不接地系統并聯電力電容器實際配置分析

茍剛

(攀鋼集團西昌鋼釩維修中心 四川涼山 615032)

1 前言

隨著攀鋼電力系統的發展，無功補償越來越普遍，加之為了消除諧波諧振及限制合閘涌流而增設串聯電抗器，使得無功補償系統的設計選型、參數配置、主接線線方式、過電壓保護等越來越重要。由于原來在設計、選型方面存在的問題，導致了諸如電容器、電抗器異響、燒毀等事故的發生，如原攀鋼釩煉鋼1#、2#變電所電容器組設計上選用了磁通密度過小的串聯鐵芯電抗器、荷花池變電所電容器組接線方式的不合理(見圖1)，使得電容器組無法投運或運行發生故障。本文就整個補償系統涉及的一些實際問題進行分析，并提出改進的辦法，以保證整個無功補償系統的可靠、安全運行。

圖1 荷花池變電所10kV、6kV電容器接線方式圖

2 電容器技術參數的選取

2.1 額定電壓選取

國標規定，電容器允許在不超過1.10Un工頻穩態過電壓下長期運行，并允許能在1.15Un下每晝夜運行不超過30分鐘。但對于串聯電抗器的電容器額定電壓的選取必須還要考慮如下因素：

2.1.1 必須考慮現場安裝母線的長期工作電壓，由于攀鋼電網電壓普遍偏高，因此必須核算長期加在母線上的實際工作電壓。

2.1.2 由于串聯了電抗器，容升效應使得電容器上的電壓比母線電壓有所提高，而電壓提高的幅度與電抗器的電抗率有著直接的關系。

電容器額定電壓的計算方法(對于工頻系統)如下:

UC=IXC

(1)

(2)

由于K=XL/XC,則XL=KXC

(3)

式中：UC—電容器額定電壓，kV；

US—系統電壓，kV；

K—串聯電抗器電抗率,即K=XL/XC;

XL—電抗阻值;

XC—電容阻值。

是否可以為了保護電容器不受損傷，將電容器額定電壓提高1個檔次呢？由于電容器輸出容量是與其運行電壓的平方成正比即Q=ωCU2，電容器只能運行在額定電壓下才能輸出額定容量。如果電容器額定電壓選取過大的安全裕度就會出現過大的容量虧損，造成一定的投資浪費，是很不經濟的。

因此電容器組額定電壓的選取必須兼顧設備安裝所在系統的電壓情況，也必須同步考慮不同電抗率電抗器對電壓的提高作用，在不過度浪費電容器組容量的情況下，適度提高電容器組額定電壓。

2.2 額定電流的選取

允許在由于過電壓和高次諧波造成的不超過1.30In的電流下長期運行。

3 串聯電抗器技術參數的選取

由于近年愈來愈多的采用大功率可控硅整流作為拖動和直流電源，其高次諧波對于系統的影響日益嚴重，尤其對并聯補償電容器，它可以使電容器過負荷，有的可達好幾倍。其原因除諧波在系統感抗和電容器容抗之間引起并聯諧振外，在小容量的電容器組中串聯諧振或局部的串聯諧振也會引起嚴重的過負荷。這種過負荷隨著整流器的負荷而波動，同時也和系統參數、電容器組相對容量及系統連接方式有關。因此，在補償電容器組回路中串聯一組電抗器，其感抗值的選擇應使在可能產生的任何諧振下，均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從而根本上消除產生諧振的可能。

3.1 額定端電壓、額定容量的選取

3.1.1 串聯電抗器額定端電壓UL

由于UC=XCI，UL=XLI，K=XL/XC

所以UL=UCK

即為：串聯電抗器額定端電壓UL=并聯電容器額定電壓×電抗率K；

3.1.2 串聯電抗器額定容量SL

串聯電抗器額定容量SL=并聯電容器額定容量×電抗率K(單相和三相均可按此核算)。

如在10kV系統中，并聯電容器額定容量為4800kvar，電抗率為4.5%時：

可得串聯電抗器額定端電壓、額定容量均與并聯電容器的額定電壓、額定容量及電抗率有關。

3.2 電抗器型式的選取

對于鐵芯電抗器，必須選擇磁通密度較低的。由于系統參數及諧波成分的變化，若有選擇不當，可能導致在某種情況下鐵芯電抗器電抗值的不穩定；因此，為了徹底消除上述影響，防止可能出現的鐵磁諧振，采用空心電抗器。

3.3 電抗器電抗率的選擇

3.3.1 補償裝置的額定電抗率K即為裝置中串聯電抗器的感抗與電容器組容抗的比值，即K=XL/XC。

3.3.2 假設在同一母線上有非線形負荷形成諧波電流源時，并聯電容器裝置的簡化模型如圖2所示。

圖2 電容器裝置側有諧波源時的原理圖及簡化電路模型

并聯諧波阻抗為：

Zn=nXS(nXL-XC/n)/(nXS+nXL-XC/n)

(4)

當式(4)諧波阻抗的分子的數值等于0時，即從諧波源看入的阻抗為0，表示電容器裝置與電網在第n次諧波發生串聯諧振，可得電容支路的串聯諧振點：

(5)

當電網中存在的諧波不可忽視時，則應該考慮使用調諧電抗器，其電抗率可選擇得比較大，用以調節并聯電路的參數，使電容支路對于各次有威脅性諧波的最低次諧波阻抗成為感性，即：nXL-XC/n>0根據式(5)可得K值應為：

K>1/n2

(6)

根據式(6)可得，對于諧波次數最低為5次的，應有K>4%。這就是說選擇大于4%電抗率的電抗器時，可以限制電容器投入時的合閘涌流，而且能夠有效防止電容器投入引起的對5次及以上次諧波的放大。

3.4 需要說明的問題

應特別值得注意的是，串聯電抗器的參數選取必須根據電容器參數和系統諧波類型進行綜合考慮,不能獨立開來進行配置，否則將不僅不能達到消除諧波諧振的作用，反而會帶來新的問題。

為確保電容器不受損壞而提高電容器額定電壓，若要保持電抗率不變，則串聯電抗器的額定電壓、額定容量就必須按照并聯電容器的提高后的額定電壓重新進行確定。

若只提高電容器額定電壓，其它參數不變，由于XC=Ucn2/Q，隨著Ucn提高，XC將增大，K=(XL/XC)也隨之減小，對原來可限制的諧波反而有可能起到放大的作用，造成電容器的損壞。

4 并聯電容器組的保護

4.1 斷路器在關合、開斷電容器組時操作過電壓的產生

4.1.1 關合電容器組的過電壓

關合電容器組的過電壓一般較低，在電容器組無殘壓，當關合又適逢電源電壓最大時，電容器組上的最高過電壓一般不超過2倍，不會給設備造成危害。但是當電容器組母線正常失壓后，母聯自投動作而再次帶電時，電容器可能因未放完電殘存電壓而遭受合閘沖擊，將造成較高的過電壓，引起電容器的損壞。

4.1.2 開斷電容器組的過電壓[1]

在斷路器開斷電容器組這種容性負載時，總會有一相率先過零熄弧(例如A相)，此時會有一個接近幅值的相電壓殘留在電容器兩端。由于B、C相電壓的存在，中性點出現位移，10毫秒后斷路器A相觸頭的恢復電壓可達2.5Uxgm(最高運行相電壓幅值)。而此時可能出現B相、C相不能開斷的情況。如果C相不能開斷，A相恢復電壓可達4.1Uxgm。若此時斷路器觸頭發生重燃，相當于一次合閘，使電容器重新獲得能量。電壓波產生振蕩，在電容器端部、極間和中性點上都會出現較高的過電壓，過電壓幅值會隨著重燃次數增加而遞增。這種過電壓雖然具有明顯的隨機性，與諸多因素有關，符合正態分布規律。但對電容器組的危害是相當大的。

4.2 過電壓的防止措施

4.2.1 選用開斷性能優良的真空斷路器或SF6斷路器，只要開斷操作時不發生重燃，將是限制重燃過電壓的根本措施。

投切斷路器在裝置中與電容器同樣是最關鍵部件，對它的選用要特別慎重。因為，如果開關性能存在缺陷(例如，開關關合時觸頭彈跳時間過長，將可能引起電力系統或設備產生LC高頻振蕩。開斷時發生單相或多相重擊穿，將造成電容器組能量的累加導致很高的過電壓)，則在投切電容器組過程中所引起的事故，其危害性是最嚴重的，同時也是最常見的事故。通常操作過電壓、過電流會引起電容器損壞，諸如套管斷裂、極對殼絕緣擊穿、極間部分或全部元件擊穿短路，甚至外殼爆裂；外容絲在電容器放電電流的沖擊下發生群爆等。

4.2.2 如果開斷電容器組時，母線上帶有負荷，由于負荷的阻尼作用，將會降低斷路器重燃后的初始電壓，從而降低過電壓幅值。

4.2.3 減少斷路器開斷時三相的不同期性，將減少中性點的位移電壓，從而降低對地過電壓。

4.2.4 嚴禁母線空載時投入大量的補償裝置，造成過補償過電壓的發生，必須要在盡量帶有部分有功負荷時投入補償裝置。

4.2.5 將電容器分為若干個小組，分別用斷路器進行操作控制。分組的目的主要是為了無功調節和調壓的方便，兼顧斷路器的開斷能力和避雷器的通流能力。

4.2.6 必須裝設避雷器保護，是最后一條防線。

電容器的極間10秒工頻耐壓僅為額定電壓的2.15倍，而極對地則高達4.0倍。顯然極間絕緣是薄弱環節。但有些工程的避雷器選型和接線方式按圖3。

圖3 不合理的避雷器保護接線方式

設計，這種避雷器的接線方式存在如下問題：

(1)僅能保護相對地，不能保護相間和極間。

(2)選擇常規避雷器，也只能防雷，不能保護操作過電壓。

如果采用圖4的接線方式，將會有很好的保護效果：

圖4 正確合理的避雷器接線圖

(1)采用四極特種避雷器，既能保護相間、相對地，還能保護極間和極對地絕緣。

(2)在電容器組相對中性點并接的氧化鋅避雷器，能夠限制電容器端子殘留電荷的過電壓，使它低于相對地接線氧化鋅避雷器的電壓水平，并降低斷路器的恢復電壓，從而減少多次重燃的可能性。

(3)同時為了限制斷路器瞬間恢復電壓的中性點對地高頻分量，在中性點對地之間加入第四只氧化鋅避雷器。

(4)氧化鋅避雷器主要參數計算選擇

除此之外，避雷器的通流容量要能夠吸收電容器組的放電能量。因此，避雷器的通流容量與電容器組的安裝容量有關。根據行業標準的規定[2]：對于6kV電壓等級，4500kvar及以下和10kV電壓等級、7500kvar及以下，避雷器的2000微秒方波通流能力不宜小于900A，35kV電壓等級、2000kvar及以下不宜小于700A。而我單位目前大多采用的是400A，遠不能滿足使用要求。

因此，保護電容器的避雷器選型應為表1。

表1 保護電容器及避雷器選型

5 電容器組接線方式的選擇

5.1 電容器組三角形接線和星性接線的比較

目前不接地系統的電容器組接線方式有兩種，即三角形接線和星性接線。實踐證明：三角形接線的電容器，當一相擊穿時，系統供給的短路電流較大甚至超過kA級(不考慮其它完好電容器的放電電流)，盡管此時熔斷器可以迅速熔斷，但過大的短路電流即使是短時的流過電容器，也會使其中的浸漬劑受熱膨脹，迅速氣化，極易引起爆炸。

當不同相的電容器同時發生對地擊穿時如圖5，熔斷器即使熔斷，故障也不易切除，必將引起事故的擴大。而星性接線電流僅為其額定電流的3倍左右(也不考慮其它完好電容器的放電電流)。因此，宜采用星性接線。

圖5 三角形接線短路時的情況

5.2 單星性接線和雙星性接線的選擇

對于中性點不接地系統，并聯電容器組的中性點為全絕緣，其內部接線一般包括單星性和雙星性兩種方式。對于容量較大的電容器組，內部接線一般以選擇雙星性接線為好。其主要優點如下：

5.2.1 同樣的單組容量，雙星性接線的每段并聯臺數比單星性接線少一倍，因而減少了事故情況，故障段中完好電容器向故障電容器的放電能量，有利于防止故障電容器的外殼暴裂和火災；

5.2.2 每組雙星性接線的電容器組中性線可設置差電流保護；

5.2.3 中性線差電流互感器由于運行電壓較低，故障情況下通過差電流互感器的電流值也較小，運行可靠性較高。

5.2.4 雙星性框架式電容器組的布置較為清晰，引線比單星性接線方式少，且單星性接線時每相電壓互感器均需高壓引線，雙星性接線所需的支柱絕緣子的數量相對較少，減少了絕緣事故點。

6 電壓互感器(兼作放電線圈)的接線方式

6.1 電容器組放電的原因

電容器組放電不僅僅是為保護運行和維修人員的安全，還有更為重要的原因：當電容器投入網絡后，其兩端處于儲能狀態，當其從網絡中開斷后，兩極上儲有一定的電荷，該電荷使電容器的極板上保持一定的殘壓。如果電容器在帶電情況下再次投入運行，有可能產生很大的合閘涌流和很高的過電壓，甚至會導致電容器的擊穿。

6.2 電壓互感器對電容器線電壓的監測

串聯有電抗器的電容器組，不同于直接接在母線上的電容器組，監測和保護用電壓可直接采集母線PT，其放電線圈(電壓互感器)接在什么位置，怎么接，對電容器組的保護有一定關系。若將電壓互感器安裝在斷路器與電抗器(電容器)之間。在運行中由于電抗器的容升效應和系統出現過電壓使電容器端電壓超過1.1倍額定電壓時，放電線圈二次電壓達不到1.1倍的額定電壓，過電壓保護不動作，電容器在過電壓的情況下運行，易造成電容器的損壞。因此，對于帶串聯電抗器的電容器，電壓互感器應接在緊靠電容器一側，直接監測電容器的電壓，一旦出現過電壓，將直接反映到保護上或表計上。

6.3 電壓互感器對電容器組相電壓的監測

目前，6-35kV系統電容器多接為星形(單、雙星性)不接地線方式。如果電壓互感器中性點直接接地，只能對三相整體過電壓有反應。當某個電容器出現內部故障、板間短路或擊穿后，各相電容器組間的線電壓依然保持不變，但相電壓卻因中性點位移發生了變化。因此過電壓保護還應考慮由于電容器內部元件故障、板間短路或擊穿等引起分布在其他電容器上的電壓升高并超過運行允許值這一異常情況。若將電壓互感器中性點不是直接接地而是與電容器組中性點連接，將同時監測電容器組的線電壓和相電壓，對電容器組起到很好的保護作用。

6.4 應注意的問題

1)在電網正常情況下，三相電容器組電容量平衡，電壓互感器中性點與電容器組中性點連線電壓是一個很小的數值。但當電容器內部發生擊穿、損壞，造成三相電容量不平衡或系統出現短路故障，中性點電位發生偏移時，其中性線的電壓就會增大。因此，中性點連線應選取高壓電纜或通過絕緣瓷瓶支撐以保證對地電壓，同時，電壓互感器中性點套管應與端部套管絕緣強度一致，以免造成中性點套管的擊穿。

2)上述接線另一個作用是：當電容器組退出運行后，并接于電容器兩端互感器線圈能使極板兩極進行放電。

3)接地刀閘的安裝

為了保證維護、檢修人員的安全，在電容器組停止運行后，還必須將電容器組相對地、極間、極板兩端可靠接地。

7 結論

在不接地系統中,為確保有串聯電抗器的電容器補償裝置安全可靠運行，電抗器額定端電壓、額定容量、電抗率的選取須同電容器組的額定電壓、容量的選取進行綜合分析考慮，統一配置，并保證電感值的穩定,避免配合不當造成電容器較大的容量虧損和對要限制的諧波的放大。根據電容器組容量的大小，合理選擇接線方式。監測(保護)用電壓互感器(兼作放電線圈)的接線方式須利于對電容器組的準確監測和保護。氧化鋅避雷器的型號,要確保在系統出現單相弧光接地過電壓時或開斷電容器組時有足夠的熱穩定及對電容器的全面保護。合理的接線方式如圖6、圖7。

圖6 單星型接線方式圖

圖7 雙星型接線方式圖