限制并联电容器组过电压中的一种新方法 如何挑选购买电容器

摘要： 介绍了用相位控制高压断路器来控制并联电容器组的关合操作原理。叙述了相位控制高压断路器的组成及对断路器的特殊要求和对控制单元参数的设定。
关键词：并联电容器组　相位控制　控制单元　高压断路器 1　概述

　　高压断路器在电力系统中操作并联电容器组时会引起过电压。操作过电压的幅值与电力系统的参数特别是断路器特性以及关合和开断的相角有很大的关系。在不利的相位角合闸时所引起的过电压倍数会很大，甚至会危及到电力系统的稳定。
　　通常限制并联电容器组操作过电压的措施是避雷器。而避雷器在操作过电压下的频繁动作也将会大大缩短它的寿命。自20世纪70年代中期开始，国外开始研究相位控制高压断路器的技术，其设计思想是通过计算让断路器在一个固定的相位上合闸或分闸，从而使系统内的操作过电压幅值降至低。据国际大电网会议（CIGRE）统计数据显示，截至1993年，相位控制高压断路器大部分应用在电容器组的投入操作过程中。我国虽然对这种先进技术也进行过研究，但截至1998年尚无实际应用的例子。这与当时人们怀疑它的动作稳定性有很大关系。近年来随着电子技术的发展，国际上对这一技术更加重视^［1，2］。 1998年，我国有一条输电线路的断路器采用了相位控制单元，以其来替代合闸电阻来限制线路的合闸过电压。2000年底，又有2套相位控制单元投入运行，用来限制并联电抗器的分闸过电压。到2001年底，将会有7套相位控制单元陆续投入运行，有2套相位控制单元首次在我国应用于并联电容器回路的SF₆断路器上。图1是用于电容器组回路断路器的相位控制单元的例子。相位控制断路器除用于电容器、电抗器的合分闸操作外，还可用于变压器的操作以消除合闸时的励磁涌流^［3］。

2　对相位控制断路器的要求

　　在不同的回路中对相位控制高压断路器的要求不同。例如在空载长线和并联电容器组的回路中，比较严重的情况是断路器的合闸操作。此时相位控制的目的是尽可能地减小回路中的电压突变，即需要尽可能地减小断路器断口上的预击穿电压。
　　相位控制高压断路器由相位控制单元和高压断路器组成。对高压断路器，为了取得准确的合闸或分闸相位，要求断路器每次操作的分散性必须很小。即要求断路器操动机构的性能很稳定。每次的分合闸时间必须相等或相差0．5ms以下。即使操作电压波动时也要满足以上要求。
　　对应用于并联电容器回路的SF₆断路器，为了获得佳的合闸性能，（即操作过电压低，）要求断路器两相首先合闸后，经过90°相位角后后一相再合闸。即对50Hz的电网这一时延为5ms。

3　相位控制单元的设计原理

　　相位控制单元是以计算机为核心的控制装置。以ABB公司的SWITCHSYNCE113（以下简称为E113）为例，它由微机参考电压电流输入、操作命令输入与输出、警报输出输入按钮及显示屏组成。特别要指出的是，它内部的可擦除储存器（EEPROM）在没有电源的情况下仍能可靠保存程序，使E113不致因发生混乱而引起误操作。
　　图2所示为E113的基本原理。以合闸为例，当控制单元得到一个合闸命令1时，计算机以近的一个电压过零点选为它的时钟零点。（这个电压信号由电源侧电压互感器2上取得。）经过了一定的时间T_VTOT后，E113控制单元给断路器发出合闸信号3。这个时间T_VTOT的长度取决于计算机的运算时间、输入到E113内断路器的合闸时间、以及在E113的自适应模式下前一次断路器的操作时间等。
　　E113的自适应模式是前一次操作在相位上的任何偏差，都用来当作本次操作的修正量。这种偏差可能来源于断路器本身的分合闸时间上的分散性与继电器的动作延迟等。分合闸相位通常靠设备侧电压互感器2来确定。而这种自适应模式通常只用于合闸操作时。

4　并联电容器的合闸

　　由前所述，计算机的零点是参考电压的过零点。而参考电压不一定是断路器的首合相上的电压。其次，对每一种回路而言，都有其佳合闸或分闸相位角。我们把参考电压　　零点到佳合闸（分闸）相位角之间的时间差定义为时延T_D1。对图2^［1］合闸电容器的情况，参考电压为R相，对R相，T_D1为零，对S相和T相分别为6．7和3．3ms（50Hz）．
　　实际上，断路器的动作时间总有一定的分散性，灭弧介质的绝缘强度也有差别，在考虑这两项因素后，统计表明，佳的合闸时间比理论的佳合闸时间有一定延迟。记为时延T_D2。对合闸中性点接地的电容器组，取0． 3 ms。
　　因为断路器合闸前总存在预击穿，故实际关合时间比测量到的断路器的合闸时间要短。这个时延为T_D3。（见图2）。对合闸中性点接地的电容器组，取0．1 ms。
　　合闸中性点接地的电容器组所得到的电压及电流波形见图3。

5　结论

　　（1）采用相位控制高压断路器可以有效地限制操作过电压。
　　（2）当断路器经特殊设计并与相位控制单元配合后，合闸并联电容器组的过电压倍数将比采用常规断路器时大大降低。据试验统计数据表明，过电压倍数小于1．5倍。

参考文献

［1］　Cereda C．等：Synchronous MV Circuit－breaker with Magnetic Drive and ElectronicControl［J］，ABBReview，1999．6，13－21
［2］　CIGREWorking Group 13．07：＇ControlledSwitching of HVAC Circuit－breakers，Guide forApplication lines，Reactors，Capacitors，Transformers［J］，ELECTRA，1999，No．183
［3］　Brunk，J．H．，Froelich，K．J．：＇Eliminationof Transformer Inrush Currents by ControlledSwitching－Part 2：Application and PerformanceConsiderations［J］，IEEE Trans．On

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摘要： 本文主要阐述了运用“变压法”对电容器进行真空干燥浸渍处理的原理、所需的设备及真空干燥真正结束的判断依据和判断方法。“变压法”真空干燥浸渍工艺能缩短时间三分之一，提高了电容器的局部放电合格率，从而提高了产品质量，节省了能源。
关键词：变压法　干燥原理 结束点 　判断

1　前言
　　电力电容器真空干燥浸渍的目的是排除电容器芯子中的水分和气体，然后用经过净化处理并试验合格的浸渍剂灌注浸渍，填充产品内部固体间的所有空隙，以提高产品的电气性能。
　　现有的电力电容器真空干燥浸渍工艺要经历加热、低真空、高真空、降温、注油和浸渍这几个阶段。用测量真空度是否达到工艺要求和规定一定的时间来决定每一阶段是否结束，是否可以进入下一个阶段。它的缺点是进入注油阶段前，电容器芯子中的水份是否已充分逸出是没法真正判断的。在一定的温度下，工艺所要求的真空度和时间已达到，但水分子的蒸发和凝结已达到动态平衡，电容器芯子中的水分也许未能完全排出，就进入灌注阶段，这将影响电容器电气性能。另一种情况是工艺时间虽没有到，但电容器芯子中的水分已充分逸出仍在继续抽真空，浪费大量的能源。因此，我们要寻找一种新工艺来判断真空干燥是否真正结束而可以进入灌注阶段。以便提高电容器的电气性能，节省能源。
　 “变压法”真空干燥浸渍工艺能弥补以上不足。它把低真空、高真空合二为一，在此阶段通过向真空罐内充干燥空气来改变罐内真空度，以便电容器芯子中的水分能充分逸出。通过一定的方法寻找一个结束点来判断真空干燥是否真正结束而进入灌注阶段。
2　“变压法”真空干燥的原理
　　传统真空干燥原理：传统的电容器真空干燥是通过给真空罐内的电容器加热，增加电容器芯子中所含水分子的动能（W＝KT²／2），使其变成水蒸汽从绝缘材料中蒸发出来，增加了电容器芯子中的水蒸汽的分压。再对真空罐抽真空，降低电容器周围空间的压力，这样电容器芯子和周围空间就形成了一个压力差ΔP，从而使水蒸汽从电容器芯子中扩散、迁移到周围空间由真空泵抽走，达到排除电容器芯子中水分和气体的作用，传统方法要达到好的干燥效果，一是提高温度，使电容器芯子中的水分能获得足够的动能变成水蒸汽，但温度过高，绝缘材料会出现老化现象，损坏其绝缘性能。二是提高真空度，以增加ΔP抽除电容器芯子中的水分和气体；真空度较高，水蒸汽的饱和蒸汽压降低，水分子容易变成蒸汽逸出。但真空度也不能无限制的提高，它受真空泵的极限真空度的限制，再有真空度过高，气体分子的热传导降低，绝缘材料中的水分子不能获得足够的能量而蒸发，反而会影响电容器芯子中的水分蒸发的速度。后在一定的温度和真空度下，水分的蒸发和凝聚达到一个动态平衡，电容器芯子中的水分子不能彻底排出，影响电容器的电气性能。三是延长干燥时间，浪费了大量的能源。
　　“变压法”真空干燥的原理：在传统的电容器真空干燥原理的基础上扬长避短。在真空干燥控制的温度范围内，当抽到一定的真空度时，绝缘材料中的水分的蒸发和凝结达到动态平衡时，由于真空罐内气体分子的热传导降低，绝缘材料的毛细孔中的水分不能获得足够的能量变成水蒸汽。这时通过一个放气阀向罐内放入一定量的干燥空气，以提高真空罐内气体分子的热传导，绝缘材料从表层到深层传递能量，使其毛细孔中的水分能获得足够的能量变成水蒸汽逸出被真空泵抽走。当又抽到一定的真空度时，再向罐内充一定干燥空气……。这样反复几次，大大的提高了电容器芯子中的水分子蒸发的速度，达到彻底排除电容器芯子中的水分和气体的作用。再通过一定的方法寻找一个结束点来判断真空干燥是否真正结束而进入灌注阶段。
3　“变压法”真空干燥浸渍设备

　　要实现“变压法”真空干燥浸渍工艺，首先对现有的真空设备进行改造。
3．1　对现有真空罐的加热系统进行改造，在现有的真空罐内底部加两路排管，蒸汽从罐尾分两路进入罐底的排管中，两路排管各通过3根管子把蒸汽引入罐夹套，从而对电容器进行加热。为使夹套中的冷凝水及时排出夹套，在真空罐外底部加一排水管，通过3个管子和罐夹套相连，当夹套有积水首先流入排水管，在排水管出口处安装了过滤器、排污阀、疏水器，还有一个液位器，平时疏水器工作，及时排出罐夹套中的积水，当积水过多达到液位器中所规定的红线位置，打开排污阀排出积水，保证了罐夹套中没有积水，使蒸汽更有效的加热罐内的电容器。由实验可知：通过把铂电阻温度探头放在罐内、罐中、罐尾、罐左、罐右、罐顶、罐底，及3台芯子中放有铂电阻温度探头的模拟电容器放在罐门、罐中、罐尾，用引出线引出真空罐外，连接在自动测温仪上，每隔1小时打印一次，结果发现电容器芯子温升比改造前加快，罐内温度比改造前均匀，温差可控制在2℃以内。
3．2　真空机组仍采用滑阀式真空泵加二级罗茨泵，但主阀采用带位置指示器、波纹管轴封的高真空气动挡板阀，提高罐门、视镜窗等处的密封性能，使真空罐的总漏率控制在10Pa．L／s。
3．3　采用德国莱宝公司的TM21型真空计，抗污染的TR216规管，带打印控制部分，和信号输出功能。以便监督人工操作和对整个真空干燥浸渍过程进行自动控制。
3．4　在罗茨泵前安装冷却效果好的冷凝器，当电容器芯子中的水分蒸发为蒸汽被真空泵抽走后，经过冷凝器被冷却成水放出真空系统。防止水蒸汽乳化泵油，提高真空泵的抽气能力，延长真空泵的使用寿命。
4　“变压法”真空干燥是否真正结束的判断
4．1　判断的依据
　　当关闭高真空气动挡板阀t时间后，真空罐内的真空度由下式决定：
 
式中：t—关闭高真空气动挡板阀到测真空度之间的时间；
      V—真空罐的总体积；
      p_t—关闭高真空气动挡板阀t时间后真空罐内的真空度；
      p—关闭高真空气动挡板阀前真空罐内的真空度；
      Q₀—真空罐的总漏率；
    —真空罐本身的表面放气、罐内电容器的芯子所含的气体和加热后蒸发的水蒸汽等所形成的放气量。
　　 由于真空罐内表面在t（t很小）时间内的放气可忽略不计，而在真空干燥真正结束时电容器芯子所含的气体和水蒸汽都被真空泵抽走，即≈0上式可得：p_t＝p＋Q₀t／V，当真空罐的总漏率一定，规定p、t为某一定值时，p_t应是定值。关闭高真空气动挡板阀t时间后测真空度，实际所测真空度p_n应趋于p_t，即p_n－p_t≤p_i（p_i为极小值），此时可判断电容器的真空干燥已真正结束，可以进入降温、注油、浸渍阶段直至出罐。

4．2　判断方法

　　当真空罐加热到工艺所要求的温度后开始抽真空，当真空度达到p时，关闭高真空气动挡板阀t后，观察真空计的测量值p₁，当p₁－p_t≥p_i时，则打开放气阀向罐内放干燥气体到p_b后关闭放气阀，再打开高真空气动挡板阀继续抽真空，当真空度又达到p时，重复上述过程，经过反复几次后，当关闭高真空气动挡板阀经过时间t后，真空计中的测量值p_n满足p_n－p_t≤p_i，可以判断电容器的真空干燥已真正结束，进入降温、注油、浸渍阶段。具体操作过程见表1。
　　由于各真空干燥浸渍设备不同，p_t、p、t、Q₀、p_b、p_i参数应该怎样选择，要通过实践摸索才能确定。

5　工艺试验

　　首先把真空罐及槽车中的积油用干布擦干净，然后关闭罐门加热抽真空，烘干内表面附着的积油使其变成蒸汽由真空泵抽走，直到内表面干燥为至，停止加热抽真空准备做工艺试验。
　　打开罐门把BFM_r12／2－334－1的电容器28台放在槽车内，按单台注油的方式连接好。然后关闭罐门，对真空罐加热到80～90℃后，打开滑阀泵抽真空，温度控制在80～90℃，当真空度达到1kPa时，打开二级罗茨泵继续抽真空，当真空度达到1Pa时，关闭高真空气动挡板阀和罗茨泵，5min后，其真空度下降至2．56Pa，因2．56－1．35＞0．1，

（由p_t＝p＋Q₀t／V计算得1．35Pa，规定p_i为0．1），则打开放气阀向真空罐内充干燥大气至真空度70kPa，关闭放气阀，再打开高真空气动挡板阀抽真空达1kPa，再打开二级罗茨泵继续抽真空达1Pa，重复以上过程，直到关闭高真空气动挡板阀5min后，真空度下降为1．42Pa，1．42－1．35＜0．1，则可以判断真空干燥已真正结束。依次进入降温、注油、浸渍阶段直至出罐。再选二种型号的电容器在同一个罐里做试验，试验结果见表2，同时每　　一种型号的电容器取1台进行运行试验，测试数据与以前同类产品相比没有异常

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