一起10 kV开关柜异常声音的原因分析及解决方案

侯建强

(酒钢集团能源中心动力分厂，甘肃嘉峪关 735100)

1 问题的提出

某开关站运行人员点检时发现10 kV 某一开路开关柜有异常声音，经分析确认异常声音为开关柜母线室产生，若异常声音不及时消除将对供电设备的安全运行带来隐患。通过对该问题发生的原因进行总结和分类，提出了具体的解决措施和方案，减少此问题对正常运行设备的影响。

2 原因分析

经观察和分析异常声音为高压开关柜内发出的短促鸣笛声，调整系统无功补偿装置运行方式，在退出10 kV 母线段无功补偿装置后，该开关柜异常声音消除。经测试确认，该10 kV 开关柜异常声音是由于无功补偿装置投入运行后系统内高次谐波超标，系统发生并联谐振，造成开关柜发生异常声响。

2.1 10 kV电容器组串联电抗器电抗率计算及原因分析

现场10 kV电容器参数如下：

单只电容：7.92-8.04 μF

单只容量：100 kVar

电抗器型号：CKDK

额定电流：250 A

额定电感：200 μH

电抗率具体计算如下：

电抗率k=每相感抗÷每相容抗，即k=XL/XC；

将感抗XL，容抗XC代入上式，电抗率k=XL/XC=0.11%。

按照国标关于限制合闸涌流的具体规定和要求，成套整流电容器和绕组的额定涌流在输出额定电流的20倍以内，计算公式为：

式中：λ—涌流合闸量是涌流的流量倍数；

XC—合闸回路中容抗；

XL—合闸回路中感抗。

从式中我们可以看出λ≤20 就可以完全满足要求，根据合闸涌流电抗率的计算公式k=XL/XC，按照公式λ=20 计算得出电抗率k 为0.3%(0.28%)。从计算结果可以看出，目前该开关站10 kV 串联电容器组件中所配置的串联电抗器的合闸涌流电抗率偏小，这对于合闸涌流的限制和作用并不明显。

根据计算，该开关站电容器投运前所配置的开路电抗器高次谐波电抗率为0.1%～1.0%，主要是为了有效限制电容器的合闸涌流，不能抑制电容器的高次谐波。通过对该开关站10kV 配出负荷电流的谐波含量进行检测试验，该开关站电容器投入运行后，电压总畸变率有所降低，但流入电容器系统的13次、23次、25次等均有高次谐波开路电流的放大，特别要注意的是13 次谐波开路电流的放大尤为突出和明显。该电容器投运前，13 次谐波含量为1.01%；电容器投运后，13 次谐波含量为13.31%，放大13倍。

由此，经分析认为该开关站的电容器连续运行后，并联负载谐波的发生频率达到滤波峰值，与投入电容器系统的同相感性开关电容器并联负载就会发生非线性的并联滤波谐振或近似并联谐振，高次谐波电流放大，造成高次谐波带来异常声响。

2.2 10 kV 电容器投入运行后，谐波电流放大数据分析

电容器投入运行前，系统谐波阻抗Zsn=Rsn+jXsn，

式中：Rsn—系统的n次谐波电阻；

Xsn—n次谐波电抗；

Xsn=nXs，Xs—工频电抗。

电容器投入高频电路系统正常运行后，设并联高频电容器基波电抗为Xn，n 次谐波等效高频电抗为Xsn，系统的并联电容器投入n 次直流谐波等效高频电路基波阻抗平均值Z’sn=-jXcnZsn/Rsn+j(Xsn-Xcn)。

由上式可以看出，电容器投入运行后系统的谐波阻抗随系统的谐波频率发生变化，既可以为感性也可以为容性，并且当系统的谐波频率达到某一特定值时，并联电容器会与系统发生并联谐振，使等效谐波阻抗达到最大值。

如果系统的谐波输出电流为通过n次输入的谐波输出电流，Isn为通过10 kV 该母线配出的开路电容器进入系统的电流为谐波输出电流，Icn进入开路电容器的Isn为谐波源输出电流，根据以下计算公式：

当Xsn=Xcn时，并联电容器与系统阻抗发生并联谐振，由于Rsn<< Xsn，Rsn<< Xcn，此时Isn、Icn均远大于In，所以进入电网高次谐波电流放大。

3 治理措施和解决方案

根据以上原因分析，提出以下两种解决方案。

方案一：将该开关站10 kV 电容器组三相分别减少1 只，打破并联电容器与系统感性负载发生并联谐振的平衡条件，避免因发生谐振造成谐波电流放大的现象。

具体分析如下：

经现场确认，该开关站10 kV 电容器组总容量为2100 kVar，共21只，每相7只并联在一起，单只电容：7.92～8.04 μF(每相总共电容56 μF)，单只容量：100 kVar。

并联电容器与一个系统感抗电容器发生三相并联谐振的一个基本条件是：当一个并联电容器感性负载n 次的谐波容抗与一个系统感性负载n 次电容器的谐波感抗频率完全相等时，即XLn=Xcn时。因此我们可以考虑将10 kV 并联电容器的三相电容分别减少1 只，使得并联谐振的电容器每相总电容减少，容抗增加(Xc=1/ωc)。从而使XLn与系统感抗Xcn不完全相等，打破并联电容器与一个系统感性电容器负载在13 次的谐波感抗频率上同时发生并联谐振的条件。

相关参数分析：

每相电容器减少1 只后，解决电容器所能承受额定电压的问题。因采用了星形并联接线，电容器每相额定承受的电压为11/=6.35 kV。因此，每相电容器减少1 只后，单只解决了电容器所能承受的额定电压不变。

每相减少1只后，单只电容器承受电流的问题。每相减少1台后，单只电容器承受的电流轻微增加，对电容器运行工况影响不大。

每相减少1只后，并联电容器每相总电容减少，容抗增加，电抗率减小(k=XL/XC)，影响限制合闸涌流的效果，但仅仅对于电容器本身，合闸涌流要求是小于100 倍额定电流。所以，当每相减少1 只时，装置的涌流比例上升，但涌流绝对值没有上升，因此，电容器的合闸涌流仍然在100倍范围内。

方案二：对10 kV 并联电容器的电抗器进行改造，更换为电抗率为5%的电抗器，有效限制并联合闸涌流和抑制高次谐波，彻底解决并联合闸电容器对于高次谐波合闸电流放大的问题。

4 结论

经讨论对两种解决方案进行分析对比，采用了方案二，对电容器配置的高次谐波电抗器进行重新配置，更换了频率为谐波电抗率5%的电抗器，解决了电容器对高次谐波电流连续放大的稳定性问题。实施后从根本上解决了系统内高次谐波放大电流的稳定性问题，异常声音也得以彻底消除。针对上述问题，对无功补偿设备的选型和使用首先应该结合系统负荷的性质，其次加强对系统内无功补偿器装置的投退管理，尽量杜绝无功功率倒送。