并聯電容器諧波放大引起的10 kV線路斷路器跳閘事故的分析

曾海濤，歐雄堅，胡少強

（1.廣東電網公司肇慶高要供電局，廣東肇慶526100；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州510640）

并聯電容器諧波放大引起的10 kV線路斷路器跳閘事故的分析

曾海濤1，歐雄堅1，胡少強2

（1.廣東電網公司肇慶高要供電局，廣東肇慶526100；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州510640）

針對某變電站10 kV饋線經常發生跳閘的情況，通過分析，認為其跳閘的原因是由于無功補償裝置中并聯電容器組的串聯電抗器參數設置不合理，在電網中的非線性負荷產生的諧波作用下，引起了并聯電容器組的高次諧波電流放大而導致斷路器跳閘，根據實際情況提出了解決的方案。

并聯電容器；諧波放大；串聯電抗器；斷路器跳閘

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.030

0　引言

隨著電網負荷的不斷增大，并聯電容器無功補償裝置也大量地投入使用，對提高電網的電能質量，改善功率因數以及降低線路損耗起到良好的作用。然而，在一些含有電鍍、冶煉企業的地方電網中，因非線性諧波負荷的存在，導致了電網中的諧波污染日趨嚴重。由于無功補償裝置中并聯電容器的投入會引起系統參數的變化，如參數設置不合理，在電網中諧波的作用下產生諧振而導致諧波放大，使電網出現諧振過電壓或過電流現象，會嚴重危及到電網的安全運行。

1　事故現象

2013年初以來，高要某110 kV變電站的金聯段10 kV饋線經常發生線路斷路器跳閘而導致用戶停電的故障，還發生了某臺用戶變壓器的無功補償電容經常損壞以及用戶計量電表燒毀的現象，而且發生跳閘的情況多數是在兩家工廠同時生產用電時才出現。經多次實地調查了解，排除了設備接地故障、大功率負荷的瞬間投入以及雷擊等因素引起的斷路器跳閘，初步斷定是用電設備產生諧波引起的電網諧振過壓和過流而導致的斷路器跳閘。

金聯10 kV饋線長度約為13.2 km，線路通過編號為96T1的戶外斷路器進行饋電，線路末端連接有電鍍廠和冶煉廠。電鍍廠有兩臺配電變壓器，容量分別為315 kVA和500 kVA，主要用電設備為電鍍整流設備，已安裝了并聯電容器無功補償裝置。冶煉廠有一臺配電變壓器，容量為2 800 kVA，主要用電設備為中頻爐，也安裝了并聯電容器無功補償裝置。由此可見，兩家工廠的負荷都屬于非線性諧波負荷，相對于電網來說都是諧波的產生源。

2　原因分析

現場檢查可見，兩家工廠都裝有并聯電容器無功補償裝置。在工廠生產用電時，由于非線性負荷產生大量的諧波，如果并聯電容器組和諧波源組成的電路滿足諧振條件時，電容器的諧波容抗和系統諧波感抗的配合，造成注入諧波的并聯諧振或串聯諧振并將諧波成倍放大，使并聯電容補償裝置中的電容器和串聯電抗器產生諧波過電流、過電壓和過負荷［1］。因此，高次諧波引起的電流放大會導致10 kV線路斷路器跳閘。

金聯10 kV饋線系統接線圖如圖1所示，線路的負荷主要有電鍍廠和冶煉廠。由于諧波源主要位于負荷側，可視其為諧波電流源［2-3］。因此，把其中的一個非線性負荷形成的諧波電流源用圖2的系統簡化等值圖來表示。

圖1　金聯10 kV饋線系統接線圖

圖2　系統簡化等值圖

從電工理論可知，當電力系統局部電路中的感抗和容抗在諧波的作用下相等時會發生諧波諧振現象。從簡化等值圖電路圖可得并聯諧振的條件為：

其中：XL為基波感抗，XC為基波容抗，nh為諧波次數。

其中：ω1為基波角頻率。

并聯電路中的諧振阻抗為：

通常Rnh<

由（1）和（5）式可知，當發生諧振時電路的阻抗Znh趨向于無窮大。因此，當并聯回路中有外加的諧波電流源作用時，由于Znh趨向無窮大，即使有少量的nh次諧波電流流入，都會引起回路兩端的端電壓U?h無限地升高，導致在兩支路中產生的電感電流和電容電流就會無限地增大，因而影響電容器的正常運行以及導致電容器的損壞，最終會引起線路電流過載發生故障。由此可見，由諧波引起的過電壓和過電流將會對電網設備的安全運行造成危害。

故障調查時還了解到，在10 kV線路斷路器過流跳閘故障發生時，很多時候都伴有電鍍廠的315 kVA配電變壓器的無功補償并聯電容器損壞的現象。針對這種情況，重點對電鍍廠的315 kVA配變的無功補償電容器組進行了測試。該配變的無功補償電容器組有兩組，型號為BK?MJ-0.45-30-3，測試數據如表1和表2所示。

從測試結果發現，當投入第2組電容器后并聯諧振引起了較大的諧波電流，主要為7次諧波電流，達到了53A，該電流值超出了國家規定的注入公用連接點的諧波電流44A的允許值標準［4］。根據分析，這是因為在同一系統運行情況下，投入的電容器越多，諧振頻率就越低。另外，若配變的容量小則其電感值就大，諧振頻率也會越低。同時，由于兩家工廠的用電負荷都屬于非線性諧波負荷，對系統會注入諧波。在測試中注意到，當冶煉廠投入生產時，電網中的5、7、11次諧波分量就更大，實測的配變低壓側母線的電壓總諧波畸變率THDi從4.3%變到5.2%。由此分析可判斷，當投入第2組電容器后諧振頻率在7次附近造成了流入電網和電容器的諧波嚴重放大。由于電鍍廠的315 kVA配電變壓器的無功補償并聯電容器之前的諧波電流已經超過允許值標準，在冶煉廠投入用電后，其注入電網的諧波加劇了配變低壓端諧波電流的變化，導致315 kVA配電變壓器的無功補償電容器的損壞，從而引起線路電流過載發生故障，導致了線路短路器跳閘。

表1315　R kVA配變低壓側諧波電流測量值

表2315　R kVA配變無功補償電容諧波電流測量值

3　對策措施

針對電容器的諧波放大引起的10 kV線路斷路器跳閘的情況，在分析了上述故障后采取了以下的對策和措施。

（1）裝設交流濾波器，防止諧波源向系統注入諧波電流。現場主要是裝設針對7次諧波源的單調濾波器，通過在配變低壓母線端裝設濾波器來抑制諧波產生，使注入系統的諧波降到最低的程度，從而減少諧波引起的諧振發生。

（2）合理選擇補償電容器支路中串聯電抗器的電抗率［5］。主要是減小或抑制7次諧波電流放大，但同時不引起其它諧波電流放大較多。根據《并聯電容器裝置設計規范》［6］要求，用于抑制5次及以上諧波時，電抗率可取4.5%～6%；用于抑制3次及以上諧波時，電抗率可取12%。本例的315 kVA配電變壓器的無功補償并聯電容器中串聯電抗器的電抗率由原來的4.5%調整到6%。通過串聯電抗率的合理選擇，使電容器支路對某次諧波呈感性電抗，避免了諧振及諧波放大的可能。

（3）對于冶煉廠的可控硅整流電弧爐這些非線性負荷，由于它們產生大量的諧波電流注入電網，是高次諧波主要產生源，有條件最好采用增加整流相數的方法，改造整流變壓器，把6脈沖整流器改造成12脈沖整流器，通過增加其脈沖數來降低諧波源諧波電流含量。本案因冶煉廠家要增加設備投資的關系而未能進行實施，只是增加了交流濾波器。

通過采取了上述的措施后，該10 kV線路再沒有出現斷路器跳閘以及315 kVA配電變壓器的無功補償電容損壞和計量電表燒壞的現象，保證了電網的安全運行和提高了供電的可靠性。

4　結束語

通過上述10kV饋線斷路器跳閘事故的分析可知，并聯電容器作為無功補償設備接入電力系統后，在電網非正弦用電沒備諧波源的作用下產生高次諧波電流。無功補償電容器組投入后，因電容器組容抗和系統等效電路感抗構成并聯振條件造成了7次諧波放大而導致線路斷路器跳閘。因此，對于一些含有較大的非線性負載的城鄉配電網，在無功補償裝置設置時，要考慮電容器組容抗和系統等效電路感抗之間可能發生諧振現象，合理選擇補償電容器支路中串聯電抗器的電抗率，避開可能發生諧振放大的阻抗值，抑制電網諧波和電容器的諧波放大，以保證電網的正常穩定運行和安全運行。

［1］史承逵.電網電容器組諧波諧振和諧波放大的研究［J］.電力自動化設備，2001，21（7）：36-38.

［2］王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償：第2版［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］付偉，韓翔宇.并聯電容器裝置在諧波環境中的應用［J］.電力電容器與無功補償，2012，33（6）：17-21.

［4］GB/T14549-93.電能質量公用電網諧波標準［S］.

［5］陶梅，江鈞祥.串聯電抗器及其電抗率的選取［J］.電力電容器與無功補償，2010，31（3）：58-61.

［6］GB 50227-95.并聯電容器裝置設計規范［S］.

（編輯：向飛）

Fault Analysis of 10kV Line Breaker Tripping Caused by Shunt Capacitor Harmonic Amplification

ZENG Hai-tao1，OU Xiong-jian1，HU Shao-qiang2
（1.Zhaoqing Gaoyao Electric Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Company，Zhaoqing526100，China；2.College of Electrical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China）

A deliberated study finds that the cause for feeder frequent tripping in a 10kV substation is the unreasonable parameter settings of series reactors in shunt capacitor banks of reactive power compensation device.Thus high harmonic currents in shunt capacitors are amplified by the effect of non-linear loads power system which results in the break tripping.The paper further proposes practical resolutions to the problems.

shunt capacitors；harmonic currents amplification；series reactors；break tripping

TM63

B

1009-9492（2015）01-0108-04

2014-08-13

曾海濤，男，1976年生，廣西合浦人，碩士，工程師。研究領域：電力營銷管理及電網運行等。