特高壓變電站110 kV并聯(lián)電容器接線方式與耐爆能量分析

張 航，馬衛(wèi)華，段 綱，羅榮鈞，信 珂

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250010；2.國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052；3.國網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟南 250001）

0 引言

并聯(lián)電容器是電力系統(tǒng)中重要的無功補償裝置之一，主要用于向電網(wǎng)提供可階梯調(diào)節(jié)的無功，提高功率因數(shù)，減小無功的遠距離傳送，從而降低電網(wǎng)有功損耗，增加輸送容量，減少線路壓降，改善電壓水平。

目前在特高壓變電站中仍然采用在主變壓器第三繞組側(cè)并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器分組投切的無功補償方式。與傳統(tǒng)并聯(lián)電容器相比，特高壓變電站110 kV側(cè)并聯(lián)電容器組具有臺數(shù)多、單臺容量大等特點［1］。因此對電容器組的安全運行提出了更高的要求。

電容器上出現(xiàn)幅值較高的過電壓和電容器絕緣受損劣化，可能造成電容器絕緣擊穿，當一臺電容器發(fā)生極間或極對殼絕緣擊穿時，與之并聯(lián)的電容器要向它迅速放電。如果電容器組的接線方式不合理則會造成故障電容器接收的放電能量超過他們能承受的最大放電能量，從而引起電容器的外殼爆裂、起火，使故障進一步擴大，產(chǎn)生嚴重后果。因此在確定接線方式時，耐爆能量的計算是非常重要的。

單星形雙橋差接線方式不但有效提高電容器組不平衡保護的整定值，而且使不平衡保護的抗干擾能力得到提高［2］，因此在特高壓變電站中得到了廣泛應(yīng)用。以單星形雙橋差接線方式為例，建立電容器組發(fā)生極間短路和極對外殼短路故障時的計算模型，對橋臂采用不同串并聯(lián)方式時的耐爆能量進行了分析計算，以確定最優(yōu)的橋臂接線方式。

1 電容器爆破能量分析

1.1 電容器耐爆能量的定義

耐爆能量是電容器的一項重要的安全性指標，它表示單臺電容器在故障時，外部電路注入故障點而其外殼能耐受住不發(fā)生爆裂的能量限值，是對電容器外殼強度的一個安全要求。按照標準規(guī)定：單臺電容器的耐爆能量應(yīng)不小于15 kJ。對于電容器組而言，在某臺電容器發(fā)生故障時，注入故障點的能量，這個能量稱為電容器組的爆破能量。標準規(guī)定：對于全膜介質(zhì)電容器，要求在電壓1.1U n下，電容器組的爆破能量不大于15 kJ。相當于一個串聯(lián)段的電容器并聯(lián)容量應(yīng)控制在3 900 kvar以內(nèi)。

1.2 引起電容器爆破能量來源

電容器發(fā)生故障時注入故障點的能量主要有3個部分。

第一部分：故障電容器自身的儲能（WC）。

第二部分：電容器組完好的電容器向故障電容器提供的能量（Wr）。這部分能量的大小與電容器組的接線方式有關(guān)，是注入能量的主要部分。

第三部分：工頻故障電流流過故障電容器產(chǎn)生的能量（WS）。這部分能量取決于故障電流的大小以及故障電流持續(xù)的時間，如果快速切斷故障電容器和電源的聯(lián)系。假設(shè)從擊穿到切斷的時間為t，如果t很小（例如在20ms內(nèi)），那么工頻故障電流流過故障電容器產(chǎn)生的能量要比電容器組中完好電容器向故障電容器提供的能量小得多，可忽略不計［3］。

1.3 限制放電能量的措施

根據(jù)分析可知，主要是限制WC和Wr的大小，限制上述兩部分能量的措施主要是合理選取并聯(lián)電容器組的接線方式，直接控制串聯(lián)段內(nèi)的電容器單元并聯(lián)臺數(shù)，以降低直接向故障電容器釋放的能量。

2 故障電容器放電能量的計算

2.1 計算條件

計算考慮最惡劣的故障情況即并聯(lián)支路電容器發(fā)生極間擊穿損壞時又發(fā)生極對殼擊穿故障。

計算假定電容器運行于1.1Un過電壓條件下發(fā)生故障。

計算考慮第一部分及第二部分的放電能量。

2.2 故障時電容器組等效簡化模型

單星型雙橋差接線方式如圖1所示。其中C1表示每個橋臂的等效總電容。

以圖1中的任意一個橋臂為例分析，如圖2所示。每個橋臂由n個串聯(lián)臂并聯(lián)組成，串聯(lián)臂的串聯(lián)段數(shù)為N，每個串聯(lián)段的并聯(lián)電容器臺數(shù)為m，單臺電容器的額定電容C0。U1為橋臂總電壓，U2為單串聯(lián)段電壓，U3為剩余串聯(lián)段總電壓。

當不接平臺的橋臂上某臺電容器同時發(fā)生極間和極對殼擊穿故障時，等效電路如圖3所示。其中C2為故障電容器的總電容，C3為故障串聯(lián)臂除故障電容器以外其他完好串聯(lián)段的總電容，C4為單橋臂除故障串聯(lián)臂外的其他完好串聯(lián)臂的總電容。R為短路時故障通道阻抗。

圖1 雙橋差接線方式原理

圖2 橋臂接線示意

圖3 發(fā)生極間及極對殼短路故障橋臂等效簡化模型

圖4 單星形雙橋差接線故障相等效簡化接線

根據(jù)上述分析可以得出單星形雙橋差接線方式電容器組故障等效模型，如圖4所示。圖中，C′1為故障臂總電容，C1為每個完好臂總電容。

故障串聯(lián)段電容C2，其容量為

故障串聯(lián)段電容器釋放的能量WC為

完好橋臂的總電容C1為

故障后，C3、C5的電荷、電壓重新分配而平衡后，分配后C3、C5的電壓相等，均為

平衡前后C3與C5上的總能量之差，即為故障橋臂除故障串聯(lián)段外其他完好電容器向故障電容器釋放的能量

所以，整相電容器組向故障電容器釋放的能量為

3 算例

特高壓變電站110 kV并聯(lián)電容器組采用雙橋差接線方式，根據(jù)電容器組容量配置不同，每個橋臂的電容器的數(shù)量也有所差別。根據(jù)系統(tǒng)電壓波動計算，在1 000 kV特高壓變電站中，為滿足主變500 kV、110 kV側(cè)的電壓波動水平分別控制在2.5%和5%以內(nèi)的要求，單組電容器的最大容量不超過240Mvar［6］，過去由于受斷路器投切能力的限制，單組電容器容量不超過210Mvar，現(xiàn)在由于新型投切電容器負荷開關(guān)的全面應(yīng)用，電容器單組容量可達到240Mvar。

以濰坊1 000 kV變電站110 kV側(cè)并聯(lián)電容器組為例分析。濰坊站本器新建2組（2號變壓器、4號變壓器）3 000MVA變壓器，每臺主變110 kV側(cè)配置TBB110-240000/556AQW （12%）型電容器組2組，每組電容器由432臺BAM6.56-556-1W型電容器組成，每相144只，單臺電容器的額定容量為556 kvar，計算時考慮1.1倍的過電壓取單臺電容器的容量為672.76 kvar，每相采用單星形雙橋差接線方式，每相由上下8個橋臂，每個橋臂由18臺電容器構(gòu)成。

在已經(jīng)投運的特高壓工程中，單個橋臂的串并聯(lián)方式主要有以下3種方式：“三并三串”、“兩并三串”、“三并兩串”，如圖 5所示。

圖5 三種連接方式結(jié)構(gòu)

按照2.2節(jié)推導的計算公式對上述3種接線方式下，電容器同時發(fā)生極間故障和極對殼擊穿故障時，整相電容器組向故障電容器釋放的能量計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同接線方式下的計算結(jié)果 kJ

從上述的計算結(jié)果可以看出，在考慮過電壓倍數(shù)為1.1倍的情況下，每個橋臂分別采用上述3種接線方式時，在同時發(fā)生極間和極對殼短路故障時，電容器組的放電能量均不大于15 kJ，且采用“兩并三串”的方式時放電能量最小。

工程實例中單臺電容器的容量為556 kvar，每兩串電容器組放在一個絕緣臺架上，只有一個串聯(lián)臂的兩串聯(lián)段之間一點接臺架，電容器外殼接臺架。當采用“兩并三串”的接線方式時，若不接臺架的串聯(lián)臂上某臺電容器同時發(fā)生極間和極對殼短路，則相當于該串聯(lián)段的2臺電容器和接臺架的串聯(lián)臂相應(yīng)串聯(lián)段的2臺電容器一起向故障電容器放電，故障串聯(lián)段電容器并聯(lián)總?cè)萘繛? 224 kvar≤3 900 kvar。當橋臂采用“三并三串”、“三并兩串”的接線方式時，若不接臺架的串聯(lián)臂上某臺電容器同時發(fā)生極間和極對殼短路，則相當于該串聯(lián)段的3臺電容器和接臺架的串聯(lián)臂相應(yīng)串聯(lián)段的3臺電容器一起向故障電容器放電，故障串聯(lián)段電容器并聯(lián)總?cè)萘繛? 336 kvar≤3 900 kvar。

通過上述分析可知，在電容器組采用單星形雙橋差接線方式下，每個橋臂采用“三并三串”、“三并兩串、兩并三串”三種接線方式均能夠滿足耐爆能量的要求，但是考慮到接線簡便和最大安全系數(shù)，推薦橋臂采用“兩并三串”的串并聯(lián)方式

4 結(jié)語

通過建立單星形雙橋差接線方式電容器組的故障分析模型，推導出電容器發(fā)生極間故障和極對殼擊穿故障時的能量釋放計算公式，并對橋臂采用“三并三串”、“三并兩串、兩并三串”3種接線方式下的電容器組耐爆能量進行了計算分析，工程中設(shè)計橋臂接線方式時，推薦采用兩并三串的接線方式。