侯建強(qiáng)

(酒鋼集團(tuán)能源中心動力分廠，甘肅嘉峪關(guān) 735100)

1 問題的提出

某開關(guān)站運(yùn)行人員點檢時發(fā)現(xiàn)10 kV 某一開路開關(guān)柜有異常聲音，經(jīng)分析確認(rèn)異常聲音為開關(guān)柜母線室產(chǎn)生，若異常聲音不及時消除將對供電設(shè)備的安全運(yùn)行帶來隱患。通過對該問題發(fā)生的原因進(jìn)行總結(jié)和分類，提出了具體的解決措施和方案，減少此問題對正常運(yùn)行設(shè)備的影響。

2 原因分析

經(jīng)觀察和分析異常聲音為高壓開關(guān)柜內(nèi)發(fā)出的短促鳴笛聲，調(diào)整系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行方式，在退出10 kV 母線段無功補(bǔ)償裝置后，該開關(guān)柜異常聲音消除。經(jīng)測試確認(rèn)，該10 kV 開關(guān)柜異常聲音是由于無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后系統(tǒng)內(nèi)高次諧波超標(biāo)，系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，造成開關(guān)柜發(fā)生異常聲響。

2.1 10 kV電容器組串聯(lián)電抗器電抗率計算及原因分析

現(xiàn)場10 kV電容器參數(shù)如下：

單只電容：7.92-8.04 μF

單只容量：100 kVar

電抗器型號：CKDK

額定電流：250 A

額定電感：200 μH

電抗率具體計算如下：

電抗率k=每相感抗÷每相容抗，即k=XL/XC；

將感抗XL，容抗XC代入上式，電抗率k=XL/XC=0.11%。

按照國標(biāo)關(guān)于限制合閘涌流的具體規(guī)定和要求，成套整流電容器和繞組的額定涌流在輸出額定電流的20倍以內(nèi)，計算公式為：

式中：λ—涌流合閘量是涌流的流量倍數(shù)；

XC—合閘回路中容抗；

XL—合閘回路中感抗。

從式中我們可以看出λ≤20 就可以完全滿足要求，根據(jù)合閘涌流電抗率的計算公式k=XL/XC，按照公式λ=20 計算得出電抗率k 為0.3%(0.28%)。從計算結(jié)果可以看出，目前該開關(guān)站10 kV 串聯(lián)電容器組件中所配置的串聯(lián)電抗器的合閘涌流電抗率偏小，這對于合閘涌流的限制和作用并不明顯。

根據(jù)計算，該開關(guān)站電容器投運(yùn)前所配置的開路電抗器高次諧波電抗率為0.1%～1.0%，主要是為了有效限制電容器的合閘涌流，不能抑制電容器的高次諧波。通過對該開關(guān)站10kV 配出負(fù)荷電流的諧波含量進(jìn)行檢測試驗，該開關(guān)站電容器投入運(yùn)行后，電壓總畸變率有所降低，但流入電容器系統(tǒng)的13次、23次、25次等均有高次諧波開路電流的放大，特別要注意的是13 次諧波開路電流的放大尤為突出和明顯。該電容器投運(yùn)前，13 次諧波含量為1.01%；電容器投運(yùn)后，13 次諧波含量為13.31%，放大13倍。

由此，經(jīng)分析認(rèn)為該開關(guān)站的電容器連續(xù)運(yùn)行后，并聯(lián)負(fù)載諧波的發(fā)生頻率達(dá)到濾波峰值，與投入電容器系統(tǒng)的同相感性開關(guān)電容器并聯(lián)負(fù)載就會發(fā)生非線性的并聯(lián)濾波諧振或近似并聯(lián)諧振，高次諧波電流放大，造成高次諧波帶來異常聲響。

2.2 10 kV 電容器投入運(yùn)行后，諧波電流放大數(shù)據(jù)分析

電容器投入運(yùn)行前，系統(tǒng)諧波阻抗Zsn=Rsn+jXsn，

式中：Rsn—系統(tǒng)的n次諧波電阻；

Xsn—n次諧波電抗；

Xsn=nXs，Xs—工頻電抗。

電容器投入高頻電路系統(tǒng)正常運(yùn)行后，設(shè)并聯(lián)高頻電容器基波電抗為Xn，n 次諧波等效高頻電抗為Xsn，系統(tǒng)的并聯(lián)電容器投入n 次直流諧波等效高頻電路基波阻抗平均值Z’sn=-jXcnZsn/Rsn+j(Xsn-Xcn)。

由上式可以看出，電容器投入運(yùn)行后系統(tǒng)的諧波阻抗隨系統(tǒng)的諧波頻率發(fā)生變化，既可以為感性也可以為容性，并且當(dāng)系統(tǒng)的諧波頻率達(dá)到某一特定值時，并聯(lián)電容器會與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使等效諧波阻抗達(dá)到最大值。

如果系統(tǒng)的諧波輸出電流為通過n次輸入的諧波輸出電流，Isn為通過10 kV 該母線配出的開路電容器進(jìn)入系統(tǒng)的電流為諧波輸出電流，Icn進(jìn)入開路電容器的Isn為諧波源輸出電流，根據(jù)以下計算公式：

當(dāng)Xsn=Xcn時，并聯(lián)電容器與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，由于Rsn<< Xsn，Rsn<< Xcn，此時Isn、Icn均遠(yuǎn)大于In，所以進(jìn)入電網(wǎng)高次諧波電流放大。

3 治理措施和解決方案

根據(jù)以上原因分析，提出以下兩種解決方案。

方案一：將該開關(guān)站10 kV 電容器組三相分別減少1 只，打破并聯(lián)電容器與系統(tǒng)感性負(fù)載發(fā)生并聯(lián)諧振的平衡條件，避免因發(fā)生諧振造成諧波電流放大的現(xiàn)象。

具體分析如下：

經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，該開關(guān)站10 kV 電容器組總?cè)萘繛?100 kVar，共21只，每相7只并聯(lián)在一起，單只電容：7.92～8.04 μF(每相總共電容56 μF)，單只容量：100 kVar。

并聯(lián)電容器與一個系統(tǒng)感抗電容器發(fā)生三相并聯(lián)諧振的一個基本條件是：當(dāng)一個并聯(lián)電容器感性負(fù)載n 次的諧波容抗與一個系統(tǒng)感性負(fù)載n 次電容器的諧波感抗頻率完全相等時，即XLn=Xcn時。因此我們可以考慮將10 kV 并聯(lián)電容器的三相電容分別減少1 只，使得并聯(lián)諧振的電容器每相總電容減少，容抗增加(Xc=1/ωc)。從而使XLn與系統(tǒng)感抗Xcn不完全相等，打破并聯(lián)電容器與一個系統(tǒng)感性電容器負(fù)載在13 次的諧波感抗頻率上同時發(fā)生并聯(lián)諧振的條件。

相關(guān)參數(shù)分析：

每相電容器減少1 只后，解決電容器所能承受額定電壓的問題。因采用了星形并聯(lián)接線，電容器每相額定承受的電壓為11/=6.35 kV。因此，每相電容器減少1 只后，單只解決了電容器所能承受的額定電壓不變。

每相減少1只后，單只電容器承受電流的問題。每相減少1臺后，單只電容器承受的電流輕微增加，對電容器運(yùn)行工況影響不大。

每相減少1只后，并聯(lián)電容器每相總電容減少，容抗增加，電抗率減小(k=XL/XC)，影響限制合閘涌流的效果，但僅僅對于電容器本身，合閘涌流要求是小于100 倍額定電流。所以，當(dāng)每相減少1 只時，裝置的涌流比例上升，但涌流絕對值沒有上升，因此，電容器的合閘涌流仍然在100倍范圍內(nèi)。

方案二：對10 kV 并聯(lián)電容器的電抗器進(jìn)行改造，更換為電抗率為5%的電抗器，有效限制并聯(lián)合閘涌流和抑制高次諧波，徹底解決并聯(lián)合閘電容器對于高次諧波合閘電流放大的問題。

4 結(jié)論

經(jīng)討論對兩種解決方案進(jìn)行分析對比，采用了方案二，對電容器配置的高次諧波電抗器進(jìn)行重新配置，更換了頻率為諧波電抗率5%的電抗器，解決了電容器對高次諧波電流連續(xù)放大的穩(wěn)定性問題。實施后從根本上解決了系統(tǒng)內(nèi)高次諧波放大電流的穩(wěn)定性問題，異常聲音也得以徹底消除。針對上述問題，對無功補(bǔ)償設(shè)備的選型和使用首先應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷的性質(zhì)，其次加強(qiáng)對系統(tǒng)內(nèi)無功補(bǔ)償器裝置的投退管理，盡量杜絕無功功率倒送。