一起10 kV開關柜異常聲音的原因分析及解決方案

侯建強

(酒鋼集團能源中心動力分廠，甘肅嘉峪關 735100)

1 問題的提出

某開關站運行人員點檢時發現10 kV 某一開路開關柜有異常聲音，經分析確認異常聲音為開關柜母線室產生，若異常聲音不及時消除將對供電設備的安全運行帶來隱患。通過對該問題發生的原因進行總結和分類，提出了具體的解決措施和方案，減少此問題對正常運行設備的影響。

2 原因分析

經觀察和分析異常聲音為高壓開關柜內發出的短促鳴笛聲，調整系統無功補償裝置運行方式，在退出10 kV 母線段無功補償裝置后，該開關柜異常聲音消除。經測試確認，該10 kV 開關柜異常聲音是由于無功補償裝置投入運行后系統內高次諧波超標，系統發生并聯諧振，造成開關柜發生異常聲響。

2.1 10 kV電容器組串聯電抗器電抗率計算及原因分析

現場10 kV電容器參數如下：

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%。

按照國標關于限制合閘涌流的具體規定和要求，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，計算公式為：

式中：λ—涌流合閘量是涌流的流量倍數；

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%)。從計算結果可以看出，目前該開關站10 kV 串聯電容器組件中所配置的串聯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。

根據計算，該開關站電容器投運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。通過對該開關站10kV 配出負荷電流的諧波含量進行檢測試驗，該開關站電容器投入運行后，電壓總畸變率有所降低，但流入電容器系統的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。該電容器投運前，13 次諧波含量為1.01%；電容器投運后，13 次諧波含量為13.31%，放大13倍。

由此，經分析認為該開關站的電容器連續運行后，并聯負載諧波的發生頻率達到濾波峰值，與投入電容器系統的同相感性開關電容器并聯負載就會發生非線性的并聯濾波諧振或近似并聯諧振，高次諧波電流放大，造成高次諧波帶來異常聲響。

2.2 10 kV 電容器投入運行后，諧波電流放大數據分析

電容器投入運行前，系統諧波阻抗Zsn=Rsn+jXsn，

式中：Rsn—系統的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正常運行后，設并聯高頻電容器基波電抗為Xn，n 次諧波等效高頻電抗為Xsn，系統的并聯電容器投入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，電容器投入運行后系統的諧波阻抗隨系統的諧波頻率發生變化，既可以為感性也可以為容性，并且當系統的諧波頻率達到某一特定值時，并聯電容器會與系統發生并聯諧振，使等效諧波阻抗達到最大值。

如果系統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入系統的電流為諧波輸出電流，Icn進入開路電容器的Isn為諧波源輸出電流，根據以下計算公式：

當Xsn=Xcn時，并聯電容器與系統阻抗發生并聯諧振，由于Rsn<< Xsn，Rsn<< Xcn，此時Isn、Icn均遠大于In，所以進入電網高次諧波電流放大。

3 治理措施和解決方案

根據以上原因分析，提出以下兩種解決方案。

方案一：將該開關站10 kV 電容器組三相分別減少1 只，打破并聯電容器與系統感性負載發生并聯諧振的平衡條件，避免因發生諧振造成諧波電流放大的現象。

具體分析如下：

經現場確認，該開關站10 kV 電容器組總容量為2100 kVar，共21只，每相7只并聯在一起，單只電容：7.92～8.04 μF(每相總共電容56 μF)，單只容量：100 kVar。

并聯電容器與一個系統感抗電容器發生三相并聯諧振的一個基本條件是：當一個并聯電容器感性負載n 次的諧波容抗與一個系統感性負載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 并聯電容器的三相電容分別減少1 只，使得并聯諧振的電容器每相總電容減少，容抗增加(Xc=1/ωc)。從而使XLn與系統感抗Xcn不完全相等，打破并聯電容器與一個系統感性電容器負載在13 次的諧波感抗頻率上同時發生并聯諧振的條件。

相關參數分析：

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，對電容器運行工況影響不大。

每相減少1只后，并聯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。

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

4 結論

經討論對兩種解決方案進行分析對比，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放大的穩定性問題。實施后從根本上解決了系統內高次諧波放大電流的穩定性問題，異常聲音也得以徹底消除。針對上述問題，對無功補償設備的選型和使用首先應該結合系統負荷的性質，其次加強對系統內無功補償器裝置的投退管理，盡量杜絕無功功率倒送。