高壓并聯(lián)電容器的過(guò)電壓及防護
高壓并聯(lián)電容器的過(guò)電壓及防護技術(shù)
電網(wǎng)中裝設高壓并聯(lián)電容器以改善功率因數,維持運行電壓,提高輸變電設備輸送容量和降低線(xiàn)路損耗。但如運行電壓過(guò)高,會(huì )危及設備和安全運行。有多種因素引起穩態(tài)電壓升高,下面將進(jìn)行分析。
1 穩態(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。設升高的系數為K1,其值按下面方法計算:
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(xiàn)電壓(kV);Qc為接入母線(xiàn)的電容器總容量(Mvar);Sd為電容器裝置安裝處母線(xiàn)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(xiàn)短路容量350 MVA,每組串聯(lián)600 kvar,6%電抗器1臺,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。設升高的系數為K2,其值按下面方法計算。
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為三角形結線(xiàn),三次諧波在這個(gè)低阻抗線(xiàn)圈中循環(huán)流動(dòng),不流入電網(wǎng),只要電容器母線(xiàn)上沒(méi)有諧波源,很少有三次諧波,電容器組投入運行后應測試一下以便驗證。
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占份量最大的5次諧波,設經(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時(shí),串聯(lián)電抗器應足以消諧,使感抗值大于容抗值,可引用可靠系數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(xiàn)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為K3,計算式可從傅里葉級數得知,非正弦電壓有效值計算如下:
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U1的數值等于額定電壓UN,5次諧波電壓U?5的數值為26.45%U?N。那么
(4) 電容器組相間電容差值引起過(guò)電壓的系數K?4可按下面的分析計算。
中性點(diǎn)不接地的星形結線(xiàn)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。為此應盡量縮小差值,在安裝前,應抄錄每臺電容器電容量并編號,將其分成電容量差不大于5%的三個(gè)組。對于單星形或雙星
形的電容器組,每組如有兩個(gè)臂,應使對應臂電容接近相等。經(jīng)仔細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)電容器組在運行過(guò)程中,由于電容器內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。設升高的系數為K5,可按下面分析計算。
電容器組無(wú)論采用三角形結線(xiàn)或星形結線(xiàn),每相都可以由一段或多段電容器串聯(lián)為相當的電壓等級,各段又由若干臺電容器并聯(lián),組成所需容量的電容器組。例如
35 kV系統可用兩段10.5 kV的電容器串聯(lián)后,接成星形;66 kV系統可用兩段19 kV的電容器或三段12.7
kV的電容器串聯(lián)后接成星形。
電容器使用臺數應大于允許使用的最小并聯(lián)臺數,最小并聯(lián)臺數的計算公式見(jiàn)表1。不同安全系數K時(shí),應小于最大并聯(lián)臺數。每段中電容器最大并聯(lián)臺數M?max見(jiàn)表2。
故障段健全電容器端子上承受的工頻過(guò)電壓計算公式見(jiàn)表1。例如某220 kV變電站裝設4組每組
表1 升壓系數K5及最小并聯(lián)臺數的計算公式表
并聯(lián)電容器組接線(xiàn)方式 |
故障段健全電容器端子上承受的 工頻過(guò)電壓系數K5=UGD/U?CG |
最小并聯(lián)臺數 Mmin的計算公式 |
當K=1時(shí)的最小并聯(lián)臺數 | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
三角形及中性點(diǎn)接地星形接線(xiàn) |
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)保護的中性點(diǎn)不接地單星形接線(xiàn)和采用中性點(diǎn)不平衡電壓保護的中性點(diǎn)不接地單星形接線(xiàn) | 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的中性點(diǎn)不接地單星形接線(xiàn) | 3MN/[3MN-2P(3N-4)] | ≥11(6N-8)/3N(11-10K) | - | 8 | - | 15 | - |
采用中性點(diǎn)不平衡電流保護的中性點(diǎn)不接地雙星形接線(xiàn) | 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)臺數;
P為串聯(lián)段中切除故障電容器臺數;
UCG為電容器正常工作電壓;
N為串聯(lián)段數;
K為安全系數,可取0.5~0.75。
表2 不同K時(shí),每段電容器的最大并聯(lián)臺數
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,系統電壓的調整,可根據需要投切電容器或用計算機控制有載調壓變壓器的分節開(kāi)關(guān),由于操作時(shí)間短,規程規定為1.15Ue。對輕負荷時(shí)電壓升高,規
程也另有規定,即不超過(guò)1.2~1.3Ue,此值超過(guò)過(guò)電保護定值,可以自動(dòng)切除部分或全部電容器。故輕負荷電壓升高也不在穩態(tài)過(guò)電壓計算值內。
上述各項綜合過(guò)電壓系數K=K1.K2.K3.K4.K5,如電容器組有串聯(lián)電抗則K3=1。
從以上計算得
K=K1.K2.K3.K4.K5=1.089×1.064×1×1.016×1.013=1.19>1.1
稍微超過(guò)標準,為努力降低三相電容差值,求得合乎規程,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),其電壓保持在系統電壓的最高值。此時(shí)開(kāi)關(guān)觸頭間的電壓,一側為電容器電壓,另一側為電源電壓,電源變?yōu)樨摰?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)弧隙絕緣恢復的速度低于恢復電壓增長(cháng)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(xiàn)路引入,保護電容器的避雷器最
好采用氧化鋅避雷器。因為普通閥型避雷器在過(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(mǎn)足電容器的要求。目前多采用具有殘壓低、通流大、時(shí)間響應快、能連續動(dòng)作、壽命又長(cháng)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(mǎn)足共同要求。下面分析避雷器的幾種接線(xiàn)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(mǎn)足不了絕緣配合的要求。例如電弧重燃產(chǎn)生高頻電流,設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,出現過(guò)電壓。由于中性點(diǎn)電容遠較主電容C為小,則C?N阻抗大分壓也大,過(guò)電壓將出現在中性點(diǎn)電容C?N上,其值可
達定值的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)電壓倍數不超過(guò)2倍的要求。再者是兩相保護元件殘壓之和,起不到限制相間過(guò)電壓的作用。
圖1 避雷器相—地間接線(xiàn)圖
(2)
避雷器接在相—中—地間,如圖2所示。其特點(diǎn)是保護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)的保護避雷器來(lái)限制,保護配合直接,不受其它因
素影響。而且對串聯(lián)電抗器上的過(guò)電壓也可以起到限制作用。這種接線(xiàn)的兩中性點(diǎn)的連接線(xiàn)要求對地絕緣,否則電容器組變成中性點(diǎn)接地系統。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臺避雷器(如圖3)。
圖2 避雷器相—中—地接線(xiàn)圖
圖3 三角形接法的電容器組的避雷器接法