开断和关合电容电流性能的优化方案

关合和开断电容性负荷是高压断路器的一项基本任务。电网中电容性负荷有两种：第一种是余弦电容器组，它用于提高电网电压与功率因数、减少线路损耗等；第二种是空载输电线路，包括架空线和电缆。

1.空载线路的开断

切除空载线路，是系统中常见的操作之一。多年的运行经验表明，若使用的断路器的灭弧能力不够强，以致电弧在触头间重燃时，就容易产生切除空载线路过电压。切除空载线路过电压是高压电网中典型的操作过电压。而断路器触头间电弧重燃，是产生这种过电压的根本原因。

1）架空线的电容包括各相导体之间的电容和导线对地电容。架空线采用导线循环换位后，电容可以认为都是相等的。三相架空线每相每公里的电容电流主要与线路的额定电压有关。

2）电缆的相间与对地距离都很小，固体、液体绝缘材料的介电常数又比空气大，因此每公里的电容电流比架空线大几十倍。即使电缆线路的电压不高，线路也不长，但电容电流仍不小。国家标准GB1984—2003中给出了各电压等级断路器应能开断的额定电缆充电电流。

由此可见，要求开合电容性电流的数值不是很大，一般为几十到几百安，最大也不会超过1kA，与短路开断电流相比要小得多。开断电容性电流的主要问题是过电压。

2.空载线路的关合

电力系统运行时主要在以下两种情况下需要关合空载输电线路：一种是正常操作的需要，如输电线路检修后投入运行；另一种是线路短路故障切除后的自动重合。

图2-4 输电线路连接图（G₁、G₂为电源）

在图2-4所示的输电线路中，当线路发生短路故障时，断路器QF₁与QF₂动作，切除故障。经很短时间后，QF₁与QF₂又自动重合。若QF₁先于QF₂重合，且重合时短路故障已消除，则断路器QF₁遇到的就是关合空载输电线路。

关合空载线路会产生过电压。若断路器QF三相同期合闸，关合三相空载线路可按单相电路进行。图2-5a中，G为电源，C₁为空载输电线路的总电容，L₁为总电感，L_S为电源电感，电源电压u=U_msin（ωt+φ），为简化起见，电源与输电线路的电阻忽略不计，如图2-5b所示。(www.xing528.com)

图2-5 关合空载线路的单相电路

a）等效电路 b）简化电路

通过以上分析，可以得出下列结论：

关合空载线路时，U_cm与合闸瞬间的电源电压U_msinφ及线路的残余电压U₀有关。当关合线路时，电源电压为峰值U_m（φ=90°），若U₀与U_m极性相同，则U_cm＜2U_m，即过电压小于两倍U_m；反之若U₀与U_m极性相反，可出现大于两倍U_m的过电压。例如U₀=-U_m时，有

U_cm=2U_m-（-U_m）=3U_m （2-1）

电压U_c的变化曲线如图2-6所示。

产生过电压的根本原因是由L与C₁的振荡造成的。考虑到线路电阻、导线的电晕损耗以及长输电线路末端电压的升高等情况，关合空载线路时的过电压比上面分析的简单情况要复杂。大多数情况下，过电压小于三倍U_m，这在电压等级不太高的输电线路中不成问题，只有线路额定电压超过500kV时才需加以考虑。

图2-6 关合空载线路时的过电压（φ=90°）

a）U₀与U_m极性相同 b）U₀与U_m极性相反