并聯電容器組配套裝置及應用技術和高壓并聯電容器的過電壓及防護技術
并聯電容器組配套裝置及應用技術
摘 要：闡述高壓并聯電容器組的配套裝置斷路器、串聯電抗器、放電裝置、氧化鋅避雷器及熔斷器的電氣特性和實際應用中的配置問題。
高壓并聯電容器組的配套裝置，包括投、切電容器組用的斷路器、串聯電抗器、放電元件、氧化鋅避雷器及熔斷器等設備。在電容器組的安裝、運行和試驗中，必須充分了解它們之間的有機聯系和相互關系、電氣性能和技術標準，在實際應用中，合理配置、有效配合，以確保設備、系統和人身的安全。
一 斷路器在高壓并聯電容器組上的應用
電容器在電網中的運行方式，隨著無功負荷及電網電壓變化而變化，因此電容器組用斷路器的操作較為頻繁，為此必須解決好兩方面問題：①合閘時的頻率、高幅值的合閘涌流給斷路器帶來的過電壓、機械應力和機械振動;②開斷時，電弧重燃給斷路器及其他回路設備帶來的重擊穿過電壓及絕緣沖擊。故并聯電容器除應滿足一般的技術性能和要求以外，還必須滿足以下要求：①合閘時，觸頭不應有明顯的彈跳和振動;②分閘時不允許有嚴重的電弧重燃而導致的擊穿過電壓;③應有承受合閘涌流的耐受能力;④經常投、切的斷路器應具有承受頻繁操作的能力。根據目前國產斷路器的生產情況，要同時滿足以上四點要求，尚有難度，例如真空斷路器雖然適于頻繁的操作要求，但存在合閘彈跳和重燃問題，必須加裝氧化鋅避雷器以進行防止過電壓的配合、加裝串聯電抗器以降低合閘涌流倍數的配合。可見，斷路器在電容器組上的應用，尚無法完成其獨立開斷的任務，必須有其他配套設備進行補償性配合。
二 串聯電抗器在高壓并聯電容器組上的應用
為了限制電容器合閘過程中的涌流、操作過電壓及電網諧波對電容器的影響，大容量電容器一般應區分具體情況，加裝串聯電抗器。其作用為：①降低電容器組合閘涌流倍數及涌流頻率;②減少電網中高次諧波引起的電容器過負荷;③減少電容器組用斷路器在兩相重燃時的涌流以利滅弧;④抑制一組電容器故障時，其他電容器組對其短路電流的影響;⑤抑制電容器回路中產生的高次諧波及諧波過電壓。可見，加裝串聯電抗器對電容安全運行的重要性、對斷路器順利完成開斷任務的必要性。但在實際應用中，是否加裝串聯電抗器，還要根據電容器的分組方式及安裝地點的具體情況而定。比如裝設在配電線路35kV農村變電所母線上的電容器組，容量較小，大多在2000kvar以下，一般沒必要加裝串聯電抗器。但在下列情況下，必須加裝串聯電抗器：①采用“△”連接的電容器組;②裝設于一次變電站中容量較大的電容器組;③變電站裝有兩組以上且頻繁投切的電容器組;④電容器投運時有諧波現象或因諧波引起電容器過負荷等。
三 放電裝置在高壓并聯電容器組上的應用
電容器從電源斷開時，兩極處于儲能狀態，如果電容器整組從電源斷開，儲存電荷的能量非常大，必然在電容器兩極之間持續保持著一定數值的殘余電壓，其初始值，即是電源電壓的有效值，此時電容器組在帶電荷的情況下，一旦再次投入，將產生強烈沖擊性的合閘涌流，并伴有大幅值的過電壓出現，工作人員一旦不慎觸及就有可能遭到電擊傷、電灼傷的嚴重傷害。為此，電容器組必須加裝放電裝置。根據標準規定，與電容器連接的放電裝置應能使電容器從電源斷開后，其剩余電壓在10min內降至75V以下。高壓成套裝置用放電裝置的選擇和安裝與低壓成套裝置用放電裝置十分相似又略有不同：①低壓成套裝置用放電裝置通常有燈泡、帶變壓器指示燈和電阻三種形式。放電元件采用“V”形和“△”形連接方式，多以“△”連接為推薦方式，原因是任一相發生斷線，仍能轉化成“v”形連接方式，維持放電的不間斷進行;②高壓電容器組通常除了在電容器內部接入放電電阻以外，配套裝置中還必須加裝與電容器直接相連的放電裝置。一般中小容量的電容器組，放電裝置可以采用相應電壓等級的電壓互感器，2O00kvar及以上的電容器組，多選用專用的放電線圈來完成。
必須指出的是：①如果采用電壓互感器作為高壓電容器組的放電線圈，運行經驗證明，一般也可滿足要求，但不允許采用JSJW型電磁式三相五芯柱一次側中性點直接接地的電壓互感器，因為當電容器開關分閘時，線圈電感、電容器電容及對地電容三者將可能形成振蕩電路，即電壓互感器鐵芯中的電磁能經釋放而產生振蕩，引發過電壓的產生，經實測其數值可高達電容器組電壓幅值的五倍以上，因此中性點接地的三相電壓互感器不允許充當放電裝置來使用，如已經安裝了這種電壓互感器，必須在中性點上串接高電阻或撤除中性線接地的工作方式;②放電線圈的容量選擇，在充分滿足其長期運行條件的前提下，應盡可能避免容量過大，因為容量愈大，放電時間愈長，電能消耗愈多。為減小放電線圈的電能損耗，一般規定每kvar的電容器，其放電線圈損耗不宜超過1W;③一般采取單相三角形接線或開口l一角形接線作為放電元件線圈，并與電容器直接相連;④電容器的放電裝置必須完整、可靠，絕對不允許在放電回路中串聯熔斷器及其他開關設備。
四 氧化鋅避雷器在高壓并聯電容器組中的應用
為了限制電容器切斷瞬時產生危險的過電壓，首先應考慮選擇適合電容器頻繁操作并無重燃的斷路器作為開關設備。但如前述可知，理想的斷路器很難找到。比如適宜于頻繁投切的真空斷路器，仍存在著電弧重燃問題，一旦電弧重燃，其對地電壓將卜升至四倍額定電壓以上;相間電壓將上升至二倍額定電壓以上，后果往往是電容器的絕緣強度遭到嚴重的沖擊乃至損壞。因此，在采用真空斷路器作為頻繁投切電容器組的開關設備時，必須加裝氧化鋅避雷器作為過電壓的保護措施。另外，用于雷電過電壓保護的閥式避雷器，不允許作為電容器組的過電壓保護來使用。
原因是閥式避雷器的放電間隙在被雷電過電壓擊穿時，工頻續流僅僅維持半個周期的時間，當T頻電壓過零點時，間隙絕緣迅速恢復原狀，此電氣特性對防止大氣過電壓是適宜的，但如果把該類型的避雷器用于電容器組上，在半個周期內，電容兩端的電壓并無多大程度的下降，放電間隙的放電電流必然會阻止放電間隙絕緣的重新恢復，將可能造成避雷器爆炸的嚴重后果。目前，國內外很多單位的運行經驗和試驗分析證明，氧化鋅避雷器在防止電容器組過電壓保護方面性能突出，但仍應注意以下幾點：①氧化鋅避雷器的選擇和安裝，應根據其連接方式、可能出現的過電壓倍數、電容器的容量及校驗涌流容量而定;②lOkV電壓等級的并補裝置，氧化鋅避雷器一般應接在“相一地”之間，這種接線對避雷器的特性要求較高，比如當發生一相接地故障時，非故障相的兩個避雷器必須經得起三相電容器積蓄的過電壓沖擊，相間過電壓的保護水平不得不受制于兩個避雷器對地殘壓的代數和等，這是該接線方式的不足之處。
五 熔斷器在高壓并聯電容器組上的應用
目前，國內外廣泛采用電容器單臺熔絲，即對每臺電容器均裝有單獨的熔斷器，用以防止電容器內部擊穿、短路可能引起的油箱爆炸事故，同時也使鄰近電容器免受波及。單臺電容器發生故障時，熔絲的快速熔斷，可避免總開關的無選擇性跳閘，保證電容器組運行的可靠性、無功功率輸出的連續性和系統運行電壓的穩定性。熔絲保護結構簡單、安全便捷、故障反應迅速、標志明顯、易發現故障準確位置，因此得到廣泛應用。目前熔絲保護常采用噴出式和限流式兩種：①噴出式熔斷器結構簡單、價格低廉，在故障發生時，消弧管內部受電弧的強烈作用分解，釋放特殊氣體以強力吹熄電弧，同時靠自身彈力把電弧拉長，增大弧阻，以加速熄弧，它對單臺電容器的保護回路較為適宜，但其極限開斷容量較小，因此當電容器容量大于開斷容量時，必須考慮加裝各種限流措施;②限流式熔斷器的熔絲熔斷后，消弧管內的石英砂受到來自電弧的強烈作用，立即產生很大弧組的絕緣，以迅速滅弧，具有熄滅較大電弧的能力，但其結構較為復雜，而且價格較貴。
六 總結
故在熔斷器的具體選擇應用中，應從技術和經濟兩個方面平衡考慮，根據具體情況選擇。
并聯電容器組配套裝置及應用技術和高壓并聯電容器的過電壓及防護技術
高壓并聯電容器的過電壓及防護技術
電網中裝設高壓并聯電容器以改善功率因數，維持運行電壓，提高輸變電設備輸送容量和降低線路損耗。但如運行電壓過高，會危及設備和安全運行。有多種因素引起穩態電壓升高，下面將進行分析。
1 穩態電壓的升高
(1) 電容器裝置接入電網后引起電網電壓升高。設升高的系數為K1，其值按下面方法計算：
ΔU≈UZM.Qc/Sd
K1=(UCG+ΔU)/UCG
ΔU為電壓升高值(kV)；Uzm為電容器裝置未投入時母線電壓(kV)；Qc為接入母線的電容器總容量(Mvar)；Sd為電容器裝置安裝處母線短路容量(MVA)；UCG為電容器正常工作電壓。
例如某220 kV變電站，10 kV母線短路容量350 MVA，每組串聯600 kvar，6%電抗器1臺，裝4組電容器，每組7 800 kvar,則：
(2) 電容器組接入電抗器后，電容器端電壓升高。設升高的系數為K2，其值按下面方法計算。
三相電容器回路一般不存在偶次諧波，由于電源變壓器有一側為三角形結線，三次諧波在這個低阻抗線圈中循環流動，不流入電網，只要電容器母線上沒有諧波源，很少有三次諧波，電容器組投入運行后應測試一下以便驗證。
電容器組串聯電抗器可消除諧振、改善諧波電壓、降低合閘涌流。電容器的選擇主要是對占份量最大的5次諧波，設經串聯電抗器后恰能消諧，即
5ωL-1/(5ωC)=0
解得感、容阻抗比為
XL=ωL=1/(52ωC)=0.04Xc。
為了在所有高次諧波出現時，串聯電抗器應足以消諧，使感抗值大于容抗值，可引用可靠系數1.5，則XL=1.5×0.04X?C=0.06Xc。
電容器端子上電壓：
即K2=U?C/U=1.064U/U=1.064,電容器端子上電壓高出母線電壓6.4%。
(3) 電容器組如不裝串聯電抗器，則諧波引起電容器端子電壓升高的系數為K3，計算式可從傅里葉級數得知，非正弦電壓有效值計算如下：
式中 U1為基波電壓分量的有效值；UM為第M次諧波電壓分量的有效值。
設U1的數值等于額定電壓UN，5次諧波電壓U?5的數值為26.45%U?N。那么
(4) 電容器組相間電容差值引起過電壓的系數K?4可按下面的分析計算。
中性點不接地的星形結線電容器組由于三相電容不平衡引起中性點位移，使電壓升高。為此應盡量縮小差值，在安裝前，應抄錄每臺電容器電容量并編號，將其分成電容量差不大于5%的三個組。對于單星形或雙星形的電容器組，每組如有兩個臂，應使對應臂電容接近相等。經仔細操作可以做到三相電容差值小于2%。此時
K4=1+ΔC/(3C+ΔC)=0.05C/(3C+0.05C)+1=1+0.05/(3+0.05)=1.016
式中 C為每相電容值；ΔC為相電容差值。
(5) 并聯電容器組在運行過程中，由于電容器內部故障被熔斷切除后，故障段中剩余的健全電容器端子所承受電壓也將升高。設升高的系數為K5，可按下面分析計算。
電容器組無論采用三角形結線或星形結線，每相都可以由一段或多段電容器串聯為相當的電壓等級，各段又由若干臺電容器并聯，組成所需容量的電容器組。例如35 kV系統可用兩段10.5 kV的電容器串聯后，接成星形；66 kV系統可用兩段19 kV的電容器或三段12.7 kV的電容器串聯后接成星形。
電容器使用臺數應大于允許使用的最小并聯臺數，最小并聯臺數的計算公式見表1。不同安全系數K時，應小于最大并聯臺數。每段中電容器最大并聯臺數M?max見表2。
故障段健全電容器端子上承受的工頻過電壓計算公式見表1。例如某220 kV變電站裝設4組每組
表1 升壓系數K5及最小并聯臺數的計算公式表
| 并聯電容器組接線方式 | 故障段健全電容器端子上承受的 工頻過電壓系數K5=UGD/U?CG |
最小并聯臺數 Mmin的計算公式 |
當K=1時的最小并聯臺數 | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
|
三角形及中性點接地星形接線 |
MN/［MN-P(N-1)］ | ≥11(N-1)/3N(11-10K) | 1 | 6 | 8 | 9 | 9 |
| 采用三倍零序電壓及電壓差動保護的中性點不接地單星形接線和采用中性點不平衡電壓保護的中性點不接地單星形接線 | 3MN/［3MN-P(3N-2)］ | ≥11(3N-2)/3N(11-10K) | 4 | 8 | 9 | 10 | 10 |
| 采用橋式差電流保護的中性點不接地單星形接線 | 3MN/［3MN-2P(3N-4)］ | ≥11(6N-8)/3N(11-10K) | – | 8 | – | 15 | – |
| 采用中性點不平衡電流保護的中性點不接地雙星形接線 | 6MN/［6MN-P(6N-5)］ | ≥11(6N-5)/6N(11-10K) | 2 | 7 | 8 | 9 | |
注：UGD為故障段中健全電容器端子上承受的電壓；
M為每個串聯段中電容器的并聯臺數；
P為串聯段中切除故障電容器臺數；
UCG為電容器正常工作電壓；
N為串聯段數；
K為安全系數，可取0.5～0.75。
表2 不同K時，每段電容器的最大并聯臺數
| 額定容量 /kF |
額定電壓 /kV |
不同K時的Mmax | |
| 0.75 | 0.5 | ||
| 25 | 113 | 114 | 76 |
| 10.5 | 114 | 76 | |
| 100 | 113 | 29 | 19 |
| 10.5 | 29 | 19 | |
| 300 | 113 | 10 | 7 |
| 10.5 | 9 | 6 | |
7 800 kvar電容器，采用中性點不平衡電流保護的中性點不接地雙星形結線。此時M=13,N=1,P=1,過電壓系數為K5，查表知
K5=6MN/［6MN-P．(6N-5)］=6×13×1/［6×13×1-1×(6×1-5)］=1.013(每組)。
此外，系統電壓的調整，可根據需要投切電容器或用計算機控制有載調壓變壓器的分節開關，由于操作時間短，規程規定為1.15Ue。對輕負荷時電壓升高，規程也另有規定，即不超過1.2～1.3Ue，此值超過過電保護定值，可以自動切除部分或全部電容器。故輕負荷電壓升高也不在穩態過電壓計算值內。
上述各項綜合過電壓系數K=K1．K2．K3．K4．K5，如電容器組有串聯電抗則K3=1。
從以上計算得
K=K1．K2．K3．K4．K5=1.089×1.064×1×1.016×1.013=1.19>1.1
稍微超過標準，為努力降低三相電容差值，求得合乎規程，盡量選擇11 kV或12 kV代替10.5 kV，6.6 kV代替6.3 kV。
2 電容器組過電壓及避雷器
2.1 電弧重燃過電壓
開關分閘過程中，會形成電弧重燃過電壓。設開關在電壓最大值，電流過零時電弧熄滅，電容器處于充電狀態，其電壓保持在系統電壓的最高值。此時開關觸頭間的電壓，一側為電容器電壓，另一側為電源電壓，電源變為負的最大值時，觸頭間的電壓為電源電壓的2倍。假如開關彈跳或分閘速度慢且滅弧性能不好，開關弧隙絕緣恢復的速度低于恢復電壓增長的速度，則開關弧隙將被擊穿，這時形成電弧重燃，它的過電壓可達額定值的4.5～5倍。
2.2 避雷器的選擇
只要電源不是架空線路引入，保護電容器的避雷器最好采用氧化鋅避雷器。因為普通閥型避雷器在過電壓值低于避雷器的放電電壓時，沖擊過電壓使電容器充電。直到過電壓值達到避雷器的放電電壓時，閥型避雷器的間隙被擊穿，這時電容器將對避雷器放電。由于電容器與避雷器間阻抗很低，雷電流和電容器放電電流的綜合值很大，有可能損壞電容器和避雷器，故一般避雷器不能滿足電容器的要求。目前多采用具有殘壓低、通流大、時間響應快、能連續動作、壽命又長的氧化鋅避雷器。
2.3 電容器組斷開時的過電壓及避雷器的配置
投入電容器組產生的合閘過電壓一般不大于額定電壓的2倍，沒有分閘時大，按后者考慮即能滿足共同要求。下面分析避雷器的幾種接線情況。
(1) 避雷器接在相—地間，如圖1所示，接法簡單，使用率高，但某種情況下滿足不了絕緣配合的要求。例如電弧重燃產生高頻電流，設A相重燃，A相電源經A相電容和中性點電容C?N接通形成振蕩回路，出現過電壓。由于中性點電容遠較主電容C為小，則C?N阻抗大分壓也大，過電壓將出現在中性點電容C?N上，其值可達定值的4.5倍。為此需要在中性點處配置氧化鋅避雷器。如果發生一相接地，接地相電容器將承受對地過電壓值的2/3。比健全相上的電容器過電壓高得多，超過過電壓倍數不超過2倍的要求。再者是兩相保護元件殘壓之和，起不到限制相間過電壓的作用。
圖1 避雷器相—地間接線圖
(2) 避雷器接在相—中—地間，如圖2所示。其特點是保護元件直接并接在電容器極間，各相電容器過電壓由各自并聯的保護避雷器來限制，保護配合直接，不受其它因素影響。而且對串聯電抗器上的過電壓也可以起到限制作用。這種接線的兩中性點的連接線要求對地絕緣，否則電容器組變成中性點接地系統。串聯電抗接在電容器與避雷器之間。
(3) 三角形接法的電容器組的避雷器接法采用4臺避雷器(如圖3)。
圖2 避雷器相—中—地接線圖
圖3 三角形接法的電容器組的避雷器接法
并聯電容器組配套裝置及應用技術和高壓并聯電容器的過電壓及防護技術
