在即将合闸的瞬间，在电压的作用下，绝缘介质被击穿，产生燃弧现象，及所谓的先行放电，此时，开关断口已经处于导通状态，由于电容器的特性，开关导通的一瞬间会产生高频的大涌流(突入电流)，详见下图1，此刻产生的较高能量的电弧会严重影响开关触头等部件的寿命^[3]。

图  1  电容器合闸瞬间的电流-时间波形

Figure 1.  The Voltage-Time Oscillogram of Closing Moment of Capacity

合闸瞬间，开关中流过含直流分量的基频电流，对于开关寿命的影响较小^[3]，详见下图2：

图  2  电抗器合闸瞬间的电流-时间波形

Figure 2.  The Voltage-Time Oscillogram of Closing Moment of Reactor

通过以上的分析可以看出，合闸无功设备的破坏性主要来自于合闸瞬间产生的大电流，会烧蚀开关的触头，由于电容器本身特性而产生涌流具有高频、幅值大的特点，结合电容器频繁投切的特性，合闸电容器带来的破坏性更为严重。

随着断口的打开，系统会产生恢复电压，此时恢复电压与电容器内的残留电压叠加后产生更高的恢复电压，从而形成过电压^[3]，详见下图3。

图  3  电容器分闸瞬间的电压-时间波形

Figure 3.  The Voltage-Time Oscillogram of Switching Moment of Capacity

在分闸瞬间，由于电抗器的作用会产生高频震荡电压(大约2～3 kHz)，从而产生较大过电压，详见下图4。在开断的过程中，过高的恢复电压及上升率会导致断口电弧的再次重燃，且燃弧时间长，一般开关较难开断，或开断次数有限^[3-4]。

图  4  电抗器分闸瞬间的电压-时间波形

Figure 4.  The Voltage-Time Oscillogram of Switching Moment of Reactor

通过以上的分析可以看出，分闸无功设备的破坏性主要来自于过电压对开关以及回路设备的损害，由于电抗器本身的特性，电抗器回路产生的过电压更大，更易引起断路器的复燃，而复燃可能会进一步造成电抗器的绝缘击穿。

在日本，LBS主要应用于72/84 kV电压等级的无功回路中，也有应用于36 kV回路中，技术相当成熟，并完成了连续开合试验，开合的无功容量和次数见下表1：

在国网1 000kV特高压工程中，无功补偿回路接在110 kV母线上，电抗器和电容器的容量分别达到240 Mvar和210 Mvar。

2012年，针对国网特高压项目的要求，对145 kV等级的LBS进行了型式试验，模拟电压、电流为136.4 kV、1 600 A的运行工况下，合闸电流为7 302 A,分闸电压为311.8 kV的情况下，交替进行合闸和分闸试验，试验过程中无燃弧、重燃，绝缘试验未发生闪络，在分合闸各5 000次之后，对试验的LBS进行解体检查开关触头烧损状况，发现弧接触子有一定的损耗，但没有异常损耗现象，主接触子、绝缘件未见异常。

专用负荷开关LBS结构上与断路器有本质区别，其制作原理分为压气式和磁旋弧方式，在功能上与断路器也有着本质的区别，主要的区别见下表2：

LBS目前存在的型式有GIS和HGIS，受到费用和应用领域的约束，目前在国内以HGIS型式为主。

根据无功回路专用负荷开关组合设备HGIS中是否设置断路器，HGIS有以下两种接线和布置方案：

方案一：HGIS中包含断路器QF、LBS、隔离开关QS、接地开关QE及TA(电流互感器)，其中断路器用于短路保护，LBS用于投切无功设备。电气一次接线和布置详见图5。

图  5  方案一的接线和布置

Figure 5.  The Connecting and Disposition of Plan One

方案二：HGIS中包含LBS、隔离开关、接地开关及TA，其中LBS用于投切无功设备。电气一次接线和布置详见图6：

图  6  方案二的接线和布置

Figure 6.  The Connecting and Disposition of Plan Two

主变压器进线主回路设置主断路器，无功分支回路设置断路器与LBS相结合的接线方式。采用LBS投切电容器、电抗器，电寿命可以达到7 000次以上，大大减少了后期维护的成本。

当低压侧主回路故障时，根据不同故障类型及故障时限跳开本侧断路器或三侧断路器；当低压侧支路故障时跳开本侧断路器，不影响其它分支路，将故障影响范围控制到最小。

主变压器进线主回路设置主断路器，无功回路只设置LBS的接线方式。采用LBS投切电容器、电抗器，电寿命可以达到7 000次以上，大大减少了后期维护的成本。

当主变压器低压侧主回路故障时，根据不同故障类型及故障时限跳开本侧断路器或三侧断路器；当站用变压器支路故障时跳开本侧断路器，不影响其它分支路；当电容器支路、电抗器支路故障时跳开主变压器低压侧断路器切除故障，此时会造成主变压器低压侧失去补偿装置及连接在该段母线上的站用变压器失电。站用变失电后，380 V备自投动作，投入# 0站用变。

主变压器进线主回路不设置主断路器，无功回路设置断路器与LBS相结合的接线方式。采用LBS投切电容器、电抗器，电寿命可以达到7 000次以上，大大减少了后期维护的成本。

主变压器低压侧故障通过跳开主变压器高、中压侧断路器切除故障，造成变压器三侧失电，扩大了停电范围。电容器、电抗器、站用变支路故障通过跳开本支路断路器切除故障，不影响其它分支路。

对方案一至方案三进行技术经济比较，结果详见下表3：

据调查，在无功补偿回路中，正常投切的次数占整个开关寿命中开断次数的95%以上，而开断短路电流的操作次数很少，方案二中无功回路不设断路器只设LBS的方式，通过二次保护配合，在保证可靠性的前提下，降低了设备造价，技术经济性最优。

通过第一节的分析可知，投切电容器和电抗器回路的电压电流特性区别很大，对开关及回路设备的破坏性差别也较大，本节分别对电容器和电抗器回路的投切开关进行选型分析。

通过第1节的分析可知，电容器回路的破坏性来自于合闸操作引起的高频大涌流，会烧蚀开关的触头，极大地缩短开关的电寿命，从而增加了设备维护和更换的工作量，也造成了经济损失。

实际运行中，500 kV变电站中投切电容器的操作频繁，因此回路开关的寿命一般只有2年，检修维护的工作量很大，因此500 kV变电站电容器回路的开关推荐采用LBS。

通过第2节的分析可知，电抗器回路的破坏性来自于分闸操作引起的过电流，可能会引起断路器复燃，从而破坏电抗器设备的绝缘。

实际运行中，500 kV变电站中投切电抗器的频率相对电容器低，专用负荷开关LBS虽然技术先进，但价格不菲，因此综合考虑经济性和可靠性，500 kV变电站电抗器回路的开关推荐采用SF₆断路器，为了尽量延长断路器的电寿命，提高可靠性，推荐采用电压等级高一级的SF₆断路器。

某500 kV变电站本期建设2台1 000 MVA主变压器，每台主变压器低压侧建设3×60 Mvar电容器组及2×60Mvar电抗器组，远期建设4台1 000 MVA主变压器，每台主变压器低压侧建设3×60 Mvar电容器组及1×60 Mvar电抗器组。

通过第二节的分析得知，主变压器低压侧总回路设断路器，35 kV电容器回路设专用负荷开关LBS，不设分支断路器，站用变压器及低压并联电抗器回路设分支断路器方案的技术经济性最优。

采用这种方案时，由于电容器支路不设断路器，当支路发生故障时，跳开主变压器低压侧断路器切除故障，此时也切除了主变压器低压侧所有的负荷，包括站用变和无功负荷。其中站用压器变失电后，380 V备自投动作，投入# 0站用变；而无功负荷的突然切除会引起电网电压的波动，为了进一步验证该方案的可行性，运用BPA软件进行2017年的夏大运行环境下的仿真，当电容器支路发生故障而引起的最大稳态电压跌落(同时切除低压侧3组60 MVar电容器组)，具体BPA仿真波形及数据见图7和图8：

图  7  2台主变压器运行中同时切某台主变压器低压侧负荷时的电压跌落波形图

Figure 7.  The Voltage Drop Level Oscillogram of Switching the Whole Load of Certain Transformer When Two Transformers are Both Operating

图  8  1台主变压器运行中切主变压器低压侧负荷时的电压跌落波形图

Figure 8.  The Voltage Drop Level Oscillogram of Switching the Whole Load of Certain Transformer When One Transformer is Operating

根据《广东电网公司电力系统电压质量和无功电力管理办法》中第4.3.1项发电厂和变电站500 kV及以上母线以及发电厂和500 kV变电站的220 kV母线正常运行方式时，电压允许偏差为系统额定电压的0%～＋10%；而某500 kV站500 kV母线以及220 kV母线最大电压偏差分别为5.629%、5.871%，符合要求。

根据上图可以看出，即使是在故障切除的瞬间，该500 kV站500 kV和220 kV母线暂态电压的跌落也均在合理的范围内。

我国500 kV变电站目前主要采用SF₆断路器进行投切无功补偿设备，普遍存在断路器电寿命短的问题，专用负荷开关LBS针对投切无功补偿设备的电流电压特性进行设计，极大延长了开关的电寿命，大大降低了设备维护工作量，但由于费用高昂，因此在我国500 kV变电站中并未得到广泛应用。

本文通过一系列分析比较，得出500 kV变电站采用LBS的可靠性和经济性综合最优的方案，并通过BPA仿真分析，论证了该方案若在发生短路故障的情况下，电压跌落符合《广东电网公司电力系统电压质量和无功电力管理办法》中的要求。