耦合电容器防雷作用探讨

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。
　　关键词：耦合电容器　防雷作用

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
　　　 (2)
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
　　　 (4)
　　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。