摘要： 討論電容器各種穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓系數(shù)的計(jì)算并提出防止電容器過(guò)電壓的對(duì)策，包括避雷器的多種結(jié)線方式的選擇，為設(shè)計(jì)人員的選型及改進(jìn)運(yùn)行方式提供參考。
The Prevention of Over Voltage on
High Voltage Shunt Capacitor
ZHANG Ling
(Taiyuan Higher Electrical College, Taiyuan 030013,China)
Abstract： All kinds of steady-state over voltage coefficient of capacitor bank are calculated,and the countermeasures for prevention of capacitor over voltage,including the selection of arrester connection modes ,are also proposed.It can be used to reference for designer in mode selection and performance improvement.
Keywords： capacitor; steady-state over voltage-coefficient; mode of connection
電網(wǎng)中裝設(shè)高壓并聯(lián)電容器以改善功率因數(shù)，維持運(yùn)行電壓，提高輸變電設(shè)備輸送容量和降低線路損耗。但如運(yùn)行電壓過(guò)高，會(huì)危及設(shè)備和安全運(yùn)行。有多種因素引起穩(wěn)態(tài)電壓升高，下面將進(jìn)行分析。
1 穩(wěn)態(tài)電壓的升高
(1) 電容器裝置接入電網(wǎng)后引起電網(wǎng)電壓升高。設(shè)升高的系數(shù)為K1，其值按下面方法計(jì)算：
ΔU≈UZM.Qc/Sd
K1=(UCG+ΔU)/UCG
ΔU為電壓升高值(kV)；Uzm為電容器裝置未投入時(shí)母線電壓(kV)；Qc為接入母線的電容器總?cè)萘?Mvar)；Sd為電容器裝置安裝處母線短路容量(MVA)；UCG為電容器正常工作電壓。
例如某220 kV變電站，10 kV母線短路容量350 MVA，每組串聯(lián)600 kvar，6%電抗器1臺(tái)，裝4組電容器，每組7 800 kvar,則：
(2) 電容器組接入電抗器后，電容器端電壓升高。設(shè)升高的系數(shù)為K2，其值按下面方法計(jì)算。
三相電容器回路一般不存在偶次諧波，由于電源變壓器有一側(cè)為三角形結(jié)線，三次諧波在這個(gè)低阻抗線圈中循環(huán)流動(dòng)，不流入電網(wǎng)，只要電容器母線上沒(méi)有諧波源，很少有三次諧波，電容器組投入運(yùn)行后應(yīng)測(cè)試一下以便驗(yàn)證。
電容器組串聯(lián)電抗器可消除諧振、改善諧波電壓、降低合閘涌流。電容器的選擇主要是對(duì)占份量最大的5次諧波，設(shè)經(jīng)串聯(lián)電抗器后恰能消諧，即
5ωL-1/(5ωC)=0
解得感、容阻抗比為
XL=ωL=1/(52ωC)=0.04Xc。
為了在所有高次諧波出現(xiàn)時(shí)，串聯(lián)電抗器應(yīng)足以消諧，使感抗值大于容抗值，可引用可靠系數(shù)1.5，則XL=1.5×0.04XC=0.06Xc。
電容器端子上電壓：
即K2=UC/U=1.064U/U=1.064,電容器端子上電壓高出母線電壓6.4%。
(3) 電容器組如不裝串聯(lián)電抗器，則諧波引起電容器端子電壓升高的系數(shù)為K3，計(jì)算式可從傅里葉級(jí)數(shù)得知，非正弦電壓有效值計(jì)算如下：
式中 U1為基波電壓分量的有效值；UM為第M次諧波電壓分量的有效值。
設(shè)U1的數(shù)值等于額定電壓UN，5次諧波電壓U5的數(shù)值為26.45%UN。那么
(4) 電容器組相間電容差值引起過(guò)電壓的系數(shù)K4可按下面的分析計(jì)算。
中性點(diǎn)不接地的星形結(jié)線電容器組由于三相電容不平衡引起中性點(diǎn)位移，使電壓升高。為此應(yīng)盡量縮小差值，在安裝前，應(yīng)抄錄每臺(tái)電容器電容量并編號(hào)，將其分成電容量差不大于5%的三個(gè)組。對(duì)于單星形或雙星形的電容器組，每組如有兩個(gè)臂，應(yīng)使對(duì)應(yīng)臂電容接近相等。經(jīng)仔細(xì)操作可以做到三相電容差值小于2%。此時(shí)
K4=1+ΔC/(3C+ΔC)=0.05C/(3C+0.05C)+1=1+0.05/(3+0.05)=1.016
式中 C為每相電容值；ΔC為相電容差值。
(5) 并聯(lián)電容器組在運(yùn)行過(guò)程中，由于電容器內(nèi)部故障被熔斷切除后，故障段中剩余的健全電容器端子所承受電壓也將升高。設(shè)升高的系數(shù)為K5，可按下面分析計(jì)算。
電容器組無(wú)論采用三角形結(jié)線或星形結(jié)線，每相都可以由一段或多段電容器串聯(lián)為相當(dāng)?shù)碾妷旱燃?jí)，各段又由若干臺(tái)電容器并聯(lián)，組成所需容量的電容器組。例如35 kV系統(tǒng)可用兩段10.5 kV的電容器串聯(lián)后，接成星形；66 kV系統(tǒng)可用兩段19 kV的電容器或三段12.7 kV的電容器串聯(lián)后接成星形。
電容器使用臺(tái)數(shù)應(yīng)大于允許使用的最小并聯(lián)臺(tái)數(shù)，最小并聯(lián)臺(tái)數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)表1。不同安全系數(shù)K時(shí)，應(yīng)小于最大并聯(lián)臺(tái)數(shù)。每段中電容器最大并聯(lián)臺(tái)數(shù)Mmax見(jiàn)表2。
故障段健全電容器端子上承受的工頻過(guò)電壓計(jì)算公式見(jiàn)表1。例如某220 kV變電站裝設(shè)4組每組
表1 升壓系數(shù)K5及最小并聯(lián)臺(tái)數(shù)的計(jì)算公式表
并聯(lián)電容器組接線方式 故障段健全電容器端子上承受的
工頻過(guò)電壓系數(shù)K5=UGD/UCG 最小并聯(lián)臺(tái)數(shù)
Mmin的計(jì)算公式 當(dāng)K=1時(shí)的最小并聯(lián)臺(tái)數(shù)
1 2 3 4 5
三角形及中性點(diǎn)接地星形接線
MN/［MN-P(N-1)］ ≥11(N-1)/3N(11-10K) 1 6 8 9 9
采用三倍零序電壓及電壓差動(dòng)保護(hù)的中性點(diǎn)不接地單星形接線和采用中性點(diǎn)不平衡電壓保護(hù)的中性點(diǎn)不接地單星形接線 3MN/［3MN-P(3N-2)］ ≥11(3N-2)/3N(11-10K) 4 8 9 10 10
采用橋式差電流保護(hù)的中性點(diǎn)不接地單星形接線 3MN/［3MN-2P(3N-4)］ ≥11(6N-8)/3N(11-10K) - 8 - 15 -
采用中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)的中性點(diǎn)不接地雙星形接線 6MN/［6MN-P(6N-5)］ ≥11(6N-5)/6N(11-10K) 2 7 8 9 10
注：UGD為故障段中健全電容器端子上承受的電壓；
M為每個(gè)串聯(lián)段中電容器的并聯(lián)臺(tái)數(shù)；
P為串聯(lián)段中切除故障電容器臺(tái)數(shù)；
UCG為電容器正常工作電壓；
N為串聯(lián)段數(shù)；
K為安全系數(shù)，可取0.5～0.75。
表2 不同K時(shí)，每段電容器的最大并聯(lián)臺(tái)數(shù)
額定容量
/kF 額定電壓
/kV 不同K時(shí)的Mmax
0.75 0.5
25 113 114 76
10.5 114 76
100 113 29 19
10.5 29 19
300 113 10 7
10.5 9 6
7 800 kvar電容器，采用中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)的中性點(diǎn)不接地雙星形結(jié)線。此時(shí)M=13,N=1,P=1,過(guò)電壓系數(shù)為K5，查表知
K5=6MN/［6MN-P．(6N-5)］=6×13×1/［6×13×1-1×(6×1-5)］=1.013(每組)。
此外，系統(tǒng)電壓的調(diào)整，可根據(jù)需要投切電容器或用計(jì)算機(jī)控制有載調(diào)壓變壓器的分節(jié)開(kāi)關(guān)，由于操作時(shí)間短，規(guī)程規(guī)定為1.15Ue。對(duì)輕負(fù)荷時(shí)電壓升高，規(guī)程也另有規(guī)定，即不超過(guò)1.2～1.3Ue，此值超過(guò)過(guò)電保護(hù)定值，可以自動(dòng)切除部分或全部電容器。故輕負(fù)荷電壓升高也不在穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓計(jì)算值內(nèi)。
上述各項(xiàng)綜合過(guò)電壓系數(shù)K=K1．K2．K3．K4．K5，如電容器組有串聯(lián)電抗則K3=1。
從以上計(jì)算得
K=K1．K2．K3．K4．K5=1.089×1.064×1×1.016×1.013=1.19>1.1
稍微超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，為努力降低三相電容差值，求得合乎規(guī)程，盡量選擇11 kV或12 kV代替10.5 kV，6.6 kV代替6.3 kV。
2 電容器組過(guò)電壓及避雷器
2.1 電弧重燃過(guò)電壓
開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程中，會(huì)形成電弧重燃過(guò)電壓。設(shè)開(kāi)關(guān)在電壓最大值，電流過(guò)零時(shí)電弧熄滅，電容器處于充電狀態(tài)，其電壓保持在系統(tǒng)電壓的最高值。此時(shí)開(kāi)關(guān)觸頭間的電壓，一側(cè)為電容器電壓，另一側(cè)為電源電壓，電源變?yōu)樨?fù)的最大值時(shí)，觸頭間的電壓為電源電壓的2倍。假如開(kāi)關(guān)彈跳或分閘速度慢且滅弧性能不好，開(kāi)關(guān)弧隙絕緣恢復(fù)的速度低于恢復(fù)電壓增長(zhǎng)的速度，則開(kāi)關(guān)弧隙將被擊穿，這時(shí)形成電弧重燃，它的過(guò)電壓可達(dá)額定值的4.5～5倍。
2.2 避雷器的選擇
只要電源不是架空線路引入，保護(hù)電容器的避雷器最好采用氧化鋅避雷器。因?yàn)槠胀ㄩy型避雷器在過(guò)電壓值低于避雷器的放電電壓時(shí)，沖擊過(guò)電壓使電容器充電。直到過(guò)電壓值達(dá)到避雷器的放電電壓時(shí)，閥型避雷器的間隙被擊穿，這時(shí)電容器將對(duì)避雷器放電。由于電容器與避雷器間阻抗很低，雷電流和電容器放電電流的綜合值很大，有可能損壞電容器和避雷器，故一般避雷器不能滿足電容器的要求。目前多采用具有殘壓低、通流大、時(shí)間響應(yīng)快、能連續(xù)動(dòng)作、壽命又長(zhǎng)的氧化鋅避雷器。
2.3 電容器組斷開(kāi)時(shí)的過(guò)電壓及避雷器的配置
投入電容器組產(chǎn)生的合閘過(guò)電壓一般不大于額定電壓的2倍，沒(méi)有分閘時(shí)大，按后者考慮即能滿足共同要求。下面分析避雷器的幾種接線情況。
(1) 避雷器接在相—地間，如圖1所示，接法簡(jiǎn)單，使用率高，但某種情況下滿足不了絕緣配合的要求。例如電弧重燃產(chǎn)生高頻電流，設(shè)A相重燃，A相電源經(jīng)A相電容和中性點(diǎn)電容CN接通形成振蕩回路，出現(xiàn)過(guò)電壓。由于中性點(diǎn)電容遠(yuǎn)較主電容C為小，則CN阻抗大分壓也大，過(guò)電壓將出現(xiàn)在中性點(diǎn)電容CN上，其值可達(dá)定值的4.5倍。為此需要在中性點(diǎn)處配置氧化鋅避雷器。如果發(fā)生一相接地，接地相電容器將承受對(duì)地過(guò)電壓值的2/3。比健全相上的電容器過(guò)電壓高得多，超過(guò)過(guò)電壓倍數(shù)不超過(guò)2倍的要求。再者是兩相保護(hù)元件殘壓之和，起不到限制相間過(guò)電壓的作用。
圖1 避雷器相—地間接線圖
(2) 避雷器接在相—中—地間，如圖2所示。其特點(diǎn)是保護(hù)元件直接并接在電容器極間，各相電容器過(guò)電壓由各自并聯(lián)的保護(hù)避雷器來(lái)限制，保護(hù)配合直接，不受其它因素影響。而且對(duì)串聯(lián)電抗器上的過(guò)電壓也可以起到限制作用。這種接線的兩中性點(diǎn)的連接線要求對(duì)地絕緣，否則電容器組變成中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。串聯(lián)電抗接在電容器與避雷器之間。
(3) 三角形接法的電容器組的避雷器接法采用4臺(tái)避雷器(如圖3)。
圖2 避雷器相—中—地接線圖
圖3 三角形接法的電容器組的避雷器接法
作者簡(jiǎn)介：
張玲(1964-)，女，講師，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓研究與教學(xué)工作。
作者單位：(太原電力高等專(zhuān)科學(xué)校，山西 太原 030013)
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