耦合电容器防雷作用探讨

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　　过电压保护规程规定，110 kV进线的隔离开关或断路器可能经常断路运行，同时线路侧又带电，则必须在靠近隔离开关或断路器处装设一组管型避雷器(国内外运行资料证明，SF6开关不能装管型，只能装MOA型)。按照国内电网惯例，此组避雷器的装设由运行单位自行实施，因为设计部门当初不能断定线路的运行方式，所以不加考虑。有的电网因诸多原因自变电站投运后未能及时装上，结果导致断路器处于热备用状态运行时遭雷击坏。然而，当该线挂有耦合电容器(以下统称CC)时，线路同样遭雷击，可是处于热备用运行的断路器仍安然无恙。据此，CC的防雷作用值得探讨。

1　两例断路器爆炸事故引发的思考
　　a)1996年6月21日17：38深圳电力局福永变电站处于热备用的110 kV福桥(福永—新桥)线1188号断路器(100-SFM-32B型，日本三菱制品)L2相灭弧室爆炸。事故直接原因为雷击，当时，使线路瓷瓶串闪络，钢帽破裂，导线坠地。
　　b)1998年8月28日14：18：20梅林变电站110 kV梅花(梅林—莲花山)I线1153号断路器(LTB145D1型，ABB公司制品)，在雷击该线路跳闸后处于热备用状态；因线路再次落雷，导致该断路器L2，L3相爆炸。事故直接原因为雷击，7.33 km长的线路于10号塔处架空地线遭雷击断落坠地，导致9号、10号两档导线失去架空地线保护。
　　两例事故概况相同之处有：1)直接原因同为雷击；2)前例断路器处在热备用状态运行，后例为雷击线路跳闸后处于热备用状态；3)断路器线路侧均未加装避雷器；4)断路器同为内绝缘击穿爆炸；5)梅花、福桥两线均为全线架空地线保护。不同之处是：1)梅花I线1153号线路侧L1相进线挂有CC，无CC的L2，L3相断路器爆碎；2)福桥线1188号线路侧L1，L3相挂有CC，无CC的L2相断路器灭弧室爆炸。
　　由上述现象可见，线路挂有CC的那相断路器未爆炸。此现象给出的疑问是，线路挂有CC的断路器未损坏，是偶然还是必然?换言之，CC是否有防雷功能?若有，是如何起防雷作用的?雷电作用对CC的电气寿命有无影响等等。现就这些问题作如下探讨。

2　CC防雷作用机理
2.1　CC的用途与构造
　　CC的主要用途是，除担当测量与高频保护外，还兼作电力系统的载波通信。它是否具备防雷功能，主要从它的内绝缘构造采用电容器结构的若干元件串联组成的角度考虑。其工作原理见图1。图中C1为高压电容器，C2为中压电容器。电容量为5～20 nF。

图1　耦合电容器原理接线图

2.2　CC的防雷作用机理
　　CC在国内电网中常见的典型结线有两种模式：1)用作载波通信时，挂CC的该相门型架处必挂有高频扼流圈，用集中参数元件L来表示；2)CC仅用作测量或保护时，与导线连接处的变电站侧无需装高频扼流圈。然而，从经济利益出发，一台CC兼作通信与测量、保护使用是常见的。做法是，不作载波通信使用时，将与C1，C2串联接地的单极隔离刀合上；反之，若全部使用CC的功能时，将单极隔离刀断开即可。现将两种结线图的等值电路示于图2和图3(在雷电波沿线路袭来作用的情况下)。

图2　波通过电感时的等值电路
Z1，Z2—导线1和导线2的波阻抗。

图3　波通过旁过电容的等值电路
Z1，Z2—分别为导线1和导线2的波阻抗。

　　用无限长直角波沿导线侵入时的情况来计算任意点A电压波形作用的解(直角波通过电感L和电容C后产生的折射电压已变成指数波，其解亦以直角波的解为基础进行分析)。电源电动势取为来波电压的两倍(因为在流动波的情况下，A点的开路电压即为来波电压的两倍)。于是根据图2写出波通过L时回路的微分方程为(图2中iL=iZ2=i2)：
　　　　　 　(1)

　　令电感回路中的时间常数则得波通过L后折射而成A点的电压为

　　　
式中　α——波通过不同波阻导线连接点时产生的折射因数，.
　　同理，根据图3，可写出波通过CC的电容C时回路的微分方程为(图3中uC=uZ2=u2)：
　　　　　 　　　(3)

令电容回路中的时间常数即可得波通过电容C时折射而生的A点的电压为

　　 　
　　比较(2)式和(4)式得知，假定TL=TC，即L=CZ1Z2，则两式完全相同。换言之，L和C产生相同的折射电压。亦即L和C的存在不会影响到折射波的最后值，但却可使折射波的波头陡度从直角波变为按指数曲线缓慢上升的指数波。对直角波而言，在有架空避雷线的传输过程中是逐渐衰减的，即波的陡度和幅值相应随之降低。该波的最大陡度发生在t=0时，由(2)式和(4)式可以求出：
　　在线路串联电感L情况下波的最大陡度为
　　　 　　(5)
　　在线路并联电容C的情况下波的最大陡度为
　　　 　　　(6)
　　由(5)式和(6)式可见，只要增加L或C的数值，就能把折射波的陡度限制到规定的数值以下(规程规定，110 kV变电所侵入波的计算陡度为：1 km进线段450 kV/μs；2 km进线段或全线有避雷线的为225 kV/μs。将此值分别代入(5)、(6)式，即可求出选择的L和C之值)。雷电波陡度的降低，不仅减轻对变电设备绝缘的冲击，对SF6开关而言尤其意义重大。因为高陡度将导致SF6开关的内绝缘低于外绝缘水平(见图4)，最终引起开关断口击穿，在工频能量作用下爆炸。

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图4　SF6开头绝缘配合示意图

　　电感L或电容C使折射波波头陡度削低的物理概念是：前者遵循电流不能突变原理，即雷电波作用到L的瞬间i2为零，所以u2也为零，尔后u2才随着流过L电流的逐渐增大而增大；后者则遵循电压不能突变原理，当雷电波作用到C的瞬间，电容犹如短路，u2，i2均为零，尔后u2才随着C的逐渐充电而增大。波通过L和C时的折、反射如图5所示。

图5　波通过电感和电容时的折、反射

　　从图5(a)和(b)看出，虽然波通过L和C时波头部可降低，但它们产生反射波的符号并不一样。前者为正反射使其之前的电压抬高一倍，但后者为负反射使其之前的电压下降到零。无论CC与导线连接处是否挂有高频扼流圈L(若有，与电容C一样起到抑制侵入波波头陡度使之降低的作用)，经L前去的前行波u2已远远小于沿线路侵入的雷电波。u2加到断路器或隔离开关断口已不构成对绝缘强度的威胁。若无L，由图5(b)可见，C处的反射电压为负值，前行波u2甚微，已不具有威胁开关断口绝缘的能力。这就是耦合电容器具备防雷功能的焦点所在。

3　雷电对耦合电容器寿命的影响
　　从结构和防雷功能比较得知，常用的阀式和氧化锌型避雷器，前者由火花间隔和非线性电阻(简称阀片)组成，火花间隙主要承担对地绝缘，一旦雷电将火花间隙击穿，通过非线性电阻对大地泄流使雷电消失；后者由氧化锌电阻片组装而成，正常运行时呈极高电阻状态承担对地绝缘，雷电作用时呈低电阻状态对大地泄放雷电流。两者共同点是通过非线性电阻和电阻片将强大的雷电流对大地泄放。然而耦合电容器结构上不具备导通雷电流的电阻元件之类。由图1可见，其是由C1、C2两大电容件串联而成。其中，C1、C2又分别随电压等级不同而由数十只电容元件串联组成。每只电容元件一般由三张电容纸、两层聚丙烯膜、浸渍十二烷基苯构成(OWF型)。C1、C2串联后承受系统电压，外绝缘是瓷套。C1、C2的电场强度(介质的单位厚度所承受的电压值)为
　　　　　　 　　　(7)

式中　UN——额定电压，kV；
　　　m——元件串联总个数；
　　　d——极间介质厚度，mm。
　　E值取得越低，工作可靠性和安全度越大。一般CC型(纸、油介质)取9 kV/mm，OWF型取8 kV/mm左右，OWF220/3型取下限7.1 kV/mm。裕度一般为30%以上。在电路闭合运行时，CC同属绝缘配合保护范围(由母线避雷器保护)；在电路开路(线路末端开口)状态下线路着雷时，CC将承受沉重的负担——瞬间接收大量的雷电荷，从而降低波头陡度使CC处的雷电压消失。与避雷器消雷截然不同的是，CC是将巨大的雷电荷积存于电容器极板之上，而不是经过非金属绝缘件对大地泄流。从元件排列和电场梯度看，当陡度很大的雷电波以微秒速度冲击到CC电源端时，理论上每只元件积存的电荷量，可用下式表示：
　　　　　　 　　　(8)

式中　ui——每只电容元件上的电压，V；
　　　mi——极板上的电荷量，C；
　　　Ci——每只电容器的电容量，F。
　　Ci的大小决定于电容元件极间介质的介电常数和极板面积及其间间隙的大小，可视为常量。当极板上累积的电荷qi增多时，元件上的电压ui也增加。但电容器两端电压不能突变的原理是极板上积累电荷需要时间，且储能时间较长，而微秒级速度的高频雷电荷加到电容器时，瞬间犹如短路，所以两极间的电压不能得到增加。
　　有观点认为，过电压对耦合电容器的寿命有所影响。其过电压的概念是指允许工频1.15UN长期运行，1.95UN运行0.5 h。又简述电容器寿命与过电压幅值、作用时间和作用次数有关。
　　无论从正常预试或落雷后监试CC的健康情况，CC的C(总电容)若击穿一个元件，电容量约增加1%；C2击穿一个元件，电容量约增加4%；C1击穿一个元件，电容量约增加1.25%。当电容量或tan δ值超标时已被更换。但从工程管理意义出发，一旦发生象梅林1153号或福永1188号事故后，对CC作一次电气试验，以掌握其电容量或tan δ的变化速率，无疑是有价值的。
　　CC虽有防雷功能，但不能取代线路避雷器。尤其是无人值守变电站，常有断路器处在热备用状态运行，或地处多雷区的运行线路一旦遭雷击跳闸后未重合(这种情况不可避免)，若此时再次遭受雷击，将可能引起相应开关内绝缘击穿爆炸事故。因此，线路两侧均应加装避雷器保护，以避免事故重演。

4　结语
　　a)CC因其电容量在5～20 nF之间，故对降低雷电波陡度有显著作用，这是它具备防雷功能的关键所在，但不是所有幅值或陡度的雷电波都能防御。
　　b)CC或阻波器均装在断路器的线路侧，除共同起削减波头陡度的作用外，还能降低折射波的幅值，故一般情况下雷电波对开关绝缘已不构成威胁。
　　c)雷电波以CC的电气寿命有无影响有待从事后的试验中积累经验。
　　d)CC的防雷功能对系统而言，只能起拾遗补缺的作用，不能取代线路避雷器。

作者简介：陆培珍(1936—)，男，贵州贵阳人，高级工程师，现主要从事变电管理工作。
作者单位：深圳电力工业局，广东 深圳 518020

参考文献
［1］　解广润.电力系统过电压［M］.北京：水利电力出版社，1983
［1］　武汉水利电力学院过电压及保护编写组.过电压及保护［M］.北京：水利电力出版社，1977

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