并联电容器组配套装置及应用技术和高压并联电容器的过电压及防护技术

并联电容器组配套装置及应用技术和高压并联电容器的过电压及防护技术

并联电容器组配套装置及应用技术

　　摘 要：阐述高压并联电容器组的配套装置断路器、串联电抗器、放电装置、氧化锌避雷器及熔断器的电气特性和实际应用中的配置问题。

　　高压并联电容器组的配套装置，包括投、切电容器组用的断路器、串联电抗器、放电元件、氧化锌避雷器及熔断器等设备。在电容器组的安装、运行和试验中，必须充分了解它们之间的有机联系和相互关系、电气性能和技术标准，在实际应用中，合理配置、有效配合，以确保设备、系统和人身的安全。

　　一 断路器在高压并联电容器组上的应用

　　电容器在电网中的运行方式，随着无功负荷及电网电压变化而变化，因此电容器组用断路器的操作较为频繁，为此必须解决好两方面问题：①合闸时的频率、高幅值的合闸涌流给断路器带来的过电压、机械应力和机械振动;②开断时，电弧重燃给断路器及其他回路设备带来的重击穿过电压及绝缘冲击。故并联电容器除应满足一般的技术性能和要求以外，还必须满足以下要求：①合闸时，触头不应有明显的弹跳和振动;②分闸时不允许有严重的电弧重燃而导致的击穿过电压;③应有承受合闸涌流的耐受能力;④经常投、切的断路器应具有承受频繁操作的能力。根据目前国产断路器的生产情况，要同时满足以上四点要求，尚有难度，例如真空断路器虽然适于频繁的操作要求，但存在合闸弹跳和重燃问题，必须加装氧化锌避雷器以进行防止过电压的配合、加装串联电抗器以降低合闸涌流倍数的配合。可见，断路器在电容器组上的应用，尚无法完成其独立开断的任务，必须有其他配套设备进行补偿性配合。

　　二 串联电抗器在高压并联电容器组上的应用

　　为了限制电容器合闸过程中的涌流、操作过电压及电网谐波对电容器的影响，大容量电容器一般应区分具体情况，加装串联电抗器。其作用为：①降低电容器组合闸涌流倍数及涌流频率;②减少电网中高次谐波引起的电容器过负荷;③减少电容器组用断路器在两相重燃时的涌流以利灭弧;④抑制一组电容器故障时，其他电容器组对其短路电流的影响;⑤抑制电容器回路中产生的高次谐波及谐波过电压。可见，加装串联电抗器对电容安全运行的重要性、对断路器顺利完成开断任务的必要性。但在实际应用中，是否加装串联电抗器，还要根据电容器的分组方式及安装地点的具体情况而定。比如装设在配电线路35kV农村变电所母线上的电容器组，容量较小，大多在2000kvar以下，一般没必要加装串联电抗器。但在下列情况下，必须加装串联电抗器：①采用“△”连接的电容器组;②装设于一次变电站中容量较大的电容器组;③变电站装有两组以上且频繁投切的电容器组;④电容器投运时有谐波现象或因谐波引起电容器过负荷等。

　　三 放电装置在高压并联电容器组上的应用

　　电容器从电源断开时，两极处于储能状态，如果电容器整组从电源断开，储存电荷的能量非常大，必然在电容器两极之间持续保持着一定数值的残余电压，其初始值，即是电源电压的有效值，此时电容器组在带电荷的情况下，一旦再次投入，将产生强烈冲击性的合闸涌流，并伴有大幅值的过电压出现，工作人员一旦不慎触及就有可能遭到电击伤、电灼伤的严重伤害。为此，电容器组必须加装放电装置。根据标准规定，与电容器连接的放电装置应能使电容器从电源断开后，其剩余电压在10min内降至75V以下。高压成套装置用放电装置的选择和安装与低压成套装置用放电装置十分相似又略有不同：①低压成套装置用放电装置通常有灯泡、带变压器指示灯和电阻三种形式。放电元件采用“V”形和“△”形连接方式，多以“△”连接为推荐方式，原因是任一相发生断线，仍能转化成“v”形连接方式，维持放电的不间断进行;②高压电容器组通常除了在电容器内部接入放电电阻以外，配套装置中还必须加装与电容器直接相连的放电装置。一般中小容量的电容器组，放电装置可以采用相应电压等级的电压互感器，2O00kvar及以上的电容器组，多选用专用的放电线圈来完成。

　　必须指出的是：①如果采用电压互感器作为高压电容器组的放电线圈，运行经验证明，一般也可满足要求，但不允许采用JSJW型电磁式三相五芯柱一次侧中性点直接接地的电压互感器，因为当电容器开关分闸时，线圈电感、电容器电容及对地电容三者将可能形成振荡电路，即电压互感器铁芯中的电磁能经释放而产生振荡，引发过电压的产生，经实测其数值可高达电容器组电压幅值的五倍以上，因此中性点接地的三相电压互感器不允许充当放电装置来使用，如已经安装了这种电压互感器，必须在中性点上串接高电阻或撤除中性线接地的工作方式;②放电线圈的容量选择，在充分满足其长期运行条件的前提下，应尽可能避免容量过大，因为容量愈大，放电时间愈长，电能消耗愈多。为减小放电线圈的电能损耗，一般规定每kvar的电容器，其放电线圈损耗不宜超过1W;③一般采取单相三角形接线或开口l一角形接线作为放电元件线圈，并与电容器直接相连;④电容器的放电装置必须完整、可靠，绝对不允许在放电回路中串联熔断器及其他开关设备。

　　四 氧化锌避雷器在高压并联电容器组中的应用

　　为了限制电容器切断瞬时产生危险的过电压，首先应考虑选择适合电容器频繁操作并无重燃的断路器作为开关设备。但如前述可知，理想的断路器很难找到。比如适宜于频繁投切的真空断路器，仍存在着电弧重燃问题，一旦电弧重燃，其对地电压将卜升至四倍额定电压以上;相间电压将上升至二倍额定电压以上，后果往往是电容器的绝缘强度遭到严重的冲击乃至损坏。因此，在采用真空断路器作为频繁投切电容器组的开关设备时，必须加装氧化锌避雷器作为过电压的保护措施。另外，用于雷电过电压保护的阀式避雷器，不允许作为电容器组的过电压保护来使用。

　　原因是阀式避雷器的放电间隙在被雷电过电压击穿时，工频续流仅仅维持半个周期的时间，当T频电压过零点时，间隙绝缘迅速恢复原状，此电气特性对防止大气过电压是适宜的，但如果把该类型的避雷器用于电容器组上，在半个周期内，电容两端的电压并无多大程度的下降，放电间隙的放电电流必然会阻止放电间隙绝缘的重新恢复，将可能造成避雷器爆炸的严重后果。目前，国内外很多单位的运行经验和试验分析证明，氧化锌避雷器在防止电容器组过电压保护方面性能突出，但仍应注意以下几点：①氧化锌避雷器的选择和安装，应根据其连接方式、可能出现的过电压倍数、电容器的容量及校验涌流容量而定;②lOkV电压等级的并补装置，氧化锌避雷器一般应接在“相一地”之间，这种接线对避雷器的特性要求较高，比如当发生一相接地故障时，非故障相的两个避雷器必须经得起三相电容器积蓄的过电压冲击，相间过电压的保护水平不得不受制于两个避雷器对地残压的代数和等，这是该接线方式的不足之处。

　　五 熔断器在高压并联电容器组上的应用

　　目前，国内外广泛采用电容器单台熔丝，即对每台电容器均装有单独的熔断器，用以防止电容器内部击穿、短路可能引起的油箱爆炸事故，同时也使邻近电容器免受波及。单台电容器发生故障时，熔丝的快速熔断，可避免总开关的无选择性跳闸，保证电容器组运行的可靠性、无功功率输出的连续性和系统运行电压的稳定性。熔丝保护结构简单、安全便捷、故障反应迅速、标志明显、易发现故障准确位置，因此得到广泛应用。目前熔丝保护常采用喷出式和限流式两种：①喷出式熔断器结构简单、价格低廉，在故障发生时，消弧管内部受电弧的强烈作用分解，释放特殊气体以强力吹熄电弧，同时靠自身弹力把电弧拉长，增大弧阻，以加速熄弧，它对单台电容器的保护回路较为适宜，但其极限开断容量较小，因此当电容器容量大于开断容量时，必须考虑加装各种限流措施;②限流式熔断器的熔丝熔断后，消弧管内的石英砂受到来自电弧的强烈作用，立即产生很大弧组的绝缘，以迅速灭弧，具有熄灭较大电弧的能力，但其结构较为复杂，而且价格较贵。

　　六 总结

　　故在熔断器的具体选择应用中，应从技术和经济两个方面平衡考虑，根据具体情况选择。

并联电容器组配套装置及应用技术和高压并联电容器的过电压及防护技术

高压并联电容器的过电压及防护技术

电网中装设高压并联电容器以改善功率因数，维持运行电压，提高输变电设备输送容量和降低线路损耗。但如运行电压过高，会危及设备和安全运行。有多种因素引起稳态电压升高，下面将进行分析。

1　稳态电压的升高
(1) 电容器装置接入电网后引起电网电压升高。设升高的系数为K1，其值按下面方法计算：

ΔU≈UZM.Qc/Sd
K1=(UCG+ΔU)/UCG

ΔU为电压升高值(kV)；Uzm为电容器装置未投入时母线电压(kV)；Qc为接入母线的电容器总容量(Mvar)；Sd为电容器装置安装处母线短路容量(MVA)；UCG为电容器正常工作电压。
例如某220 kV变电站，10 kV母线短路容量350 MVA，每组串联600 kvar，6%电抗器1台，装4组电容器，每组7 800 kvar,则：

(2) 电容器组接入电抗器后，电容器端电压升高。设升高的系数为K2，其值按下面方法计算。
三相电容器回路一般不存在偶次谐波，由于电源变压器有一侧为三角形结线，三次谐波在这个低阻抗线圈中循环流动，不流入电网，只要电容器母线上没有谐波源，很少有三次谐波，电容器组投入运行后应测试一下以便验证。
电容器组串联电抗器可消除谐振、改善谐波电压、降低合闸涌流。电容器的选择主要是对占份量最大的5次谐波，设经串联电抗器后恰能消谐，即

5ωL-1/(5ωC)=0

解得感、容阻抗比为

XL=ωL=1/(52ωC)=0.04Xc。

为了在所有高次谐波出现时，串联电抗器应足以消谐，使感抗值大于容抗值，可引用可靠系数1.5，则XL=1.5×0.04X?C=0.06Xc。
电容器端子上电压：

即K2=U?C/U=1.064U/U=1.064,电容器端子上电压高出母线电压6.4%。
(3) 电容器组如不装串联电抗器，则谐波引起电容器端子电压升高的系数为K3，计算式可从傅里叶级数得知，非正弦电压有效值计算如下：

式中　U1为基波电压分量的有效值；UM为第M次谐波电压分量的有效值。
设U1的数值等于额定电压UN，5次谐波电压U?5的数值为26.45%U?N。那么

(4) 电容器组相间电容差值引起过电压的系数K?4可按下面的分析计算。
中性点不接地的星形结线电容器组由于三相电容不平衡引起中性点位移，使电压升高。为此应尽量缩小差值，在安装前，应抄录每台电容器电容量并编号，将其分成电容量差不大于5%的三个组。对于单星形或双星形的电容器组，每组如有两个臂，应使对应臂电容接近相等。经仔细操作可以做到三相电容差值小于2%。此时
K4=1+ΔC/(3C+ΔC)=0.05C/(3C+0.05C)+1=1+0.05/(3+0.05)=1.016
式中　C为每相电容值；ΔC为相电容差值。
(5) 并联电容器组在运行过程中，由于电容器内部故障被熔断切除后，故障段中剩余的健全电容器端子所承受电压也将升高。设升高的系数为K5，可按下面分析计算。
电容器组无论采用三角形结线或星形结线，每相都可以由一段或多段电容器串联为相当的电压等级，各段又由若干台电容器并联，组成所需容量的电容器组。例如35 kV系统可用两段10.5 kV的电容器串联后，接成星形；66 kV系统可用两段19 kV的电容器或三段12.7 kV的电容器串联后接成星形。
电容器使用台数应大于允许使用的最小并联台数，最小并联台数的计算公式见表1。不同安全系数K时，应小于最大并联台数。每段中电容器最大并联台数M?max见表2。
故障段健全电容器端子上承受的工频过电压计算公式见表1。例如某220 kV变电站装设4组每组

表1　升压系数K5及最小并联台数的计算公式表

　　注：UGD为故障段中健全电容器端子上承受的电压；
M为每个串联段中电容器的并联台数；
P为串联段中切除故障电容器台数；
UCG为电容器正常工作电压；
N为串联段数；
K为安全系数，可取0.5～0.75。

表2　不同K时，每段电容器的最大并联台数

7 800 kvar电容器，采用中性点不平衡电流保护的中性点不接地双星形结线。此时M=13,N=1,P=1,过电压系数为K5，查表知
K5=6MN/［6MN-P．(6N-5)］=6×13×1/［6×13×1-1×(6×1-5)］=1.013(每组)。

此外，系统电压的调整，可根据需要投切电容器或用计算机控制有载调压变压器的分节开关，由于操作时间短，规程规定为1.15Ue。对轻负荷时电压升高，规程也另有规定，即不超过1.2～1.3Ue，此值超过过电保护定值，可以自动切除部分或全部电容器。故轻负荷电压升高也不在稳态过电压计算值内。
上述各项综合过电压系数K=K1．K2．K3．K4．K5，如电容器组有串联电抗则K3=1。
从以上计算得
K=K1．K2．K3．K4．K5=1.089×1.064×1×1.016×1.013=1.19>1.1
稍微超过标准，为努力降低三相电容差值，求得合乎规程，尽量选择11 kV或12 kV代替10.5 kV，6.6 kV代替6.3 kV。

2　电容器组过电压及避雷器
2.1　电弧重燃过电压
开关分闸过程中，会形成电弧重燃过电压。设开关在电压最大值，电流过零时电弧熄灭，电容器处于充电状态，其电压保持在系统电压的最高值。此时开关触头间的电压，一侧为电容器电压，另一侧为电源电压，电源变为负的最大值时，触头间的电压为电源电压的2倍。假如开关弹跳或分闸速度慢且灭弧性能不好，开关弧隙绝缘恢复的速度低于恢复电压增长的速度，则开关弧隙将被击穿，这时形成电弧重燃，它的过电压可达额定值的4.5～5倍。
2.2　避雷器的选择
只要电源不是架空线路引入，保护电容器的避雷器最好采用氧化锌避雷器。因为普通阀型避雷器在过电压值低于避雷器的放电电压时，冲击过电压使电容器充电。直到过电压值达到避雷器的放电电压时，阀型避雷器的间隙被击穿，这时电容器将对避雷器放电。由于电容器与避雷器间阻抗很低，雷电流和电容器放电电流的综合值很大，有可能损坏电容器和避雷器，故一般避雷器不能满足电容器的要求。目前多采用具有残压低、通流大、时间响应快、能连续动作、寿命又长的氧化锌避雷器。
2.3　电容器组断开时的过电压及避雷器的配置
投入电容器组产生的合闸过电压一般不大于额定电压的2倍，没有分闸时大，按后者考虑即能满足共同要求。下面分析避雷器的几种接线情况。
(1) 避雷器接在相—地间，如图1所示，接法简单，使用率高，但某种情况下满足不了绝缘配合的要求。例如电弧重燃产生高频电流，设A相重燃，A相电源经A相电容和中性点电容C?N接通形成振荡回路，出现过电压。由于中性点电容远较主电容C为小，则C?N阻抗大分压也大，过电压将出现在中性点电容C?N上，其值可达定值的4.5倍。为此需要在中性点处配置氧化锌避雷器。如果发生一相接地，接地相电容器将承受对地过电压值的2/3。比健全相上的电容器过电压高得多，超过过电压倍数不超过2倍的要求。再者是两相保护元件残压之和，起不到限制相间过电压的作用。

图1　避雷器相—地间接线图

(2) 避雷器接在相—中—地间，如图2所示。其特点是保护元件直接并接在电容器极间，各相电容器过电压由各自并联的保护避雷器来限制，保护配合直接，不受其它因素影响。而且对串联电抗器上的过电压也可以起到限制作用。这种接线的两中性点的连接线要求对地绝缘，否则电容器组变成中性点接地系统。串联电抗接在电容器与避雷器之间。
(3) 三角形接法的电容器组的避雷器接法采用4台避雷器(如图3)。

图2　避雷器相—中—地接线图

图3　三角形接法的电容器组的避雷器接法

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