淺析變電站并聯(lián)電容器開斷短路電流過電壓

郭建峰

摘 要：本文介紹了在變壓器中性點(diǎn)不接地的中壓側(cè)或低壓側(cè)母線上裝設(shè)并聯(lián)電容器組時(shí)，當(dāng)中壓側(cè)或低壓側(cè)的斷路器開斷短路電流時(shí)可能產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象。這時(shí)產(chǎn)生的相對地和相間過電壓有時(shí)可能超過變電站絕緣所能承受的水平。在變電站內(nèi)裝設(shè)并聯(lián)電容器以改善功率因數(shù)時(shí)要考慮這個(gè)問題。通過對哈爾濱供電公司所管轄的變電站中，66kV或10kV母線上裝設(shè)電容器組后，若66kV或10kV線路發(fā)生故障，線路斷路器開斷短路故障時(shí)現(xiàn)象的研究，提出了控制過電壓的三個(gè)方案；并探究了架空線路近區(qū)發(fā)生三相短路時(shí)，斷路器在臨界條件下運(yùn)行的概率。

關(guān)鍵詞：裝有電容器；變電站；開斷短路電流；過電壓

中圖分類號：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

由于最近幾年變電器中壓側(cè)及低壓側(cè)電網(wǎng)的發(fā)展速度很快，使變電器中壓側(cè)及低壓側(cè)電網(wǎng)的短路容量不斷增加，因此，有必要研究變電器中壓側(cè)及低壓側(cè)電網(wǎng)各部件的運(yùn)行情況，特別是與并聯(lián)電容器組的關(guān)系，以及變壓器中壓側(cè)及低壓側(cè)斷路器工況。

變壓器中性點(diǎn)不接地的中壓側(cè)電壓等級一般為：110kV、66kV，低壓側(cè)電壓等級一般為：35 kV、20 kV、10kV。中壓側(cè)、低壓側(cè)有不同的電壓等級，是取決于經(jīng)濟(jì)上的考慮，并且隨不同地區(qū)、不同電網(wǎng)而異。

截止到2014年，哈爾濱供電公司已在所管轄的98座變電站的66kV或10kV母線上裝設(shè)87組（臺）電容器， 其中66kV45組，10kV42臺。220 kV變電站一般為兩臺主變各帶66kV和10kV一段母線，每條母線上裝設(shè)一組（臺）并聯(lián)電容器，當(dāng)一臺主變退出運(yùn)行時(shí)，另一臺主變帶出兩條母線，若此時(shí)66kV或10kV線路發(fā)生故障，線路的斷路器在母線上帶有兩組電容器的情況下開斷短路電流時(shí)，變電站的布置和變壓器的選擇要考慮電網(wǎng)短路電流的要求。

變電站的66kV或10kV線路采用光纖縱差、距離、過流保護(hù)，常規(guī)或檢無壓、檢同期重合閘。66kV并聯(lián)電容器采用單相每臺334kV的電容器，接成星形電容器組；10kV并聯(lián)電容器采用油浸集合式。電容器組的容量一般約為變壓器銘牌容量的20～25%，即當(dāng)變電器的容量為16MVA或25MVA時(shí)，選用電容器組的容量應(yīng)分別為3600kV或5400kV。研究變電站的中壓側(cè)或低壓側(cè)線路斷路器的運(yùn)行情況，要考慮上述電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式。

1 母線接有并聯(lián)電容器組時(shí)線路斷路器開斷短路

裝有電容器的變電站，斷路器在動(dòng)作中出現(xiàn)的問題既與電容器組的充放電有關(guān)，又與斷路器開斷的短路電流有關(guān)。開斷電容電流的問題在現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中已予以考慮，本文不過多研究。然而開斷短路電流引起的異?，F(xiàn)象卻是值得注意的。

在大多數(shù)情況下，大電容與電弧并聯(lián)時(shí)，因?yàn)榻档土藭簯B(tài)恢復(fù)電壓上升的速率，所以斷路器負(fù)擔(dān)更輕些。但暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值若過高就容易發(fā)生重燃。雖然暫態(tài)恢復(fù)電壓上升速率降低到一定程度可以在電流第一次過零時(shí)切斷電弧，但通常做不到這一點(diǎn)。如觸頭間的距離、滅弧介質(zhì)的狀態(tài)耐受不了繼續(xù)上升的電壓，就會發(fā)生重燃。

當(dāng)電容器向與斷路器相連接的回路電抗放電時(shí)，會產(chǎn)生幾千Hz的振蕩電流，該振蕩電流將疊加在斷路器通過的工頻短路電流上。電容器組的電容值高，而與斷路器相連的電抗值低時(shí)，往往使放電電流初始峰值很高，可能達(dá)到或者超過斷路器的額定關(guān)合容量。斷路器內(nèi)通過的電流在恢復(fù)到50Hz之前多次過零，如斷路器繼續(xù)拉開，當(dāng)電流主要是50Hz的工頻成份時(shí)，在某一個(gè)過零的時(shí)刻才能將電流斷開。而貯存于電源側(cè)電路內(nèi)的電磁能將傳送到電容器，并造成電壓升高。過電壓的數(shù)值與許多參數(shù)有關(guān)，如：開斷的電流、電容器組的容量，回路的電抗、阻尼作用和決定性的開斷瞬間（在全電流第一次過零開斷，第二次過零開斷及多次過零開斷）還有重燃電壓的幅值，過電壓的最大值發(fā)生于各種最不利條件同時(shí)存在的情況下。

如同單相對地過電壓的起因一樣，在相對相之間也可能發(fā)生過電壓。在實(shí)際電網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)生三相短路并重燃時(shí)，某相首先切斷暫態(tài)電流后，其他兩相工頻短路電流比較容易早期過零滅弧?；ハ喽探拥膬上?，可能在同一時(shí)刻開斷短路電流。當(dāng)他們的極性相反時(shí)，會發(fā)生相間過電壓，其值可達(dá)危險(xiǎn)程度。上述現(xiàn)象可在下述條件下發(fā)生：故障電流較斷路器的銘牌斷流容量低很多，同時(shí)電容器組的容量較大，因此暫態(tài)電流也較大，此時(shí)一旦發(fā)生重燃，電流要經(jīng)過幾個(gè)零點(diǎn)才能恢復(fù)到原來的50Hz。故障電流與斷路器銘牌的斷流容量為同一個(gè)數(shù)量級，在這種條件下運(yùn)行，重燃的概率比較高。

若故障發(fā)生在線路上，產(chǎn)生過電壓的可能性是比較小的。這是因?yàn)椋旱谝?，線路的電壓降使暫態(tài)恢復(fù)電壓的幅值降低，因而降低了重燃的可能性。第二，由于電容器組至故障點(diǎn)之間有線路電抗，所以暫態(tài)電流的頻率和幅值也降低了。因而減少了電流早期過零的概率。電容器組串接一個(gè)幾百微亨的電抗，可以獲得同樣的效果。

當(dāng)暫態(tài)恢復(fù)電壓初始上升速率較高，在電流第一次過零切斷電流的可能性較低時(shí)，用減少涌流值的方法可以獲得一定的效益。此外，還可采用斷路器觸頭的錯(cuò)開閉合或采用避雷器來限制過電壓。

通常，串聯(lián)電抗器可以有效控制高頻瞬態(tài)。方案一：每個(gè)電容器組串聯(lián)一個(gè)電抗器。方案二：母線和電容器回路中加串聯(lián)電抗器。方案三：電抗器用于限制放電涌流，斷路器用于限制充電涌流。充電涌流可以采用帶時(shí)間控制的斷路器，或采用帶合閘電阻或電感的斷路器來控制；而放電涌流可以通過串聯(lián)一個(gè)電抗器來控制。

2 在臨界條件下運(yùn)行的概率

當(dāng)架空線路的近區(qū)發(fā)生三相短路時(shí)，斷路器處于臨界條件。對哈爾濱地區(qū)的輸電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，上述現(xiàn)象出現(xiàn)的概率是不可忽略的。近似的估算平均每臺斷路器每八年發(fā)生一次。這僅考慮三相故障，因?yàn)樽冸娬镜?6kV側(cè)中性點(diǎn)是不接地的，所以電容器組對于相對地故障不發(fā)生作用。另外，當(dāng)發(fā)生兩相之間故障時(shí)，由于兩相斷路器串聯(lián)開斷，上述現(xiàn)象是不會發(fā)生的。實(shí)際電網(wǎng)發(fā)生的過電壓不像標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的那么高。例如：有平行的其它帶有負(fù)荷的線路，就可能使暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值較低。斷路器外部的間隙可以保證安全運(yùn)行，為搞清楚這個(gè)問題，需要研究斷路器裝設(shè)處電網(wǎng)的具體情況。

結(jié)語

經(jīng)驗(yàn)表明，在66kV、10kV母線上裝有電容器的變電站中，斷路器開斷故障電流時(shí)，許多種形式的斷路器都會產(chǎn)生過電壓，仔細(xì)研究斷路器實(shí)際運(yùn)行的條件是很重要的。

參考文獻(xiàn)

[1] Ramasamy Natarajan.電力電容器[M].北 京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.