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(1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

隨著電網(wǎng)容量的迅速增大，和對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高，電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償和電壓穩(wěn)定的重要性愈加凸顯。目前，并聯(lián)電容器作為主要的無功補(bǔ)償裝置在各級(jí)電力系統(tǒng)中，特別是配電網(wǎng)系統(tǒng)，獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。電容器頻繁的投切操作，真空斷路器的大面積應(yīng)用，使得并聯(lián)電容器組的操作過電壓?jiǎn)栴}有了一些新的特性[2]。由此帶來的操作過電壓威脅設(shè)備絕緣，已經(jīng)成為影響電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的重要因素。因此，有必要對(duì)并聯(lián)電容器組的操作過電壓及其保護(hù)措施進(jìn)行深入研究。

針對(duì)配電網(wǎng)變電站的具體情況，無功補(bǔ)償裝置一般安裝在其低壓母線側(cè)。針對(duì)變電站10 kV母線側(cè)的并聯(lián)電容器投切，通過理論分析和PSCAD/EMTDC軟件的仿真建模，深入研究了無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器組投切過程中，不同類型過電流和過電壓的暫態(tài)特性。同時(shí)，針對(duì)并聯(lián)電容器上的串聯(lián)電抗，研究了串聯(lián)電抗率的變化對(duì)過電壓和涌流的影響與抑制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加串聯(lián)電抗率對(duì)過電壓影響不大，但可以有效抑制投切過程中的涌流作用，從而保證了電力系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

1 投切過電壓分析

電力電網(wǎng)中的電容、電感元件均為儲(chǔ)能元件。當(dāng)有操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生振蕩性的過渡過程[3]。如果在電網(wǎng)狀態(tài)發(fā)生突變的瞬間，電網(wǎng)中這些儲(chǔ)能元件表征能量值的初始值與新狀態(tài)的穩(wěn)定值兩者不一致時(shí)，則在過渡過程之中電網(wǎng)的響應(yīng)將出現(xiàn)暫態(tài)分量，暫態(tài)分量通常表現(xiàn)為強(qiáng)阻尼的高頻振蕩特征。

因?yàn)殡娋W(wǎng)負(fù)荷是變動(dòng)的，隨之電網(wǎng)中無功功率的消耗也是經(jīng)常變化的，要保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，需隨負(fù)荷的變化改變并聯(lián)電容器的投入量，因而大型補(bǔ)償電容器組一般分為若干組，并隨負(fù)荷變化分組投入[4-6]。在投切并聯(lián)電容器組時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題：一是投入電容器的瞬時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的涌流電流；二是切除電容器時(shí)因斷路器的重燃會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重過電壓[7]。

1.1 投合電容器過電壓

設(shè)并聯(lián)補(bǔ)償電容器三相完全同期合閘，則此時(shí)三相電路可用單相電路代替，如圖1。

圖1 電容器合閘等值電路

在圖1中L為電源的等效內(nèi)電感，UNC為補(bǔ)償電容器C的殘留電壓，電源電勢(shì)e(t)=Emcos(wt)。不計(jì)回路損耗電阻，合閘后電容器C上電壓Uc(t)為

Uc(t)=Ucmcos(wt)-(Ucm-UNC)cos(w1t)

其中，Ucm為電容器穩(wěn)態(tài)電壓幅值，即

當(dāng)并聯(lián)電容器的極板上留有反極性殘壓時(shí)，即UNC=-Em，合閘后電容器電壓最大值可達(dá)3Em。一般情況下并聯(lián)電容器都接有放電線圈，因此在斷路器合閘前殘壓UNC已經(jīng)很小，近似為0，所以在此情況下并聯(lián)電容器合閘可能出現(xiàn)的最大電壓為2Em。

1.2 切除電容器過電壓

當(dāng)開關(guān)斷開電流熄滅后，電容器組上的殘存電荷在短時(shí)間內(nèi)無法釋放，電容器組上將殘留直流電壓[8]，假如開關(guān)弧隙絕緣恢復(fù)的速度低于恢復(fù)電壓增長(zhǎng)的速度，一旦真空開關(guān)的電氣恢復(fù)強(qiáng)度不能承受加于其上的暫態(tài)恢復(fù)電壓，將發(fā)生重?fù)舸?，引起電磁振蕩，產(chǎn)生重燃過電壓。

1.2.1 無故障單相重燃

過電壓主要出現(xiàn)在并聯(lián)電容器組的中性點(diǎn)與地之間，并聯(lián)電容器極間一般沒有比較高的過電壓出現(xiàn)。重燃相過電壓并不是最高的，往往是通過中性點(diǎn)傳遞至不重燃的兩相中的一相，成為過電壓的最高相。即使是單相重燃(在小于1/4周期內(nèi)重燃)時(shí)，在非重燃相中的一相也會(huì)出現(xiàn)過電壓，過電壓最高相可達(dá)5～6倍Em。

1.2.2 帶故障單相重燃

中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)允許發(fā)生單相接地后持續(xù)帶故障運(yùn)行2 h，因此有可能遇到在單相接地時(shí)要開斷電容器組。母線側(cè)單相接地時(shí)，開斷電容器組時(shí)產(chǎn)生的單相重燃過電壓要比無故障開斷的情況下要高，可達(dá)7～8倍Em。

1.2.3 二相重燃

如A相電容器為首先斷開相，則C相電容器上所產(chǎn)生的過電壓最高，由于單相重燃時(shí)回路的振蕩頻率很高，因此中性點(diǎn)對(duì)地電容上的電壓在很短時(shí)間內(nèi)上升，結(jié)果會(huì)立即導(dǎo)致C相斷口重燃，形成兩相重燃。

2 仿真模型的建立與分析

PSCAD/EMTDC軟件是目前在電力系統(tǒng)中廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真程序，具有模擬復(fù)雜電力系統(tǒng)的功能，并且提供強(qiáng)大的元件模型庫及有效的用戶圖形界面。利用PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行了投切并聯(lián)電容器的過電壓分析模型，并對(duì)模型進(jìn)行了研究分析。

以110 kV某變電站為例，其仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 變電站仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，主要仿真元件有：110 kV系統(tǒng)電源、主變壓器、并聯(lián)補(bǔ)償電容器組、串聯(lián)電抗器等。

變壓器為YN-d11接線的三繞組變壓器, 變比為110/10。并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的額定容量為4 800 kvar，計(jì)算得每相實(shí)際電容值為51 μF，聯(lián)結(jié)方式為星接。串聯(lián)電抗器的電感值1 mH，串聯(lián)電抗率(XL/XC)0.5%。模型中斷路器采用時(shí)控理想開關(guān)，開斷后在電流過零時(shí)熄弧。

2.1 并聯(lián)電容器合閘過電壓仿真分析

如表1所示，對(duì)其不同合閘相角進(jìn)行仿真分析，假設(shè)t=0時(shí)刻A相電壓達(dá)到最大值，仿真得出不同相位(即不同時(shí)刻)的過電壓。

表1 不同相位下，相間電壓及相對(duì)地電壓值

從表1中的電壓數(shù)值可以看出，由于中性點(diǎn)零電位的牽制，三相電容器的極間電壓基本維持在1.8 p.u.左右，小于10 kV電容器極間操作沖擊絕緣水平2.56 p.u.，基本不存在威脅電容器絕緣的過電壓。而相對(duì)地過電壓由于中性點(diǎn)電位為零，與極間電壓數(shù)值相同，且相對(duì)地過電壓絕緣水平較高，因此也不會(huì)威脅電容器的相間絕緣。所以可以得出，當(dāng)斷路器能保證三相同時(shí)合閘時(shí)，電容器組的合閘過電壓基本不會(huì)對(duì)電容器絕緣造成威脅。

2.2 并聯(lián)電容器分閘過電壓仿真分析

同期分閘單相重燃實(shí)驗(yàn)，三相對(duì)地電壓與極間電壓分別如圖3、圖4所示，經(jīng)計(jì)算可得最大相對(duì)地電壓為3.35 p.u.，最大極間電壓為1.37 p.u.。

圖3 單相重燃相對(duì)地電壓波形圖

圖4 單相重燃極間電壓波形圖

結(jié)果表明，與三相同期分閘不重燃仿真結(jié)果相比較，電容器電流與電容器極間電壓均未發(fā)生變化，主要原因是在B、C相斷開情況下，A相斷路器重燃并不能形成通路。但是電容器中性點(diǎn)通過A相電弧與電源相連，中性點(diǎn)電位發(fā)生偏移，導(dǎo)致各相電容器相對(duì)地過電壓。

同期分閘兩相重燃實(shí)驗(yàn)，設(shè)置A相斷路器重燃，導(dǎo)致C相在其電壓峰值時(shí)刻也發(fā)生重燃，三相對(duì)地電壓、極間電壓、相電流分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 兩相重燃相對(duì)地電壓波形圖

圖6 兩相重燃極間電壓波形圖

由仿真結(jié)果分析可知，兩相重燃后，極間電壓最大值達(dá)到了2.24 p.u.；相對(duì)地電壓最大值出現(xiàn)為4.05 p.u.。同時(shí)，重燃后伴隨著高幅值高頻率的電流沖擊對(duì)電容器具有相當(dāng)大的破壞力，幅值倍數(shù)為

圖7 兩相重燃相電流波形圖

12.8 p.u.。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，無論是同期分閘單相重燃還是兩相重燃，電容器極間過電壓都相對(duì)較低，其中兩相重燃時(shí)的極間電壓接近絕緣水平，有一定的危險(xiǎn)；而相對(duì)地會(huì)產(chǎn)生較高的過電壓，超過3 p.u.以上，會(huì)威脅到設(shè)備的安全運(yùn)行。同時(shí)，在斷路器重燃時(shí)系統(tǒng)振蕩比較劇烈, 會(huì)出現(xiàn)很大的過電流，具有較大的危害，但持續(xù)時(shí)間較短，隨著系統(tǒng)阻尼的作用會(huì)衰減到額定值附近。

2.3 串聯(lián)電抗率對(duì)過電壓與過電流的影響

同時(shí)，可以通過增加串聯(lián)電抗率來抑制涌流。因此對(duì)串聯(lián)電抗對(duì)過電壓和過電流的影響進(jìn)行了相應(yīng)的分析，串聯(lián)電抗率即感抗與容抗的比值，XL/XC。這里準(zhǔn)備從0%、2%、4%、6%、10%這幾種電抗率來觀察不同電抗率對(duì)并聯(lián)電容器操作過電壓以及電流抑制的影響，表2列出了不同電抗率情況下的電感值。

表2 電抗率與電感值

首先仿真分析了不同串聯(lián)電抗率對(duì)過電流的影響，由圖8可知:10 kV無功補(bǔ)償系統(tǒng)中,串聯(lián)電抗器有顯著的限流作用。觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，增大電抗率能有效地降低電容器的合閘電流，電抗率為10%時(shí)的涌流大小減小到0%時(shí)的1/3。

由前述分析可知，并聯(lián)電容器組的操作過電壓主要是分閘重燃過電壓。假設(shè)三相斷路器分閘后發(fā)生單相重燃，前面模擬了不同電抗率時(shí)的操作過電壓，結(jié)果見圖9。

從圖中可以看出，兩種操作情況下的電容器組過電壓值都與電抗率有關(guān)，電容器的操作過電壓值大致隨電抗率的增大而上升，但是上升幅度不大，說明電抗率對(duì)電容器操作過電壓值的影響程度不高。

圖8 不同電抗率下的涌流值

圖9 不同電抗率下的操作過電壓值

抑制電力系統(tǒng)中的過電壓最常用的方法還是通過裝設(shè)避雷器，目前主要采用金屬氧化物避雷器(MOA)。相關(guān)研究與實(shí)驗(yàn)均表明，采用MOA對(duì)無功補(bǔ)償設(shè)備投切過電壓具有良好的抑制效果，在此不再贅述。

3 結(jié) 語

簡(jiǎn)要介紹了投切并聯(lián)電容器的暫態(tài)過程和產(chǎn)生過電壓的基本原理，并采用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)配電網(wǎng)投切無功補(bǔ)償設(shè)備的暫態(tài)過程進(jìn)行了仿真分析，得到以下結(jié)論。

1)并聯(lián)電容器投合閘的分析表明，0°到180°的合閘相角變化對(duì)過電壓大小基本沒有影響，合閘過電壓也基本保持在絕緣水平之內(nèi)，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成危害。

2)并聯(lián)電容器同期分閘單相重燃和兩相重燃的仿真分析表明，其極間電壓也相對(duì)較低，其中兩相重燃時(shí)的極間電壓接近絕緣水平，有一定的危險(xiǎn)。兩種情況下的對(duì)地電壓都較高，需要進(jìn)行過電壓的抑制與保護(hù)措施。

3)串聯(lián)電抗率對(duì)過電壓沒有太大影響，但可以有效抑制過電流的大小，防止其對(duì)設(shè)備造成較大損害。

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