高压电容器引起的过电压及其对策(续)

论文作者：沈文琪 郭天兴 杨景南 张爱莉 张建平

摘要： 对内熔丝电容器中，因内熔线动作引起的作用在完好元件上的过电压进行了定性、定量分析。进行了试验验证。提出了解决办法。

关键词：内熔丝 内熔丝电容器 元件 直流分量 过电压 放电电阻?

加上熔丝动作后故障串联段所分担的交流电压的升高，实际所受到的电压峰值可能会更高些。?

通过以上分析可知，在高压内熔丝电容器中的内熔丝动作之后，在其各个串联段上会出现直流电压分量。在高压内熔丝电容器中内熔丝动作之后之所以会在各串联段上出现过电压，就是由这些直流电压分量与交流电压分量叠加引起的。?

对于内部电气联结如图1所示的高压内熔丝电容器，不难看出存在于各个串联段上的直流电压分量，只有通过其本身的绝缘电阻慢慢下降。在故障串联段上的直流电压分量与时间的关系为：

t=RsCsln(U0／UR) (11)?

式中:t—故障串联段上直流电压分量的持续时间(s)；?

Rs、Cs—分别为故障串联段的极间绝缘电阻和电容；?

UR—熔丝动作后，经时间t，在故障串联段上剩余的直流电压分量?

在式(11)中，Rs、Cs是一个与电容器极间材料的介电性能有关的常数，通常可用τ来表示，即：?

Rs·Cs=τ (12)?

对于用二芳基乙烷浸渍的PP膜介质，τ=5×104S，对于UR可以取0.1U0，即当故障串联段上的直流电压分量降到其起始值的1/10时，就可认为其对电容器的影响可以忽略不计了。把上述值代入式(11)，可得：?

t=5×104ln10s≈32 h (13)?

也就是说，在如图1那样结构的BFM型高压全膜内熔丝电容器中由内熔丝动作所引起的过电压，在其故障串联段上将持续32h，在这个过电压持续时间内极可能会给电容器介质造成伤害。

3 解决办法?

3.1 在高压内熔丝电容器的每一个串联段上并接一个内放电电阻，如图5所示，这样，由内熔丝动作产生的分布在各个串联段上的“陷阱电荷”就有了一个释放通道，在故障串联段上的直流电压分量与时间的关系变为：

t=rsCsln(U0／UR)(14)?

如果我们设定U0/UR=10；t=300s，则我们可得到：?

rs=300／(2.3Cs)(15)?

例如：对于内部有4个串联段的BAM11/—200—1W全膜介质内熔丝电容器，其每个串联段的电容Cs=63μF将Cs代入式(15)可得：

即只要在其每个串联段上并联一个2MΩ的放电电阻，就可以将该内熔丝电容器在其内部熔丝动作时所产生的作用在故障串联段上的过电压的幅值在5min内降到一个对电容器不会产生危害的水平。

3.2 在设计内熔丝的时候，在保证电容器发生短路放电时不会熔断，并留有一定裕度的前提下，尽可能不要选用直径太粗的内熔丝，因为内熔丝的直径越粗其动作时所消耗的能量越大，故障串联段上失去的电荷Q0就越大，由其产生的直流电压分量U0也就越大。另外，在结构允许的条件下应尽量使每个串联段上的并联元件数m多一些。这样，对于相同的Q0在故障串联段上产生的直流电压分量可以低一些(见式(4))。从这一点出发，对于大容量的集合式电容器，以采用内部带放电电阻的、内部元件全部并联的带内熔丝的小台单元电容器，并由多台这样的单元电容器进行先并后串的结构为好。?

3.3 内部装有放电线圈的高压集合式电容器或大容量电容器，其内部小台单元电容器也应采用元件全并联的结构为好。这些小台电容器在集合式电容器内部也应如图6所示，先并后串，放电线圈应有与串联段数相一致的抽头，以便与各串联段相连接。采用图6所示结构，可在几秒钟内就将由内熔丝引起的作用在各串联段上的过电压消除掉。

4 试验?

试验在如图7所示的模拟电路上进行。?

图中C1、C2构成了一台内部有4个串联段的高压并联电容器的等值电路，C2为其中一个串联段的等值电路，其中f模拟内部熔丝，K模拟与内熔丝串联的击穿元件，当故障元件击穿，K合上，在电容C2上储存的能量向f放电，将f熔断，在C2上的电压波形如图8、图9所示。图8是在负半波时熔丝动作，所形成的直流电压为正值，U0=3(小格)而Um=8(小格)，所以熔丝动作后，正半周电压幅值U′m=3+8=11(小格)。U′m／Um=11／8=1.38。图9是在正半周时熔丝动作，所以U0为负值，电压波形下移，U0=-4(小格)，所以在负半周的电压幅值为UU′m=8+4=12(小格)，U′m／Um=1.5。

图10和图11是在Us=1kV的情况下得到的波形图。由于所施加的电压较低，在C2上所储存的能量仅为Us=3kV时的1/9。在真空开关合上后，在C2上所储存的能量不足以使熔丝f熔断，此后在交流电流的作用下，经若干个周波后熔丝熔断。这时，由于在电容C2上的电荷已完全放净，所以U0=Um，U′m≈2Um。图10是在交流电压负峰值时由工频电流将熔丝熔断。图11是在交流电压过负峰值前由工频电流将熔线熔断。

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5 问题讨论?

5.1 对于图1结构的高压内熔丝电容器，当其在运行的过程中发生内熔丝动作后在其各个串联段上会在相当长的一段时间内存在一种称之谓“陷阱电荷”的电荷，当我们将此种电容器打开，进行检修前必须对其中的每个串联段逐个进行短路放电，以免检修人员遭电击伤害。?

5.2 内部采用全并联连接的低压内熔丝电容器，因为对直流电流而言系统阻抗近于零，由内熔丝动作所产生的直流压降被系统短路，所以不会对电容器造成危害，此种电容器在检修前，只要将其出线端子短接，在其内部就不会有“陷阱电荷”存在。?

5.3 对于如图12所示的高压电容器组，如果在这些电容器单元内部没有装设内放电电阻，当其中有一台电容器击穿时，外部熔断器动作，将击穿电容器切除后，在其两个串联段上同样会受到由交流加直流引起的过电压。而在这种情况下，由于与电容器单元相串联的通常是没有限流能力的喷逐式熔断器，所以只有在其电流过零时电弧才能熄灭，将故障电容器切除，由此所引起的过电压将更加严重。所以在串、并联结线的电容器组中所用的电容器单元应带有内放电电阻。或对电容器组中的每一个串联段都装放电装置。

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6 小结?

6.1 高压内熔丝电容器在其内熔丝切除故障元件的过程中，在各串联段上会产生直流电压分量，从而使各串联段受到直流加交流的持续过电压的作用。?

6.2 高压内熔丝电容器的各串联段上有可能会存在“陷阱电荷”，在打开电容器检修时，应对电容器中的每个串联段进行短路放电，以免检修人员遭受电击。?

6.3 在高压并联电容器中的每个串联段上并联放电电阻可有效释放由内熔丝动作在各串联段上产生的“陷阱电荷”，降低与其相应的直流电压分量，从而大大减轻由内熔丝动作所引起的直流加交流过电压对高压电容器的危害。?

6.4 在集合式高压并联电容器中，采用内部带放电电阻的内部元件全部并联的小台电容器，再用这些小台电容器进行先并后串的连接，可将由内熔丝动作引起的过电压在较短的时间内降到允许电压。

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6.5 在含有2个或2个以上串联段的高压并联电容器组中，如其采用单台外熔断器保护，则应选用内部带内放电电阻的电容器单元。?

6.6 内部元件全部并联的低压并联电容器，当其与电网直接连接运行时，其内熔丝动作不会产生持续过电压。