高壓并聯(lián)電容器的過電壓及防護(hù)技術(shù)
高壓并聯(lián)電容器的過電壓及防護(hù)技術(shù)
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有諧波源，很少有三次諧波，電容器組投入運(yùn)行后應(yīng)測試一下以便驗(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=1.5×0.04X?C=0.06Xc。
電容器端子上電壓：
即K2=U?C/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U?5的數(shù)值為26.45%U?N。那么
(4) 電容器組相間電容差值引起過電壓的系數(shù)K?4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)M?max見表2。
故障段健全電容器端子上承受的工頻過電壓計(jì)算公式見表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 工頻過電壓系數(shù)K5=UGD/U?CG | 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 | |
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 | |
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1.2～1.3Ue，此值超過過電保護(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)過電壓計(jì)算值內(nèi)。
上述各項(xiàng)綜合過電壓系數(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 電容器組過電壓及避雷器
2.1 電弧重燃過電壓
開關(guān)分閘過程中，會(huì)形成電弧重燃過電壓。設(shè)開關(guān)在電壓最大值，電流過零時(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。假如開關(guān)彈跳或分閘速度慢且滅弧性能不好，開關(guān)弧隙絕緣恢復(fù)的速度低于恢復(fù)電壓增長的速度，則開關(guān)弧隙將被擊穿，這時(shí)形成電弧重燃，它的過電壓可達(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型避雷器在過電壓值低于避雷器的放電電壓時(shí)，沖擊過電壓使電容器充電。直到過電壓值達(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、壽命又長的氧化鋅避雷器。
2.3 電容器組斷開時(shí)的過電壓及避雷器的配置
投入電容器組產(chǎn)生的合閘過電壓一般不大于額定電壓的2倍，沒有分閘時(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C?N接通形成振蕩回路，出現(xiàn)過電壓。由于中性點(diǎn)電容遠(yuǎn)較主電容C為小，則C?N阻抗大分壓也大，過電壓將出現(xiàn)在中性點(diǎn)電容C?N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)地過電壓值的2/3。比健全相上的電容器過電壓高得多，超過過電壓倍數(shù)不超過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，各相電容器過電壓由各自并聯(lián)的保護(hù)避雷器來限制，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
作者簡介：
張玲(1964-)，女，講師，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)過電壓研究與教學(xué)工作。
作者單位：(太原電力高等？茖W(xué)校，山西 太原 030013)
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編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-03-02
