向文彬，羅 翔

(1.重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校，重慶400053;2.重慶市電力公司管理培訓(xùn)公司，重慶400053;3.海南電網(wǎng)公司?？诠╇娋州旊姽芾硭Ｄ虾？?70206)

電能在生產(chǎn)、輸送和使用三個(gè)環(huán)節(jié)中的許多設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，不可避免地需要大量無(wú)功功率，系統(tǒng)中的無(wú)功功率是否平衡，將影響系統(tǒng)電壓質(zhì)量，從而影響用電設(shè)備的正常工作。

當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功功率不足時(shí)，為了系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，就必須進(jìn)行無(wú)功功率的補(bǔ)償。并聯(lián)電容器因其無(wú)旋轉(zhuǎn)部分，具有安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，有功損耗小，組裝增容靈活，擴(kuò)建方便、安全，投資少等優(yōu)點(diǎn)，所以在系統(tǒng)中使用最為普遍。

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，電容器的投切操作越來(lái)越頻繁。重慶電網(wǎng)的變電站運(yùn)行資料顯示，在近段時(shí)期，多個(gè)變電站在投切并補(bǔ)裝置時(shí)，發(fā)生了多起斷路器燒毀、爆炸等事故，嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在變電站運(yùn)行中，并聯(lián)補(bǔ)償電容器的投、退由真空斷路器控制，按照絕緣參數(shù)配合等設(shè)計(jì)，本來(lái)應(yīng)該能順利合閘運(yùn)行，但是卻屢屢發(fā)生合閘時(shí)斷路器爆炸的現(xiàn)象。本文結(jié)合無(wú)功補(bǔ)償裝置回路中真空斷路器的運(yùn)行分析，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償回路的電抗器取值進(jìn)行探討。

1 對(duì)稱(chēng)三相電路合閘過(guò)渡過(guò)程分析

為了避免電容器回路在投切時(shí)產(chǎn)生較大的涌流，在并聯(lián)電容器回路中串聯(lián)電抗器以降低合閘涌流。引入電抗器元件后，又會(huì)產(chǎn)生如下兩個(gè)問(wèn)題:(1)整個(gè)無(wú)功功率補(bǔ)償回路構(gòu)成了R、L、C串聯(lián)電路，當(dāng)參數(shù)選擇不合理時(shí)，將產(chǎn)生R、L、C串聯(lián)諧振，危及補(bǔ)償回路元件的安全;(2)由于電抗器元件的電流不能突變，因此，在投切補(bǔ)償回路引起的過(guò)電壓、過(guò)電流則更加復(fù)雜。

三相參數(shù)完全對(duì)稱(chēng)，且三相斷路器同期合閘則是對(duì)稱(chēng)三相RLC回路。此時(shí)，可按單相進(jìn)行分析，即分析一個(gè)RLC串聯(lián)二階電路的正弦激勵(lì)下合閘過(guò)渡過(guò)程，如圖1所示。

圖1 二階串聯(lián)RLC

按相關(guān)規(guī)程規(guī)定，變電站安裝電容器容量大多是按照主變?nèi)萘康乃姆种贿x擇，如110 kV變電站一般主變?nèi)萘糠秶?0～63 MVA，安裝電容器容量為2 000～12 000 kVar。220 kV變電站一般主變?nèi)萘糠秶?20～240 MVA，安裝電容器容量為20 000～80 000 kVar。這個(gè)容量需要多個(gè)回路完成，而單回路電容器容量配置一般有 1 000、2 000、4 000、6 000、8 000、10 000 和12 000 kVar等多個(gè)等級(jí)。無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝方式都是從變電站10 kV母線(xiàn)通過(guò)母線(xiàn)刀閘—斷路器—出線(xiàn)側(cè)刀閘—電力電纜—電抗器到電容器。而系統(tǒng)電源內(nèi)阻一般在0.01～0.04 Ω。回路的總體電阻應(yīng)小于0.15 Ω。所以，在變電站安裝的電容器回路參數(shù)結(jié)構(gòu)中的阻尼電阻都是小于臨界值的，也就是說(shuō)電容器等效回路合閘過(guò)渡過(guò)程都是處于振蕩衰減狀態(tài)。

對(duì)于圖1所示電容器回路，根據(jù)電路的微分方程可得電路的完全響應(yīng)為:

其中，

可以看出合閘過(guò)渡過(guò)程的電流和電壓解析式都是包含一個(gè)穩(wěn)態(tài)分量和一個(gè)指數(shù)正弦振蕩衰減分量。

以某10 kV系統(tǒng)、電容補(bǔ)償容量為2 000 kVar、電抗百分率為6%的并補(bǔ)裝置回路的參數(shù)?？芍獑蜗嚯娫措妷悍逯禐? 165 V，系統(tǒng)內(nèi)電阻 Rs=0.022 Ω，回路電阻 R=0.03 Ω，負(fù)載電容 C=63.4 μF，負(fù)載電感 L=9.55 mH;合閘前電路零狀態(tài)，即初值。

利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 電磁暫態(tài)仿真波形

從仿真結(jié)果來(lái)看，在繼電保護(hù)整定時(shí)間100～200 ms內(nèi)，斷路器斷開(kāi)時(shí)，整個(gè)電路仍處于過(guò)渡過(guò)程，斷開(kāi)高頻過(guò)電流，會(huì)危及斷路器安全。

2 無(wú)功補(bǔ)償回路電抗取值的討論

2.1 規(guī)程規(guī)范中電抗器電抗率的規(guī)定

在GB 50227——1995《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償回路電抗器的取值有相應(yīng)規(guī)定:

僅用于限制涌流時(shí)，電抗率宜取0.1% ～1%;

用于抑制諧波，當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時(shí)，宜取4.5% ～6%。當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時(shí)，宜取12%;亦可采用4.5% ～6%與12%兩種電抗率。

2.2 現(xiàn)行的補(bǔ)償裝置中電抗器電抗率的采用

現(xiàn)行的補(bǔ)償裝置中電抗器電抗率一般按6%來(lái)進(jìn)行選擇，考慮的原因有兩個(gè):

2.2.1 為了抑制5次高次諧波分量

表1 補(bǔ)償裝置回路中配置的電抗器應(yīng)避開(kāi)電抗率值表

2.2.2 為了控制無(wú)功補(bǔ)償回路合閘涌流

無(wú)功補(bǔ)償回路合閘時(shí)的合閘涌流倍數(shù)n，電抗率k為:

合閘涌流倍數(shù)n與電抗率k的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 合閘涌流倍數(shù)n與電抗率k的關(guān)系曲線(xiàn)

綜合以上兩個(gè)因素，現(xiàn)行的補(bǔ)償裝置中，電抗率一般取6%，即可以有效地抑制5次諧波，又可以把合閘涌流控制在5倍以?xún)?nèi)。

3 補(bǔ)償裝置回路中電抗器電抗率選擇的探討

從限制合閘涌流的大小看，電抗器的電抗率k越大，限制合閘涌流的倍數(shù)就越小。當(dāng)k取值較大時(shí)，根據(jù)二階電路分出的固有頻率，可知，合閘涌流的過(guò)渡過(guò)程就越長(zhǎng)。

根據(jù)電容器的容量計(jì)算公式和電抗率公式:

所以，

二階電路分出的固有頻率

將式(4)代入式(5)中得

由式(6)可知:固有頻率τ與電抗率k、系統(tǒng)電阻R及無(wú)功補(bǔ)償容量QC有關(guān)，它們的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 τ、K、R、QC四者之間的關(guān)系曲線(xiàn)

由以上分析可知:(1)在系統(tǒng)阻抗和電容器容量不變的情況下，改變電抗百分率k值時(shí)，固有頻率τ隨著電抗率百分率k的增大而增大，即過(guò)渡過(guò)程時(shí)間會(huì)增長(zhǎng);合閘涌流倍數(shù)n隨電抗百分率的增大而減小，即合閘涌倍數(shù)會(huì)減小;(2)在系統(tǒng)阻抗和電抗百分率不變的情況下，改變電容器容量時(shí)，τ隨著電容容量的增大而明顯減小，即過(guò)渡過(guò)程時(shí)間會(huì)縮短;合閘涌流倍數(shù)n則隨著電容容量的增大略有增大;(3)在電容器容量和電抗百分率不變的情況下，遇到不同的系統(tǒng)阻抗時(shí)，固有頻率τ隨著系統(tǒng)阻抗的減少而增大，即過(guò)渡過(guò)程時(shí)間會(huì)增長(zhǎng);合閘涌流倍數(shù)n隨著系統(tǒng)阻抗的增大而減小，即合閘涌會(huì)減小。

按照重慶電力系統(tǒng)歷史短路容量396～1 333 MVA，內(nèi)阻抗是 0.075 ～0.252 Ω(有名值)，10%計(jì)算內(nèi)電阻是0.007 5～0.025 2 Ω;無(wú)功補(bǔ)償回路電阻是0.007 6～0.038 Ω。所以，回路電阻的選擇范圍為0.063 2～0.015 1 Ω。

系統(tǒng)電阻在0.063 2～0.015 1 Ω的范圍內(nèi)，為了保證在100～200 ms時(shí)回路進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)，電抗器電抗率的取值應(yīng)在0.08%～1.32%。

4 對(duì)電抗器電抗率為3%，5%，6%三種配置的仿真計(jì)算

以電容補(bǔ)償容量為2 000 kVar，單相電源電壓峰值為8 165 V，系統(tǒng)內(nèi)電阻Rs=0.022 Ω，回路電阻R=0.03 Ω，負(fù)載電容 C=63.4 μF，負(fù)載電感 L=9.55 mH，電抗百分率分別為3%，5%、6%時(shí)，在三相同期合閘和在合閘后200 ms時(shí)斷開(kāi)兩種情況下，對(duì)補(bǔ)償回路過(guò)電流、斷口電壓進(jìn)行仿真，其結(jié)果如表2所示。

表2 電抗器三種電抗率配置的仿真計(jì)算結(jié)果表

從表2中可以看出，在電阻，電容相同的情況下，隨著電抗值的減少，最大過(guò)電流有所增加，但過(guò)電流增加的幅度沒(méi)有電抗值減少的幅度大。電抗率從6%減少到3%，電抗值下降了一倍，但電流上升了15.5%左右。在200 ms斷開(kāi)時(shí)，斷口間的電壓升高雖然幅度較大，但對(duì)真空斷路器的斷口而言，影響不大。

5 分析

近年來(lái)，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，系統(tǒng)容量大幅度增大，系統(tǒng)電阻將大大減少，若仍保持原有的6%來(lái)選擇電抗值，雖然可以躲過(guò)了3次、5次、6次諧波的諧振點(diǎn)，但會(huì)造成無(wú)功補(bǔ)償回路的固有頻率增大。在繼電保護(hù)整定時(shí)間100～200 ms內(nèi)，斷路器斷開(kāi)時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償回路仍處于過(guò)渡過(guò)程，斷開(kāi)高頻過(guò)電流，會(huì)危及斷路器安全。出于抑制諧波和斷路器安全考慮，當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時(shí)，將電抗器的取值減小到6%以下，在3%～4.5%的范圍。當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時(shí)，可將電抗器的取值控制在6% ～10%范圍內(nèi)，有以下明顯優(yōu)勢(shì):

(1)明顯地減少了無(wú)功補(bǔ)償回路的固有頻率τ，在繼電保護(hù)整定時(shí)間100～200 ms內(nèi)，斷路器斷開(kāi)時(shí)，雖仍處于過(guò)渡過(guò)程，但斷開(kāi)高頻過(guò)電流幅值大幅度下降，減輕了斷路器的風(fēng)險(xiǎn);振點(diǎn)，即使考慮到系統(tǒng)的電抗，系統(tǒng)的電抗值不大于0.5 Ω(2 000 kVar對(duì)應(yīng)的容抗值為50.23 Ω)，不會(huì)達(dá)到3次、5次諧波諧振點(diǎn)的電抗率要求;同時(shí)也可有效抑制3次或5次諧波;

(2)電抗率選擇小了，能有效提高無(wú)功補(bǔ)償回路的無(wú)功補(bǔ)償量，提高設(shè)備的有效利用率。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著電網(wǎng)容量的增加，系統(tǒng)抗沖擊的能力大大增強(qiáng)，提高合閘涌流倍數(shù)，適當(dāng)減小無(wú)功補(bǔ)償回路電抗的電抗值在理論上是可行的。各類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償回路電抗器具體下調(diào)的取值范圍，還需通過(guò)進(jìn)一步的研究和工程實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證。

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