生三相短路时，断路器处于临界条件。对哈尔滨地区的输电网进行统计表明，上述现象出现的概率是不可忽略的。近似的估算平均每台断路器每八年发生一次。这仅考虑三相故障，因为变电站的66kV侧中性点是不接地的，所以电容器组对于相对地故障不发生作用。另外，当发生两相之间故障时，由于两相断路器串联开断，上述现象是不会发生的。实际电网发生的过电压不像标准规定的那么高。例如：有平行的其它带有负荷的线路，就可能使暂态恢复电压的峰值较低。断路器外部的间隙可以保证安全运行，为搞清楚这个问题，需要研究断路器装设处电网的具体情况。