摘 要：为了满足系统稳定和电能质量要求，变电站内的无功补偿装置应优先考虑采用投资少，损耗小并且可分组投切的并联电容器。本文首先分析真空断路器的结构，再基于真空断路器投切并联电容器过程中产生过电压的原理，探究过电压防护的有效措施。
关键词：真空断路器；并联电容器；过电压保护
为了减少线损，提高电能质量及功率因数，大部分的变电站装设了大容量的并联补偿电容器组，其可随着系统的电压和功率的变化自动投切。并联电容器装置是由并联电容器和相应的一次及二次配套设备组成，并联连接于三相交流电力系统中，能完成投运的一套设备。其一般装设在变压器的低压侧，当条件允许时，应装设在变压器的主要负荷侧。并联电容器装置应设置满足电容器投切要求的专用断路器或负荷开关，目前国内一般选用真空断路器。本文首先介绍真空断路器的结构，在此基础上分析其投切过程容易产生的涌流和重燃两大问题，并提出了优化措施。
1.真空断路器
图1 真空断路器的结构
真空断路器的灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是真空，其具有良好的灭弧性能。如图1所示，真空断路器的主要部件是一个真空泡灭弧室，灭弧性能比油和SF6气体作为介质的断路器灭弧性能都要良好得多。真空断路器具有以下特点：一是体积小、质量轻；二是触头开距小，只有10mm左右，分合闸行程短；三是燃弧时间段，且与电流无关。燃弧后触头间隙介质恢复快；四是触头的电气寿命长，额定电流开断达5000次以上，适合于频繁操作；五是适用于开断容性负荷电流。所以，真空断路器在电容器组的频繁投切操作中应用非常普及。
图2 切除电容器组产生过电压的原理
图3 氧化锌、碳化硅和线性电阻特性曲线
2.真空断路器投切电容器组过电压分析
用真空断路器投切电容器组通常会存在3个问题：截流过电压、复燃过电压和重燃过电压。
2.1 截流过电压
截流过电压是指电容器组在投入瞬间，电流若过零点，由于真空断路器的截流作用，电容器组由于其串联的电抗线圈及杂散电容中的能量在回路中发生高频振荡作用产生很高的恢复电压。
Ujm—截流过电压峰值；Um—电源相电压峰值；Ij-截流电流峰值；L-电抗器电感值；C-杂散电容。
如式（1）所示，真空断路器击穿电弧复燃，其触头间距加大后绝缘强度越大而电弧再次熄灭。这个过程会导致电压不断上升直到电弧不再被熄灭为止。这个过程和断开电容器组发生复燃过程（2.1将提到）很类似，同样会产生很高的过电压。
2.2 重燃过电压
断路器重燃是指退出电容器组的时候，断路器的断开间发生重燃并产生过电压，危害电容器组及相关设备。在自动投切电容器组很频繁的变电站要尤其注意电容器组断路器的重燃。
如图2所示，电容电压Uc=Us，当电流过零点时电弧熄灭，Uc=-Usm，但电源电压以正弦规律变化，真空短路器的断口两端的恢复电压Uf=Us-Usm。当电源电压达到峰值时，恢复电压Uf=2Usm。若断路器的断口介质绝缘强度不够，就会发生击穿，而产生断路器重燃。重燃发电时将产生高频振荡，若电弧在高频电流波形的过零时熄灭，电容电压将达到最大值，Uc=3Usm，并保持不变。当电压到达下半峰值时，断口的恢复电压Uf=4Usm，电容电压可高达Uc=5Usm。因此重燃产生的高电压将严重威胁电容器组及断路器等设备的绝缘。
真空断路器的触头有固定的不同期性，在电容退出的过程中其中性点容易产生位移，导致重燃过电压会更高。而分闸时相位具有随机性，相位越大出现重燃过电压的几率越高。同时，电源容量越小，重燃过电压的幅值也就越高，对真空断路器的考验越大。
2.3 复燃过电压
复燃过电压是指真空断路器在投切电容时，负荷侧的暂态电压和上升率大于真空断路器的断口的绝缘介质的恢复速度和能力，电弧将断口击穿并产生复燃。复燃相上有很高的过电压，并在其他相上感应过电压。若出现高频暂态电流过零点，真空断路器会再次灭弧截流，但若重复出现上述现象，将不断重复“击穿—灭弧”的过程，直到真空断路器的绝缘强度足够大而停止。负荷侧的暂态恢复电压及其上升率越高，断路器发生复燃过电压的几率越大。
3.防护措施
截流过电压主要是由于投入电容器组时真空断路器合闸过程中，与电容器组串联的电抗和杂散电容之间发生谐振而产生的过电压。而同样，在电容器组分闸的过程中，重燃和复燃产生过电压。过电压损害电容器组及其相关设备，使其不能正常使用。因此，除了选用性能良好，重燃率很低的断路器之外，一般在串联电抗侧加装阻容装置、避雷器或并联电容器的方法，降低过电压的幅值和频率来抑制截流过电压。其中避雷器的技术比较成熟且成本低、体积小及安装方便，可有效防护真空断路器在合闸过程中产生截流过电压，在串联电抗侧安装避雷器时广泛应用好方法，而选中避雷器时一般都选用氧化锌避雷器，其具有以下优点。
氧化锌避雷器选用氧化锌电阻片，比普通的碳化硅具有更好的非线性特性，如图3所示。在同样的灭弧电压U2下，氧化锌电阻的电流为1mA，而碳化硅电阻的电流却达到了400A。其具有以下特性：一是氧化锌避雷器只吸收超过起始的动作电压（对设备绝缘有害的过电压），比碳化硅避雷器负担轻；二是氧化锌避雷可承受多重雷击，通流能力大，为碳化硅避雷器的2～5倍；三是有很好的响应特性，在陡波的作用下残压增高为碳化硅的1/4，一般只有5%～12%而已；四是体积较小，质量很轻，结构简单，维护方便。所以一般都是装设氧化锌避雷器以保证电容器组的正常运行。同时，在真空断路器正式投入运行前应该进行大量的弹跳试验和重燃率试验和老练一段时间以减少重燃次数。
结语
截流过电压、断路器重燃和复燃是真空断路器投切电容器组时最常见的问题。本文在介绍真空断路器结构的基础上，详细分析这三大问题并提出了优化的措施，对电容器组的投切操作的保护有积极的意义。
