高壓并聯(lián)電容器的過電壓及防護

1、課程結業(yè)論文高壓并聯(lián)電容器的過電壓及防護中國·大慶2011 年 11 月摘要討論電容器，電容器各種穩(wěn)態(tài)過電壓，過電壓系數(shù)的計算并提出防止電容器，電容器過電壓，過電壓的對策，包括避雷器的多種結線方式，結線方式的選擇。（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

2、 arrester connection modes ,are also proposed. It can be used to reference for designe in mode selection and performance improvement.）關鍵詞：電容器； 穩(wěn)態(tài)過電壓系數(shù)； 結線方式；結線方式（Keywords： capacitor; steady-state over voltage-coefficient; mode of connection）目錄摘要- 2 -1緒論- 4 -1.1 內部過電壓的概念- 4 -1.2 內部過電壓現(xiàn)象分析- 4 -1.3 過電壓

3、的倍數(shù)及防止措施- 4 -2穩(wěn)態(tài)電壓升高的分析- 5 -2.1 穩(wěn)態(tài)電壓的升高- 5 -3電容器組過電壓及避雷器- 8 -3.1電弧重燃過電壓- 8 -3.2避雷器的選擇- 8 -3.3電容器組斷開時的過電壓及避雷器的配置- 8 -4 總結- 10 -參考文獻- 11 -高壓并聯(lián)電容器的過電壓及防護1緒論1.1 內部過電壓的概念內部過電壓是由于操作（合閘、拉閘）、事故（接地、斷線）或其它原因引起電力系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生突然變化，將出現(xiàn)從一種穩(wěn)態(tài)轉變?yōu)榱硪环N穩(wěn)態(tài)的過渡過程，在這個過程中可能產生對系統(tǒng)有危險的過電壓。這些過電壓是系統(tǒng)內部電磁能的振蕩和積聚引起的，所以叫做內部過電壓。內部過電壓可分為操作過

4、電壓和諧振過電壓。操作過電壓出現(xiàn)在系統(tǒng)操作或故障情況下; 諧振過電壓是由于電力網(wǎng)中的電容元件和電感元件（特別是帶鐵芯的鐵磁電感元件）參數(shù)的不利組合諧振而產生的。內部過電壓的幅值約與額定電壓成正比，出現(xiàn)內部過電壓時，三相電壓表有規(guī)律快速大幅度擺動，使電壓互感器激磁電流增加到幾十倍，造成高壓保險器熔斷，甚至導致電壓互感器燒毀。它區(qū)別于外部過電壓之處，在于外部過電壓是一種對設備的直擊雷過電壓，或是雷擊于設備附近在設備上產生的感應過電壓。兩者過電壓均是較高的，都可能引起絕緣弱點的閃絡，引起設備絕緣損壞，甚至燒毀。1.2 內部過電壓現(xiàn)象分析諧振過電壓當諧振過電壓出現(xiàn)在中性點不接地系統(tǒng)中時，根據(jù)相電壓的特

5、征，可分為以下三種情況:（1） 相電壓特征是一相電壓低，但不為零，兩相電壓升高，超過線電壓，表針打到頭（不超過3倍相電壓）或兩相電壓低但不為零，一相電壓高，表針打到頭。這種特征的出現(xiàn)是由于存在基波諧振，產生諧振過電壓，電壓最低相為接地相。（2） 相電壓特征是三相依次輪流升高，并超過線電壓（不超過2倍相電壓），表針打到頭，三相電壓表指針在相同范圍內低頻擺動。此種情況屬于有分頻諧振的諧振過電壓。（3） 相電壓特征是三相同時升高，有的相超過線電壓，表針打到頭，結果可判斷為: 產生高頻過電壓。操作過電壓操作過電壓一般產生在下列情況: 合空載線路、切斷空載變壓器或電抗器、空載變壓器突然合閘、開關非全相拉

6、合閘（包括非同期動作）或刀閘、熔斷器非全相動作等。1.3 過電壓的倍數(shù)及防止措施根據(jù)不同類型的內部過電壓，可采取不同的限制措施。電網(wǎng)中裝設高壓并聯(lián)電容器以改善功率因數(shù)，維持運行電壓，進步輸變電設備輸送容量和降低線路損耗。但如運行電壓過高，會危及設備和安全運行。2穩(wěn)態(tài)電壓升高的分析2.1 穩(wěn)態(tài)電壓的升高(1) 電容器裝置接進電網(wǎng)后引起電網(wǎng)電壓升高。設升高的系數(shù)為K1，其值按下面方法計算：UUzm×Qc/SdKl=( Ucg +U)/UcgU為電壓升高值(kV)；Uzm為電容器裝置未投進時母線電壓(kV)；Qc為接進母線的電容器總容量(Mvar)；Sd為電容器裝置安裝處母線短路容量(MV

7、A)；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，裝4組電容器，每組7 800 kvar,則 (2) 電容器組接進電抗器后，電容器端電壓升高。設升高的系數(shù)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，三次諧波在這個低阻抗線圈中循環(huán)活動，不流進電網(wǎng)，只要電容器母線上沒有諧波源，很少有三次諧波，電容器組投進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，設經串聯(lián)電抗器后恰能消諧，即5

8、L-1/(5C)=0解得感、容阻抗比為XL=L=1/(52C)=0.04Xc。為了在所有高次諧波出現(xiàn)時，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(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，計算式要從傅里葉級數(shù)得知，然后計算非正弦電壓有效值。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(shù)值等于額定電壓UN，5

9、次諧波電壓U的數(shù)值為2*5%UN。那么(4) 電容器組相間電容差值引起過電壓的系數(shù)K4可按下面的分析計算。中性點不接地的星形結線電容器組由于三相電容不平衡引起中性點位移，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%的三個組。對于單星形或雙星形的電容器組，每組如有兩個臂，應使對應臂電容接近相等。經仔細操縱可以做到三相電容差值小于2%。此時K4=1+C/(3C+C)=0.05C/(3C+0.05C)+1=1+0.05/(3+0.05)=1.016式中C為每相電容值；C為相電容差值。(5) 并聯(lián)電容器組在運行過程中，由于電容器內部故障被熔斷切除后

10、，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(shù)為Ks，可按下面分析計算。電容器組無論采用三角形結線或星形結線，每相都可以由一段或多段電容器串聯(lián)為相當?shù)碾妷旱燃?，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(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。電容器使用臺數(shù)應大于答應使用的最小并聯(lián)臺數(shù)，最小并聯(lián)臺數(shù)的計算公式見表1。不同安全系數(shù)K時，應小于最大并聯(lián)臺數(shù)。每段中電容器最大并聯(lián)臺數(shù)Mmax見表2。故障段健全電容器端子上承受的工頻過電壓計算公式見表1。例如某220 kV

11、變電站裝設4組每組7 800 kvar電容器，采用中性點不平衡電流保護的中性點不接地雙星形結線。 此外，系統(tǒng)電壓的調整，可根據(jù)需要投切電容器或用計算機控制有載調壓變壓器的分節(jié)開關，由于操縱時間短，規(guī)程規(guī)定為1.15Ue。對輕負荷時電壓升高，規(guī)程也另有規(guī)定，即不超過1.21.3Ue，此值超過過電保護定值，可以自動切除部分或全部電容器。故輕負荷電壓升高也不在穩(wěn)態(tài)過電壓計算值內。上述各項綜合過電壓系數(shù)K=K1×K2×K3×K4×K5，如電容器組有串聯(lián)電抗則K3=1。從以上計算得K =1.089×1.064×1×1.016×

12、;1.013=1.19>1.1稍微超過標準，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。表1升壓系數(shù)K5及最小并聯(lián)臺數(shù)的計算公式表 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/Ucg最小并聯(lián)臺數(shù)Mmin的計算公式當K=1時的最小并聯(lián)臺數(shù)12345三角形及中性點接地星形接線MN/MN-P(N-1)11(N-1)/3N(11-10K)16899采用三倍零序電壓及電壓差動保護的中性點不接地單星形接線和采用中性點不平衡電壓保護的中性點不接地單星形接線3MN/3MN-P(3N-2)11(3N-

13、2)/3N(11-10K)4891010采用橋式差電流保護的中性點不接地單星形接線3MN/3MN-2P(3N-4)11(6N-8)/3N(11-10K)815采用中性點不平衡電流保護的中性點不接地雙星形接線6MN/6MN-P(6N-5)11(6N-5)/6N(11-10K)278910注：Ugd為故障段中健全電容器端子上承受的電壓；M為每個串聯(lián)段中電容器的并聯(lián)臺數(shù)；P為串聯(lián)段中切除故障電容器臺數(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0.50.75。表2不同K時，每段電容器的最大并聯(lián)臺數(shù)額定容量/kF額定電壓/kV不同K時的M0.750.5251131147610.511

14、476100113291910.5291930011310710.5963電容器組過電壓及避雷器3.1電弧重燃過電壓開關分閘過程中，會形成電弧重燃過電壓。設開關在電壓最大值，電流過零時電弧熄滅，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。此時開關觸頭間的電壓，一側為電容器電壓，另一側為電源電壓，電源變?yōu)樨摰淖畲笾禃r，觸頭間的電壓為電源電壓的2倍。假如開關彈跳或分閘速度慢且滅弧性能不好，開關弧隙盡緣恢復的速度低于恢復電壓增長的速度，則開關弧隙將被擊穿，這時形成電弧重燃，它的過電壓可達額定值的4.55倍。3.2避雷器的選擇只要電源不是排擠線路引進，保護電容器的避雷器最好采用氧化鋅避雷器。由于

15、普通閥型避雷器在過電壓值低于避雷器的放電電壓時，沖擊過電壓使電容器充電。直到過電壓值達到避雷器的放電電壓時，閥型避雷器的間隙被擊穿，這時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足電容器的要求。目前多采用具有殘壓低、通流大、時間響應快、能連續(xù)動作、壽命又長的氧化鋅避雷器。3.3電容器組斷開時的過電壓及避雷器的配置投進電容器組產生的合閘過電壓一般不大于額定電壓的2倍，沒有分閘時大，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

16、滿足不了盡緣配合的要求。例如電弧重燃產生高頻電流，設A相重燃，A相電源經A相電容和中性點電容CN接通形成振蕩回路，出現(xiàn)過電壓。由于中性點電容遠較主電容C為小，則CN阻抗大分壓也大，過電壓將出現(xiàn)在中性點電容CN上，其值可達定值的4.5倍。為此需要在中性點處配置氧化鋅避雷器。假如發(fā)生一相接地，接地相電容器將承受對地過電壓值的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。其特點是保護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)的保護避雷器來限制，保護配合直接，不受其它因素影響。而且對串聯(lián)電抗器上的過電壓也可以起到限制作用。這種接線的兩中性點的連接線要求對地盡緣，否則電容器組變成中性點接地系統(tǒng)。串聯(lián)電抗接在電容器與避雷器之間。圖2避雷器相中地接線圖(3) 三角形接法