配電網投切無功補償裝置的過電壓與抑制分析

2014-03-19 09:20:12，，，，，

四川電力技術 2014年2期

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(1.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室,重慶 400044；2.國網四川省電力公司電力科學研究院,四川成都 610072)

0 引言

隨著電網容量的迅速增大，和對電能質量要求的不斷提高，電力系統中無功補償和電壓穩定的重要性愈加凸顯。目前，并聯電容器作為主要的無功補償裝置在各級電力系統中，特別是配電網系統，獲得了廣泛的應用[1]。電容器頻繁的投切操作，真空斷路器的大面積應用，使得并聯電容器組的操作過電壓問題有了一些新的特性[2]。由此帶來的操作過電壓威脅設備絕緣，已經成為影響電網運行可靠性的重要因素。因此，有必要對并聯電容器組的操作過電壓及其保護措施進行深入研究。

針對配電網變電站的具體情況，無功補償裝置一般安裝在其低壓母線側。針對變電站10 kV母線側的并聯電容器投切，通過理論分析和PSCAD/EMTDC軟件的仿真建模，深入研究了無功補償并聯電容器組投切過程中，不同類型過電流和過電壓的暫態特性。同時，針對并聯電容器上的串聯電抗，研究了串聯電抗率的變化對過電壓和涌流的影響與抑制效果。實驗結果表明，增加串聯電抗率對過電壓影響不大，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設備的安全可靠運行。

1 投切過電壓分析

電力電網中的電容、電感元件均為儲能元件。當有操作或故障使其工作狀態發生變化時，將產生振蕩性的過渡過程[3]。如果在電網狀態發生突變的瞬間，電網中這些儲能元件表征能量值的初始值與新狀態的穩定值兩者不一致時，則在過渡過程之中電網的響應將出現暫態分量，暫態分量通常表現為強阻尼的高頻振蕩特征。

因為電網負荷是變動的，隨之電網中無功功率的消耗也是經常變化的，要保持電網電壓穩定，需隨負荷的變化改變并聯電容器的投入量，因而大型補償電容器組一般分為若干組，并隨負荷變化分組投入[4-6]。在投切并聯電容器組時會出現兩個問題：一是投入電容器的瞬時會產生很大的涌流電流；二是切除電容器時因斷路器的重燃會產生比較嚴重過電壓[7]。

1.1 投合電容器過電壓

設并聯補償電容器三相完全同期合閘，則此時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為電源的等效內電感，UNC為補償電容器C的殘留電壓，電源電勢e(t)=Emcos(wt)。不計回路損耗電阻，合閘后電容器C上電壓Uc(t)為

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

其中，Ucm為電容器穩態電壓幅值，即

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

1.2 切除電容器過電壓

當開關斷開電流熄滅后，電容器組上的殘存電荷在短時間內無法釋放，電容器組上將殘留直流電壓[8]，假如開關弧隙絕緣恢復的速度低于恢復電壓增長的速度，一旦真空開關的電氣恢復強度不能承受加于其上的暫態恢復電壓，將發生重擊穿，引起電磁振蕩，產生重燃過電壓。

1.2.1 無故障單相重燃

過電壓主要出現在并聯電容器組的中性點與地之間，并聯電容器極間一般沒有比較高的過電壓出現。重燃相過電壓并不是最高的，往往是通過中性點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周期內重燃)時，在非重燃相中的一相也會出現過電壓，過電壓最高相可達5～6倍Em。

1.2.2 帶故障單相重燃

中性點不接地電網允許發生單相接地后持續帶故障運行2 h，因此有可能遇到在單相接地時要開斷電容器組。母線側單相接地時，開斷電容器組時產生的單相重燃過電壓要比無故障開斷的情況下要高，可達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相電容器上所產生的過電壓最高，由于單相重燃時回路的振蕩頻率很高，因此中性點對地電容上的電壓在很短時間內上升，結果會立即導致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中廣泛使用的電磁暫態仿真程序，具有模擬復雜電力系統的功能，并且提供強大的元件模型庫及有效的用戶圖形界面。利用PSCAD/EMTDC軟件進行了投切并聯電容器的過電壓分析模型，并對模型進行了研究分析。

以110 kV某變電站為例，其仿真系統結構圖如圖2所示。

圖2 變電站仿真系統結構圖

其中，主要仿真元件有：110 kV系統電源、主變壓器、并聯補償電容器組、串聯電抗器等。

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

2.1 并聯電容器合閘過電壓仿真分析

如表1所示，對其不同合閘相角進行仿真分析，假設t=0時刻A相電壓達到最大值，仿真得出不同相位(即不同時刻)的過電壓。

表1 不同相位下，相間電壓及相對地電壓值

從表1中的電壓數值可以看出，由于中性點零電位的牽制，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。而相對地過電壓由于中性點電位為零，與極間電壓數值相同，且相對地過電壓絕緣水平較高，因此也不會威脅電容器的相間絕緣。所以可以得出，當斷路器能保證三相同時合閘時，電容器組的合閘過電壓基本不會對電容器絕緣造成威脅。

2.2 并聯電容器分閘過電壓仿真分析

同期分閘單相重燃實驗，三相對地電壓與極間電壓分別如圖3、圖4所示，經計算可得最大相對地電壓為3.35 p.u.，最大極間電壓為1.37 p.u.。

圖3 單相重燃相對地電壓波形圖

圖4 單相重燃極間電壓波形圖

結果表明，與三相同期分閘不重燃仿真結果相比較，電容器電流與電容器極間電壓均未發生變化，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。但是電容器中性點通過A相電弧與電源相連，中性點電位發生偏移，導致各相電容器相對地過電壓。

同期分閘兩相重燃實驗，設置A相斷路器重燃，導致C相在其電壓峰值時刻也發生重燃，三相對地電壓、極間電壓、相電流分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 兩相重燃相對地電壓波形圖

圖6 兩相重燃極間電壓波形圖

由仿真結果分析可知，兩相重燃后，極間電壓最大值達到了2.24 p.u.；相對地電壓最大值出現為4.05 p.u.。同時，重燃后伴隨著高幅值高頻率的電流沖擊對電容器具有相當大的破壞力，幅值倍數為

圖7 兩相重燃相電流波形圖

12.8 p.u.。

由上述實驗可知，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較低，其中兩相重燃時的極間電壓接近絕緣水平，有一定的危險；而相對地會產生較高的過電壓，超過3 p.u.以上，會威脅到設備的安全運行。同時，在斷路器重燃時系統振蕩比較劇烈, 會出現很大的過電流，具有較大的危害，但持續時間較短，隨著系統阻尼的作用會衰減到額定值附近。