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[摘 要] 文章介绍了电容器组的接线及原理和电容器组过电压的类型,重点阐述了消除铁磁谐振过电压的方法。
[关键词] 电容器组 铁磁谐振
On the Influence of the Over-voltage on Capacitor Bank
Liang Haifeng
(Zhongwei Power Supply Bureau,Zhongwei 755000Ningxia)
Abstract:This paper introduces the wiring of capacitor bank as well as its theory and the types of the over-voltage of capacitor bank, focusing on the methods of elimination of the over-voltage of ferro-resonace.
Key words:capacitor bank ferro-resonace
1.前言
电力电容器的主要作用是为系统提供无功功率,减少线路损耗,改善电压质量,提高设备利用率。近年来,随着电力电容器制造技术的发展,电容器容量的不断增大以及每千乏容量的造价不断降低,电力电容器逐步取代了同步调相机成为一次变电所的无功补偿装置。近几年新投入的220~500KV变电所,大多采用电力电容器作为无功补偿装置。然而,电容器是一个储能元件,本身承受过电压的能力较弱,而电力系统中又经常发生各种暂时的过电压,导致电容器因过电压损坏事故不断发生。
2.电容器组的接线及工作原理
变电所常见的电容器组接线原理图如图1:
L1--放电间隙,一般为同一电压等级的电压互感器,主要作用是为了安全和防止合闸时因剩余电荷产生过电压,而且要求放电间隙能在电容器组脱离电源后,在5S内将电容器上的剩余电荷降至50V以下。
Fu--熔断器,作用是识别出故障的电容器,并将其从运行的电容器组中切除,使故障限制在最小的范围之内,而无故障的电容器继续运行。
F--避雷器,用于限制电容器组的操作过电压,一般为无间隙的氧化锌避雷器。
L--串联电抗器,用作限制充电涌流和谐波电流。一般为空芯干式串联电抗器。
目前,在系统中运行的电力电容器组的接线有两种,即星形接线和三角形接线。在变电所中采用星形接线较多,三角形接线主要用在工厂企业变电所的小容量电容器组。三角形接线可以滤过3倍次谐波电流,利于消除电网中的3倍次谐波电流的影响,三角形接线的缺点是当电容器组发生全击穿短路时,故障点的电流不仅有故障相健全电容器的放电涌流,还有其他两相电容器的放电涌流和系统短路电流。故障电流的能量往往超过电容器油箱能耐受的爆裂能量,因而经常会造成电容器的油箱爆裂,扩大事故。星形接线的优点是当电容器组发生全击穿短路时,故障电流受到健全相容抗的限制。来自系统的工频短路电流将大大降低,最大不超过电容器组额定电流的三倍,并没有其他两相电容器的放电涌流,只有故障相健全电容器的放电电流。故障电流的能量较小,因而故障不易造成电容器的油箱爆裂。在电容器质量相同的情况下,星形接线的电容器组可靠性较高。
3.引起电容器故障的过电压类型及原因
由电容器接线图分析引起电容器故障的原因为
⑴感应过电压和操作过电压
这主要是由于投切电容器组时操作引起的,可以利用金属氧化物避雷器有效地限制由避雷器即可消除,威胁不大。
⑵铁磁谐振过电压
铁磁谐振是电力系统自激振荡的一种形式,是由于变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用引起的持续性、高幅值谐振过电压现象。其主要特点为:
1、谐振回路中铁心电感为非线性的,电感量随电流增大、铁心饱和而下降;
2、铁磁谐振需要一定的激发条件,使电压、电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态。如电源电压暂时升高、系统受到较强烈的电流冲击等;
3、铁磁谐振存在自保持现象。激发因素消失后,铁磁谐振过电压仍然可以继续长期存在;
4、铁磁谐振过电压一般不会非常高,过电压幅值主要取决于铁心电感的饱和程度。
由图1所示,电容器为容性,并联电感元件放电间隙,再串联感性元件电抗器,这些元件在一定的激励条件(如单相接地、甩负荷、重合闸等)很容易与电容器发生铁磁谐振现象。回路参数及外界激发条件的不同,可造成分频、工频、或高频等多种形式的铁磁谐振。当铁磁谐振发生时,由于参与谐振的电感元件(放电间隙或电抗器)的铁心严重饱和,会产生谐振过电压和过电流,可能造成电容器内部单元发生击穿故障。
4.抑制铁磁谐振的方法
⑴研究引起铁磁谐振的外部激发条件,避免这种激发条件的产生。
⑵使电容器C与电抗器L匹配合适,使其ω=1/√LC尽量远离固有频率50HZ。
⑶串联电阻R,串联电阻的大小虽然并不影响串联电路的固有频率,但有控制和调节揩振时电流和电压幅度的作用。
首先,我们将图简化,看一下电C与电抗L的串联谐振,如图2所示
图2串联谐振
由此看出,当发生并联谐振时,电容和放电线圈上的电流无穷大,易烧毁设备。
将原电路图改进为
图4 改进电容器组接线图
由图4可绘出图5
从而使电感达到所需饱和程度。
当回路被激发产生铁磁谐振,即使电源电压又恢复到正常值E,电路工作点将维持在c---d段的a2点,仍保持电感饱和的高UL、高UC的铁磁谐振状态。
串联电阻对于铁磁谐振的影响没有在线性谐振中那么显著,当R2较小,当对回路影响甚微,UL在铁心饱和后变化缓慢,而UC=UL+E。但是R存在使点d上移,当R2大到对应的Ud>E时,也就消除了存在铁磁谐振的可能性。
暂时对L并联联以低于其饱和电抗值的R,可使电感脱离饱和状态而回归原工作点,达到电路脱谐的目的。
5、结束语
本文以上的分析,探讨了电力系统中经常发生各种暂时的过电压对电容器危害,通过对原电路的改进,增加了电阻R1限制过电流和增加了R2限制过电压,使电容器得到有效的保护。
本文介绍的方法已经在实际装置中得到了很好的应用,日常检修中给电容器加装的过电压保护器就是文中电路图改进的R2,但图中R1装置目前还未用到,需继续研究加以应用。
参 考 文 献
[1] 宋继成 220—500KV变电所电所接线设计 北京 中国电力出版社 2004
[2] 刘笙 电气工程基础 北京:科学出版社 2004
[3] 邱关源 电路 北京:高等教育出版社 2004■
[关键词] 电容器组 铁磁谐振
On the Influence of the Over-voltage on Capacitor Bank
Liang Haifeng
(Zhongwei Power Supply Bureau,Zhongwei 755000Ningxia)
Abstract:This paper introduces the wiring of capacitor bank as well as its theory and the types of the over-voltage of capacitor bank, focusing on the methods of elimination of the over-voltage of ferro-resonace.
Key words:capacitor bank ferro-resonace
1.前言
电力电容器的主要作用是为系统提供无功功率,减少线路损耗,改善电压质量,提高设备利用率。近年来,随着电力电容器制造技术的发展,电容器容量的不断增大以及每千乏容量的造价不断降低,电力电容器逐步取代了同步调相机成为一次变电所的无功补偿装置。近几年新投入的220~500KV变电所,大多采用电力电容器作为无功补偿装置。然而,电容器是一个储能元件,本身承受过电压的能力较弱,而电力系统中又经常发生各种暂时的过电压,导致电容器因过电压损坏事故不断发生。
2.电容器组的接线及工作原理
变电所常见的电容器组接线原理图如图1:
L1--放电间隙,一般为同一电压等级的电压互感器,主要作用是为了安全和防止合闸时因剩余电荷产生过电压,而且要求放电间隙能在电容器组脱离电源后,在5S内将电容器上的剩余电荷降至50V以下。
Fu--熔断器,作用是识别出故障的电容器,并将其从运行的电容器组中切除,使故障限制在最小的范围之内,而无故障的电容器继续运行。
F--避雷器,用于限制电容器组的操作过电压,一般为无间隙的氧化锌避雷器。
L--串联电抗器,用作限制充电涌流和谐波电流。一般为空芯干式串联电抗器。
目前,在系统中运行的电力电容器组的接线有两种,即星形接线和三角形接线。在变电所中采用星形接线较多,三角形接线主要用在工厂企业变电所的小容量电容器组。三角形接线可以滤过3倍次谐波电流,利于消除电网中的3倍次谐波电流的影响,三角形接线的缺点是当电容器组发生全击穿短路时,故障点的电流不仅有故障相健全电容器的放电涌流,还有其他两相电容器的放电涌流和系统短路电流。故障电流的能量往往超过电容器油箱能耐受的爆裂能量,因而经常会造成电容器的油箱爆裂,扩大事故。星形接线的优点是当电容器组发生全击穿短路时,故障电流受到健全相容抗的限制。来自系统的工频短路电流将大大降低,最大不超过电容器组额定电流的三倍,并没有其他两相电容器的放电涌流,只有故障相健全电容器的放电电流。故障电流的能量较小,因而故障不易造成电容器的油箱爆裂。在电容器质量相同的情况下,星形接线的电容器组可靠性较高。
3.引起电容器故障的过电压类型及原因
由电容器接线图分析引起电容器故障的原因为
⑴感应过电压和操作过电压
这主要是由于投切电容器组时操作引起的,可以利用金属氧化物避雷器有效地限制由避雷器即可消除,威胁不大。
⑵铁磁谐振过电压
铁磁谐振是电力系统自激振荡的一种形式,是由于变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用引起的持续性、高幅值谐振过电压现象。其主要特点为:
1、谐振回路中铁心电感为非线性的,电感量随电流增大、铁心饱和而下降;
2、铁磁谐振需要一定的激发条件,使电压、电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态。如电源电压暂时升高、系统受到较强烈的电流冲击等;
3、铁磁谐振存在自保持现象。激发因素消失后,铁磁谐振过电压仍然可以继续长期存在;
4、铁磁谐振过电压一般不会非常高,过电压幅值主要取决于铁心电感的饱和程度。
由图1所示,电容器为容性,并联电感元件放电间隙,再串联感性元件电抗器,这些元件在一定的激励条件(如单相接地、甩负荷、重合闸等)很容易与电容器发生铁磁谐振现象。回路参数及外界激发条件的不同,可造成分频、工频、或高频等多种形式的铁磁谐振。当铁磁谐振发生时,由于参与谐振的电感元件(放电间隙或电抗器)的铁心严重饱和,会产生谐振过电压和过电流,可能造成电容器内部单元发生击穿故障。
4.抑制铁磁谐振的方法
⑴研究引起铁磁谐振的外部激发条件,避免这种激发条件的产生。
⑵使电容器C与电抗器L匹配合适,使其ω=1/√LC尽量远离固有频率50HZ。
⑶串联电阻R,串联电阻的大小虽然并不影响串联电路的固有频率,但有控制和调节揩振时电流和电压幅度的作用。
首先,我们将图简化,看一下电C与电抗L的串联谐振,如图2所示
图2串联谐振
由此看出,当发生并联谐振时,电容和放电线圈上的电流无穷大,易烧毁设备。
将原电路图改进为
图4 改进电容器组接线图
由图4可绘出图5
从而使电感达到所需饱和程度。
当回路被激发产生铁磁谐振,即使电源电压又恢复到正常值E,电路工作点将维持在c---d段的a2点,仍保持电感饱和的高UL、高UC的铁磁谐振状态。
串联电阻对于铁磁谐振的影响没有在线性谐振中那么显著,当R2较小,当对回路影响甚微,UL在铁心饱和后变化缓慢,而UC=UL+E。但是R存在使点d上移,当R2大到对应的Ud>E时,也就消除了存在铁磁谐振的可能性。
暂时对L并联联以低于其饱和电抗值的R,可使电感脱离饱和状态而回归原工作点,达到电路脱谐的目的。
5、结束语
本文以上的分析,探讨了电力系统中经常发生各种暂时的过电压对电容器危害,通过对原电路的改进,增加了电阻R1限制过电流和增加了R2限制过电压,使电容器得到有效的保护。
本文介绍的方法已经在实际装置中得到了很好的应用,日常检修中给电容器加装的过电压保护器就是文中电路图改进的R2,但图中R1装置目前还未用到,需继续研究加以应用。
参 考 文 献
[1] 宋继成 220—500KV变电所电所接线设计 北京 中国电力出版社 2004
[2] 刘笙 电气工程基础 北京:科学出版社 2004
[3] 邱关源 电路 北京:高等教育出版社 2004■