高压并联电容器投切开关重击穿抑制技术

邹振球

（日新电机（无锡）有限公司，江苏 无锡 214112）

高压并联电容器在电力系统中具有补偿无功消耗的功能。但是在其投切过程中易出现重击穿问题，如在其未接通状态下，电容器电路中无电流，而在电容器合闸的一瞬间，电网中的电流流入电容器，并且电路此时的阻抗较小，会产生较大的合闸涌流现象，进而引起电容器电路的重击穿问题，导致电路上的装置和设备被损坏。所以，应通过对高压并联电容器投切开关重击穿抑制技术的研究分析，对合闸涌流或分闸过电压进行有效抑制，以保护并联电容器的安全可靠运行。

1 高压并联电容器投切开关重击穿产生的原因分析

高压并联电容器投切开关形成重击穿的原因较多，如开关断路器切除电容器形成过电压、电容器合闸形成涌流等，导致断路器或是电容器被过电压电流击穿。电容器在投切过程中形成过大的合闸涌流，或过高的分闸过电压等，均会对断路器产生重击穿，并且在击穿后电压还会增加，对于电力系统的安全运行产生较大的影响。所以针对合闸涌流与分闸过电压产生原因进行分析，为投切开关重击穿抑制技术的运用提供参考。

1.1 合闸涌流原因

高压并联电容器在接入电网后，与断路器一起形成单相等效电路，断路器投切电容器单相等效电路如图1所示。图1中的u（t）为电源电压，i（t）为电流，BRK为断路器，R为电阻，L为整个电路的总电感，C为电容。电源电压u（t）=Umsin（wt+θ），根据等效电路图确定单相电容器投入电力系统后的回路电压方程式如下

图1 断路器投切电容器单相等效电路图

式中：Um为电源电压正弦稳态的峰值；w为正弦稳态角频率；θ为初相角；uc（t）为电容电压；i（0+）与uc（0+）分别为断路器闭合的电流初始值与电容器两端电压初始值，通过求解微分方程，获取回路电容电压与电容电流公式后，进行电容合闸涌流的计算，在不考虑电阻R的情况下，假设I0=0，最终获取电容电流公式

式中：wn是暂态分量；Imcos（wt+θ）为稳态分量，两者相加得到了电容器电流，即是单相电容器在投入系统后产生的合闸涌流，根据以上公式可以看出，与产生合闸涌流相关的电路参数有θ、U0与时间t。

1.2 分闸过电压原因

在高压电网中多个电容器并联组成电路，如图2所示，每个单相电容器（C1、C2、C3）都有各自的三相交流电源电压（uA、uB、uC）、总电感（L1、L2、L3）、断路器（A与A1，B与B1、C与C1），N为中性点，CN为中性点N的对地杂散电容，对地杂散电容跨接在线路与地之间，在单相电容器失效后，对地杂散电容具有保护作用，不会引发电击风险，其中三相交流电源电压计算公式如下

图2 高压并联电容器电路

（1）在电容器正常分闸时，t=0，uA（t）=Um为最大电压值，B与C相获取uB、uC电源，当uB（t）与uC（t）为最大值时，B和C相为切断状态，电容器的电压稳定。因此，在电路正常运行状态下，电容器分闸正常，不会形成过电压。

（2）分闸重击穿，在A相t=10 ms时，分闸处于半工频状态，A相断路器触头恢复电压峰值会产生重击穿问题。主要是因为电路中的电压集中在CN上，在A相遭到重击穿后，其极间电压变化较小，增加了N对地电压，B相与C相对地电压与断路器电压重新分布，受到A相重击穿的牵连，恢复电压一旦超过电容器抗冲击能力，则会损坏电路上的电器设备。此外，电路上的断路器在发生切除动作后，有形成二次重击穿的可能，致使过电压大幅度增加，从而进一步的扩大重击穿影响范围，对电力系统及电力设备产生较大的危害。

2 重击穿抑制预充电装置的设计与应用

在电力系统中应用真空断路器投切电容器发生合闸涌流后，过大的电流会损坏电路上的设备，尤其是断路器上的金属触头，在烧蚀后引起触头接触不良，电场分布不均，会形成更高的电流，使断路器在切除电容器时形成过大电压，最终由合闸涌流引起重击穿。而在电容器上安装预充电装置，在电路合闸之前，完成三相电路中某个或几个电容器充电，使投切开关在合闸后暂态分量最小，三相电路中的电流直接进入稳态，形成对合闸涌流的抑制作用。

2.1 预充电抑制思路

并联电容器在电力系统中进行投切动作时，电容器的U0=0，线路中阻抗较小，而处于并联的三相电容随机合闸，那么电源电压也是随机的，从而形成了合闸涌流。例如，在高压系统中，并联三相电容电路中性点作接地处理，电源设置消弧线圈，然后再进行接地处理。本文基于高压条件进行电容器的预充电，在电容器做合闸动作时，借助电容器中的电流消减合闸涌流，将涌流控制在安全范围内，以形成对投切开关重击穿的抑制效果。较为理想的抑制效果是在电源电压增长至峰值的一半时，进行电容器合闸动作，使合闸时的电流为0，电路中的电流正弦增长，电流不会出现大的波动，也就不会产生电容器投切合闸涌流的重击穿问题。

2.2 预充电方案设计

2.2.1 确定预充电时刻

基于上文高压并联电容器投切开关合闸涌流及分闸过电压发生的原因分析，利用电容器投入电力系统后的回路电压方程与三相电源电压计算公式，推导出回路中电容电压公式如下

式中：K1与K2为系数；α为衰减系数；ωn为关合涌流角频率；t为时间；Um为电源电压峰值；ω为正弦稳态角频率；e为电源电动势；φ为电容电压相位角。结合上文的电容电流公式ic（t），确定电容器投切开关过程中与回路电流有关的参数有θ、U0与时间t，当回路中的初始电压U0=Um，θ=90°时，电容器在合闸后ic（t）=-Imsin（ωt），回路中无电流冲击，也就是说在电流相角θ为90°的条件下，电容器合闸时断路器两侧电压差约等于0，回路中电压稳定，不会形成合闸涌流。所以，在高压并联电容器预充电抑制解决方案中，在高压并联电容器的回路中设置预充电装置，将断路器两侧电压差控制在接近于0的状态，然后在此时刻合闸，可达到抑制投切开关重击穿的效果。

2.2.2 高压并联电容器预充电流程

如图3所示，在高压并联电容器回路中，电容器C1、C2、C3的线路上分别串联了等效电感L1、L2、L3，以及断路器BRK1、BRK2、BRK3，并且在断路器上分别并联二极管（D1、D2、D3），同时断路器与电源（uA、uB、uC）之间串联投切开关（S1、S2、S3），用来控制二极管投切。在图3中C1电容器与D1二极管为正联，实现电源uA给C1充电的目的，而D2和D3则是为反联，在给C2与C3充电的同时，2个二极管与C1建立通路，以此实现整个高压并联电容器组的预充电。在电容器投切之前，闭合3个投切开关，接通3个二级管，使电源为电容器充电，至断路器两侧电压差接近0时电容器合闸，从而避免合闸涌流现象的出现。

图3 高压并联电容器预充电电路图

结合图3电容器的充电流程，使用投切开关控制二级管，假设其通态电阻等于0，进行电容器C1、C2与C3充电电压（uc1、uc2、uc3）的计算，具体计算公式如下

式中：uAB为AB回路的线电压等效电压源；UAC为AC回路电压源。在高压并联电容器充电后，uc1是和的1/2倍，且当在充电的1/4周期时，BC回路电压相等，所以将此刻确定为充电初始时刻，即高压并联电容的合闸时刻，线路中3个断路器两侧电压差接近0，电容器在此时投切最为安全，实现对合闸涌流的有效抑制。

3 重击穿抑制涌流抑制器的设计与应用

3.1 涌流抑制器应用思路

在高压并联电容器的第三绕组与电源之间设置涌流抑制器（二阶欠阻尼电路与分压器），在接通回路的电源后先给第三绕组通电，稳定回路上变压器的交变磁通，使电容器各个绕组的相位保持一致，以形成对合闸涌流的抑制。交变磁通ψ2=-Φmcos（ωt+α），式中：α为合闸角；Φm为励磁电感；ω为电容器电抗值；t为电容器运行时间。假设电容器有功功率损耗为0，接通回路电源后中：u为电容器电源侧电压；Um为分闸线圈带电信号；d为合闸时电容器瞬时铁心损耗；dt为一次侧电感；ψ为铁芯磁链；C为电容值。基于铁芯磁链保持守恒公式-Φmcos（ωt+α）|t=t0+C=cos（ωt+α），在初始运行时间t=t0的条件下，ψ=C=0。利用以上公式进行推测，在高压并联电容器完成合闸后，在任意时间将第三绕组切除，电容器仍然能保持稳态运行。

3.2 涌流抑制器抑制方案

在高压并联电容器的第三绕组上接入涌流抑制器，通过调整二阶欠阻尼电路的阻尼比，形成对回路中的电压频率与相位的控制，以消除电容器合闸涌流。使用输入电压源公式与二阶欠阻尼期望电压公式为，式中：T为时间常数；并采取输入与输出信号的转换为Umω以此计算出二阶欠阻尼的传递函数为H（s）=U0（s）/Ui（s），同时设定α的变化区间，αmin≤α≤αmax，amin=0，amax=2π，式中：αmin为最小合闸角，αmax为最大合闸角，带入输入输出信号公式简化后通过公式推导可以确定，增加时间常数T，对α合闸角不会产生较大的影响，可维持第三绕组升压的稳定性，电压频率波动较小，那么铁芯磁通变化处于稳态，也就不会形成过大的合闸涌流。基于以上分析，在抑制高压并联电容器合闸涌流过程中，需要准确选择电容、电感与电阻等，以明确电容器涌流抑制的控制特性。具体公式为式中：U2N为电容器二相绕组额定电容值；U3N为三相绕组额定电容值；R1、R2为电阻，L为电感、T为时间常数。

3.3 涌流抑制器合闸参数

使用并联电容器电压开路计算公式UD=，式中：UD为并联电容器开路电压；UT为高压并联电容器回路上变压器一次侧电压值；Il为最大功率电流；m为电容器电路调制度；A为电路电流；ωf为转速；Lm1与Lm2为电感值。在电容器最大功率条件下，电路调制度m与UD成反比，m越小UD越大，那么在电容器合闸时，可承受的涌流也就越高。如果电容器处于最小功率条件，直流电压小，m为最大值，电容器最低开路电压计算公式为在高压并联电容器运行稳定的情况下，一般输出频率在48.5～50.5 Hz，结合电容器的最大与最小电压，绘制出合闸区域图，如图4所示。

图4 高压并联电容器合闸区域

在高压并联电容器串联继电器BRK1与BRK2闭合状态下，进行电压值与频率的检测，如果检测值处于图4的阴影区，则高压并联电路运行正常，可以接通BRK3，不会形成过大的涌流。如果检测值不在阴影区域，则断开继电器BRK1与BRK2，不进行电容器合闸动作。此外，在继电器BRK1与BRK2闭合后，检测电容器的输出电压正常，可适当增加T值，延长电容器稳定电压的时间，可选用多个T值进行调试，直至涌流抑制效果最佳。

3.4 涌流抑制器应用流程

为了保证涌流抑制器的应用效果，在高压并联电容器不同时期合闸时，进行合闸时序的准确设计，在电路接通伊始，高压并联电容器升压瞬间，采用复位操作断开并联电容器的继电器。使并联电路上的各个装置完成初始化；在电容器投切完成后，待机状态下检测其直流电压。如果电压值不在高限值与低限值的范围内，重新调整电容器进入初始状态。如果直流电压值在正常值范围内，闭合继电器BRK1与BRK2并检测电容器输出电压与频率，同时增加T值，再进行电压与频率检测，如果两次检测结果正常，就可闭合继电器BRK3，以实现高压并联电容器的安全投切。

4 结束语

电力系统对于运行的稳定性与可靠性有着较高的要求，高压并联电容器作为电力系统安全运行的保障机制，具有改善供电质量的作用。但是由于在其投切开关过程中，出现合闸时的涌流现象，使电容器电路上的电流瞬间增加，或者是断路器分闸时，电容器两侧残留电压过高，导致电路发生重击穿现象，使断路器及电容器被损坏，进而危及到电力系统的可靠运行。所以，本文通过重击穿产生原因的分析，查找重击穿的成因，并在高压并联电容器的电路上接入抑制重击穿的预充电装置与涌流抑制器，切实地解决电容器投切开关的重击穿隐患，充分发挥出高压并联电容器的作用，保障电力系统长期安全稳定的运行。