质量/电容器博客
用于高压断路器的高压陶瓷电容器
在复杂且要求极高的高压输配电领域，故障情况下可靠地中断电流至关重要。
断路器用高压电容器和电阻器
断路器必须能够断开带电电路并承受随之而来的瞬态电压。断路器两端的电压分布、瞬态恢复电压 (TRV) 以及合闸浪涌电压均由触点间的电容器和电阻器进行控制。如果这些参数配置不当，断路器要么会再次跳闸，要么会导致电压分配不均，要么会损坏其保护的系统。
- 在串联断路器中使用分级电容器，使每个间隙均匀分担恢复电压。
- 使用开路电阻来抑制 TRV，并限制第一次断路时的重击电流。
- 断路器的尺寸要考虑瞬态能量，而不是稳态额定值——断路器跳闸是一个单一的、剧烈的事件。
抽象
断路器是高压电网的安全阀，其内部的无源元件决定着断路器的断开是干净利落还是灾难性的。本文将解释电压分级电容器、分断电阻、瞬态响应阀 (TRV) 以及它们所控制的开关浪涌，并阐述如何选择合适的高压电压分级电容器和电阻，以确保断路器能够干净利落地断开电网并延长使用寿命。
1. 应用场景：中断而不重新触发
当断路器断开时，触点分离，电弧必须熄灭。随后，恢复电压立即在间隙处重新出现。在多间隙断路器中，电压必须由各触点共享：
分级电容器还能调节瞬态恢复电压，减缓间隙两端电压重新出现的速度，从而使介质能够恢复。如果没有它，一个间隙会承受大部分电压并重新击穿。
三、技术要求
2.1 分级电容。 分级电容器主导了杂散电容，并强制平均分配：
2.2 瞬态恢复电压。 TRV（瞬态响应限幅）在电流过零后几微秒内出现在间隙两端；电容器限制了其上升速率：
2.3 打开电阻能量。 电阻器在电路开启过程中吸收线路能量；它必须能够承受脉冲而不损坏：
2.4 结束突击协调。 控制开关的同一被动网络也控制着闭合：闭合到带电电容器组或空载变压器时会产生浪涌，触点和网络必须承受这种浪涌：
预插入电阻是经典的解决方案：它们在前几个周期插入，然后旁路。电阻元件每次都承受全部的闭合浪涌电流，这就是为什么脉冲能量额定值对于闭合和断开都同样重要的原因。
图 1 — 断路器网络：分级电容器、开路电阻、线路和负载。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛点 1 — 一个间隙吸收了所有电压。 “底部断路器每隔一个开路就重击一次。” 杂散电容是造成电流共享的主要原因。适当容量的分级电容器平衡了电流间隙。
疼痛 2 — 变压器故障导致 TRV 再次击穿。 “每次打开变压器馈线都会发生重击。”恢复电压上升速度过快，超过了间隙所能承受的范围。开启电阻器和增大分级电容器可以减缓恢复电压的上升速度。
疼痛 3 — 电阻器开裂。 “电阻元件在一次严重故障后破裂。”该元件的额定功率为连续功率，而非脉冲能量。额定功率为脉冲功率的电阻器在启动瞬态过程中幸存了下来。
4. 组件比较
| 参数 | HVC 分级上限 | 通用高压帽 |
|---|---|---|
| 脉冲电压能力 | 高 | 中度 |
| 电容稳定性 | 稳定 | 漂流 |
| PD性能 | 低PD | 变量 |
| 能量等级 | 匹配 | 不明 |
如何使用此比较方法。 对于输配电断路器，高压电容等级必须严格遵守：局部放电性能和电容稳定性的差异直接决定断路器是否重跳闸。对于单间隙的小型重合闸，电路结构较为简单，但开断电阻仍需采用额定能量的脉冲元件，而非功率电阻。传感器分压器应始终采用低电阻率（TCR）电路——控制系统的精度直接关系到断路器的保护。
5. 选择和HVC解决方案
| 职务 | 推荐的HVC系列 | 电压 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 分级电容器 | 高压陶瓷圆片电容器，N4700 | 每个间隙千伏 | 稳定的C值，低PD值 |
| 开启电阻 | HVR电阻器 | 5–35 kV | 脉冲能量等级 |
| TRV阻尼 | 高压陶瓷圆片电容器 | 1–10 kV | 低损耗 |
| 传感器分频器 | HVR电阻网络 | 5–35 kV | ±0.5% 比率 |
① 分担压力的评分方式。 稳定的 N4700 电容器可使每个间隙上的恢复电压相等——不会单独发生间隙重击。
② 打开接收脉冲的电阻器。 额定能量的HVR电阻器能够吸收开启瞬态电流而不发生破裂，一次又一次地开启。
③ 一套合格的被动装置。 从同一工厂对电容器、开路电阻器和传感器分压器进行分级，并提供 PD 和脉冲数据以进行断路器鉴定。
6. 工程案例研究（参考资料）
本次检修的断路器是一台145 kV SF6断路器，带有两个串联的灭弧室，为变电站供电。在100次操作中，它发生了7次重跳，且均由变压器馈线故障引起。分析表明，杂散电容是电压分配的主要因素，瞬态响应限值（TRV）上升速度快于电压间隙恢复速度。改进方案包括：增加匹配的N4700均压电容器、额定能量的高压电压恢复限值（HVR）开断电阻以及低温度系数（TCR）传感器分压器。
| 测量参数 | 之前 | 后 |
|---|---|---|
| 每100次操作的重击次数 | 7 | 0 |
| 间隙电压分配不均 | 58 / 42％ | 51 / 49％ |
| TRV上升率 | 2.8 kV/µs | 1.3 kV/µs |
| 每年开路电阻器故障次数 | 2 | 0 |
现在，断路器在各种故障类型下都能干净利落地断开。在断路器中，分级网络就像裁判一样——它确保没有哪个单独的间隙承担全部的故障处理工作。
案例讨论。 有趣的发现是，问题很大程度上源于热效应。分级电容器位于SF6断路器旁边，其电容值会随工作温度而变化；在25℃下选择的电容器，在60℃外壳温度下则变成了不同的元件。改造过程中，明确了工作温度下的电容容差，并在安装位置进行了验证。第二个经验教训是测量：改造前从未记录过温控阀（TRV）和间隙共享情况，因此没有人知道断路器距离重跳闸还有多远。永久性传感器分压器和常规波形日志记录，使断路器从一个“黑匣子”变成了一个具有可预测裕量的受监控设备——控制系统的设置也基于实际数据而非经验进行调整。
7. 设计考虑
- 分级容差： 分级电容器必须紧密匹配且稳定——10% 的不匹配会导致间隙电压不均匀并重新触发。
- TRV 塑形： 分级电容和线路/负载常数决定了 TRV；电容器的容量决定了上升速率是否低于间隙的恢复速率。
- 开启电阻能量： 电阻器必须在一个脉冲内吸收全部中断能量——速率为 E = ½CV² + ½LI²，而不是连续瓦特。
- 无PD介质： 分级电容器在恢复电压下发生局部放电，会加速绝缘层老化并在使用中失效；需要局部放电数据。
- 机械循环和热循环： 断路器部件处于恶劣的环境中；应选用通过机械和热耐久性测试的部件。
- 传感器分频器： 断路器的电压和电流传感器必须在机构的使用寿命内保持其比率——低 TCR HVR 分压器可以做到这一点。
8. 验证清单
- 在受控中断中记录 TRV 波形，并确认上升速率低于间隙恢复限值。
- 在额定恢复电压下测量每个间隙上的电压份额。
- 进行开路能量测试，并检查电阻元件是否损坏。
- 进行 1,000 次机械操作并重新测量分级电容。
- 验证额定电压下的局部放电水平是否低于规格要求。
9. 结论
断路器的性能取决于其最后一次断开操作，而无源网络则决定了该断开操作是否干净利落。HVC 提供的稳定 N4700 分级电容器、高额定功率的 HVR 开断电阻器和低 TCR 传感器分压器，确保断路器在每次开断操作中都能保持所需的平衡。
10。 参考
- IEC 62271-100:2021， 高压开关设备和控制设备——第100部分：交流断路器. 瑞士日内瓦：IEC。
- A. 格林伍德 电力系统中的电瞬变，第二版。美国纽约州纽约：Wiley，1991。
- IEC 60143-1:2015， 电力系统串联电容器——第一部分：概述. 瑞士日内瓦：IEC。
- E. Kuffel、WS Zaengl 和 J. Kuffel， 高电压工程：基础知识，第 2 版。英国牛津：Newnes（Elsevier），2000 年。
- 王兆安、刘进军主编，《电力电子技术》(电力电子技术)，第5版。 北京: 机械工业出版社, 2009.