1 引言
中低压配电网中常用电容器组进行无功补偿，以保证电力用户的电能质量，受负荷波动的影响，电容器组需要频繁的投切，随着真空断路器在电力系统中的普及，真空断路器投切电容器组时，由于重燃过电压引起的电容器组故障事件也逐渐受到电力部门的重视。为此，电力工作者进行了大量的研究：[1]认为对地电容或分布电容的存在是引起电力系统电容器回路断路器炸裂的技术原因之一，为此仿真出断路器机械运动过程与电过程中的电流电压分布规律,并认为配电网电容器容量从1000～12000kVAR,串联电抗器从1～12%参数配置是容易产生炸裂的配型，并提出了避免措施；[2]则是重点分析了引起断路器发生截流及过电压的原因和相关因素；[3]则认为真空电弧阳极斑点形成是制约真空断路器开断成功的主要因素，为此研究了，,真空电弧阳极斑点对电流过零时刻阳极表面温度的影响研究真空电弧阳极斑点出现后电流过零时刻阳极表面温度情况，发现触头材料对斑点形成后电流过零时刻阳极表面温度影响显著，并给出了对应的范围；[4-6]则对真空断路器在开断小电感电流时,产生的重燃过电压进行了理论分析；[7-9]是利用仿真软件对真空断路器投切过电压进行了模拟与分析；[10-11]则对真空断路器引起的过电压问题提出了防护建议。上述研究成果，多关注于真空断路器投切电感性负载或电抗造成的过电压，而对投切电容器组造成的过电压研究偏少，此外，并联电容器组在投切时，在极间还会产生较高的过点压值导致电容器被击穿，弄清楚期间的影响因素能够为抑制极间过电压提供依据。
鉴于近年来电容器组投切操作造成的故障事件增多，论文从对真空断路器重燃特性出发，研究了开断电容器组时过电压机理，并利用PSCAD仿真软件进行模拟，分析因真空断路器重燃效应造成操作电容器组极间过电压及其影响因素，以期为抑制过电压提供有用参考。
2 真空断路器开断电容器过电压特性
图1所示为某一并联电容器组简化电路图。
图1 并联电容器简化电路
图中，VCB为真空断路器，C为电容器容量，C0为三相电容器对地电容，Cs为相间电容，电源相电压为Um。若t=0时A相开断，断路器不发生重燃时，在经过四分之一个工频周期后，B相和C相间的线电压最大值1.37Um，电容器对地电压为0.5Um，不会对系统造成不利影响。
当A相分闸后发生单相重燃，电容器的极对地电压最大为5.87Um，中性点最大对地电位为4.5Um，断路器恢复电压可达6.37Um，超过电容器组的极地和极间操作冲击耐压水平，会在运行过程中会对电气设备造成损害。
A相重燃后，较高的中性点电压会转移到其他两相，导致恢复电压迅速升高，形成重击穿，造成两相重击穿并分成两部分，一部分是AC相工频交流电压加在无初始储能的元件上，另一部分是有初始储能的元件进行振荡，振荡的频率为支路的固有频率。研究表明，当A相是第一个断相且A相重击穿时，C相的过电压最高。由于在单相重击穿的过程中回路振荡频率非常高，因此C相立即发生重击穿，形成了两相重击穿电路。回路中的电源是A相和C相的线电压，重击穿电路的等效电源为：
（1）
式中，UAO,UCO,UAC 分别为A、C相电压及其两相间电压。
可见，在两相重击穿发生在线电压最大过程中，由于最大过电压Umax=2倍稳态值-初始值，在两相重击穿发生过程中，两相电容器相间电压会升高至电容器残压加上电源电压值的两倍。由于真空断路器灭弧能力，因此当高频电流超过零时，断路器开断，此时电容器电压最高，电容器将保持该电压值。如果再次经过工频半周期，两相再次击穿，则电容器上的最大过电压值可能会达到在上次重击穿的过电压基础上，继续增加两倍线电压。当再次切断振荡电流时，电容器也会保持该高电压。如此一遍又一遍地重击穿，反复地高频开断，电容器两端的电压连续增加，并且每次增加两倍线电压幅值， 形成“级升”过电压。甚至造成高达系统额定电压10倍的过电压，严重影响着电气设备的使用寿命和电网的安全稳定运行。
图1中，三相真空断路器分闸情况可以分为同期分闸单相重燃、同期分闸两相重燃、非同期单相重燃和非同期两相重燃等情况。
（1）同期分闸单相重燃
假设在A相熄弧后，如果此时（t=5ms）B、C相的电弧同时熄灭，即iBC=0。每个相电容和电源完全隔离，每个相电容电压和电容器中性点电压不再改变。全部三相电弧熄灭后，断路器各相触点的恢复电压的最大值为：
（2）
（2）同期分闸两相重燃
单相重击穿的危害还在于向非重击穿相传递，它会造成非击穿相断路器电压突然跳升，并诱发两相重击穿。如果AC相发生重燃，极间电压将会最高达到1.58Um，对地电压最高达到3.31Um。同时，AC相重燃时，高振幅，高频率的电流将会对电容器产生很大的破坏力。
（3）非同期单相重燃
当断路器断开电容器时，由于断路器的机械故障或者其他因素：在断开A相之后，不能断开B相或C相，甚至存在B、C相不能同时断开的情况。A相熄弧后，A相断路器的恢复电压为：
（3）
如果 ms 时，BC 没有熄弧，那么A 相断路器恢复电压最大值为：
（4）
（4）非同期两相重燃
如果当t=5ms时，B相电弧熄灭且C相拒绝动作，A相和B相的电容与电源完全隔离，并且C相由断路器与电流连接。 A、B和C相电容不再变化，但电容器的中性点通过C相电容与电源相关并随着电源变化。
由此可求得，B相熄弧，而C相未熄弧时，各相电压以及中性点电压为：
（5）
断路器A相和B相触点的恢复电压分别为：
（6）
（7）
断路器每相触头的最大恢复电压为：
（8）
可见，无论是哪种重燃方式，过电压倍数都有可能超过电容器组的耐受阈值，对电容器造成破坏。
3 算例分析
图2所示为电容器开断仿真模型，图中并联电容器每相约48μF，星型连接方式且中性点不接地；系统电压三相对称，电压等级为35kV，电源侧的线路电阻为0.1mΩ，电感为0.1mH。电抗器的电感为14mH，直流电阻阻值为350mΩ，主要抑制投切并联电容器时产生的高频分量，其余参数标注图中。BRK1、BRK2、BRK3共同组成三相断路器。
图2 电容器开断过电压仿真模型
断路器开断电容器组仿真，正常分闸时，电容器极间电压最大值为40kV，在耐受阈值之内。同期分闸单相重燃时电容器极间电圧和断路器恢复电压仿真结果如下：
图（a）电容器极间电压波形
图（b）断路器恢复电压波形
图（c）电容器对地电压波形
图（d）中性点电压波形
图4 同期分闸单相重燃
图4可见，当同期分闸单相重击穿发生时，A相电容器极间电压为1.0，B相电容器极间电压为0.37，C相电容器极间电压为1.37。A相电容器对地电压为1.79，B相电容器对地电压为2.44，C相电容器对地电压为4.11。A相断路器恢复电压为0，B相断路器恢复电压为2.28，C相断路器恢复电压为3.30。可见，在发生同期分闸单相重击穿期间，电容器极间电压并未变化。由于发生单相击穿，造成中性点电位偏移，电容器的高压端产生更高的过电压；未被击穿的其他两相断路器恢复电压达到较高的过电压水平。
类似的，对同期分闸两相重燃进行仿真，得到的三相电容器极间电压、三相电容器对地电压、断路器恢复电压和中性点电压，将最大值整理下表：
表1 各种重燃工况下电压幅值
表1可见，断路器重燃造成的过电压与理论分析相吻合。
接着，再从系统参数、断路器分闸的角度、对地杂散电容参数等角度出发，分析上述因素对分闸过电压的影响。结果如下：
图4电容器容量不同取值下分闸过电压折线图
图5电容器内部电阻不同取值下分闸过电压折线图
图6 架空线路电阻不同取值下分闸过电压折线图
图7架空线路电感不同取值下分闸过电压折线图
图8对地杂散电容容量不同取值下分闸过电压折线图
图9不同分闸角下分闸过电压折线图
图（4）-图（9）可知，并联电容器电容容量，内部电阻的大小、架空线路电阻和电感的大小，对地杂散电容的大小，均对分闸时产生的过电压有影响，但影响幅度不是很大，分闸角度对分闸过电压影响较大。
4 结语
利用PSCAD软件搭建了35kV配电网并联补偿电容分闸过电压仿真模型模拟了正常分闸时，同期分闸单相击穿时，同期分闸两相击穿时，非同期分闸单相击穿时，非同期分闸两相击穿时产生的过电压。仿真波形表明了击穿时电容器极间电压和电容器对地电压均会超过两倍系统电压，这会对电网的安全运行产生威胁。
此外，还分析了架空线路参数，电容器参数，分合闸时间等因素对分闸过电压的影响，结果表明，分闸角度对分闸过电压影响较大。
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