不接地系统并联电力电容器实际配置分析

苟刚

(攀钢集团西昌钢钒维修中心 四川凉山 615032)

1 前言

随着攀钢电力系统的发展，无功补偿越来越普遍，加之为了消除谐波谐振及限制合闸涌流而增设串联电抗器，使得无功补偿系统的设计选型、参数配置、主接线线方式、过电压保护等越来越重要。由于原来在设计、选型方面存在的问题，导致了诸如电容器、电抗器异响、烧毁等事故的发生，如原攀钢钒炼钢1#、2#变电所电容器组设计上选用了磁通密度过小的串联铁芯电抗器、荷花池变电所电容器组接线方式的不合理(见图1)，使得电容器组无法投运或运行发生故障。本文就整个补偿系统涉及的一些实际问题进行分析，并提出改进的办法，以保证整个无功补偿系统的可靠、安全运行。

图1 荷花池变电所10kV、6kV电容器接线方式图

2 电容器技术参数的选取

2.1 额定电压选取

国标规定，电容器允许在不超过1.10Un工频稳态过电压下长期运行，并允许能在1.15Un下每昼夜运行不超过30分钟。但对于串联电抗器的电容器额定电压的选取必须还要考虑如下因素：

2.1.1 必须考虑现场安装母线的长期工作电压，由于攀钢电网电压普遍偏高，因此必须核算长期加在母线上的实际工作电压。

2.1.2 由于串联了电抗器，容升效应使得电容器上的电压比母线电压有所提高，而电压提高的幅度与电抗器的电抗率有着直接的关系。

电容器额定电压的计算方法(对于工频系统)如下:

UC=IXC

(1)

(2)

由于K=XL/XC,则XL=KXC

(3)

式中：UC—电容器额定电压，kV；

US—系统电压，kV；

K—串联电抗器电抗率,即K=XL/XC;

XL—电抗阻值;

XC—电容阻值。

是否可以为了保护电容器不受损伤，将电容器额定电压提高1个档次呢？由于电容器输出容量是与其运行电压的平方成正比即Q=ωCU2，电容器只能运行在额定电压下才能输出额定容量。如果电容器额定电压选取过大的安全裕度就会出现过大的容量亏损，造成一定的投资浪费，是很不经济的。

因此电容器组额定电压的选取必须兼顾设备安装所在系统的电压情况，也必须同步考虑不同电抗率电抗器对电压的提高作用，在不过度浪费电容器组容量的情况下，适度提高电容器组额定电压。

2.2 额定电流的选取

允许在由于过电压和高次谐波造成的不超过1.30In的电流下长期运行。

3 串联电抗器技术参数的选取

由于近年愈来愈多的采用大功率可控硅整流作为拖动和直流电源，其高次谐波对于系统的影响日益严重，尤其对并联补偿电容器，它可以使电容器过负荷，有的可达好几倍。其原因除谐波在系统感抗和电容器容抗之间引起并联谐振外，在小容量的电容器组中串联谐振或局部的串联谐振也会引起严重的过负荷。这种过负荷随着整流器的负荷而波动，同时也和系统参数、电容器组相对容量及系统连接方式有关。因此，在补偿电容器组回路中串联一组电抗器，其感抗值的选择应使在可能产生的任何谐振下，均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗，从而根本上消除产生谐振的可能。

3.1 额定端电压、额定容量的选取

3.1.1 串联电抗器额定端电压UL

由于UC=XCI，UL=XLI，K=XL/XC

所以UL=UCK

即为：串联电抗器额定端电压UL=并联电容器额定电压×电抗率K；

3.1.2 串联电抗器额定容量SL

串联电抗器额定容量SL=并联电容器额定容量×电抗率K(单相和三相均可按此核算)。

如在10kV系统中，并联电容器额定容量为4800kvar，电抗率为4.5%时：

可得串联电抗器额定端电压、额定容量均与并联电容器的额定电压、额定容量及电抗率有关。

3.2 电抗器型式的选取

对于铁芯电抗器，必须选择磁通密度较低的。由于系统参数及谐波成分的变化，若有选择不当，可能导致在某种情况下铁芯电抗器电抗值的不稳定；因此，为了彻底消除上述影响，防止可能出现的铁磁谐振，采用空心电抗器。

3.3 电抗器电抗率的选择

3.3.1 补偿装置的额定电抗率K即为装置中串联电抗器的感抗与电容器组容抗的比值，即K=XL/XC。

3.3.2 假设在同一母线上有非线形负荷形成谐波电流源时，并联电容器装置的简化模型如图2所示。

图2 电容器装置侧有谐波源时的原理图及简化电路模型

并联谐波阻抗为：

Zn=nXS(nXL-XC/n)/(nXS+nXL-XC/n)

(4)

当式(4)谐波阻抗的分子的数值等于0时，即从谐波源看入的阻抗为0，表示电容器装置与电网在第n次谐波发生串联谐振，可得电容支路的串联谐振点：

(5)

当电网中存在的谐波不可忽视时，则应该考虑使用调谐电抗器，其电抗率可选择得比较大，用以调节并联电路的参数，使电容支路对于各次有威胁性谐波的最低次谐波阻抗成为感性，即：nXL-XC/n>0根据式(5)可得K值应为：

K>1/n2

(6)

根据式(6)可得，对于谐波次数最低为5次的，应有K>4%。这就是说选择大于4%电抗率的电抗器时，可以限制电容器投入时的合闸涌流，而且能够有效防止电容器投入引起的对5次及以上次谐波的放大。

3.4 需要说明的问题

应特别值得注意的是，串联电抗器的参数选取必须根据电容器参数和系统谐波类型进行综合考虑,不能独立开来进行配置，否则将不仅不能达到消除谐波谐振的作用，反而会带来新的问题。

为确保电容器不受损坏而提高电容器额定电压，若要保持电抗率不变，则串联电抗器的额定电压、额定容量就必须按照并联电容器的提高后的额定电压重新进行确定。

若只提高电容器额定电压，其它参数不变，由于XC=Ucn2/Q，随着Ucn提高，XC将增大，K=(XL/XC)也随之减小，对原来可限制的谐波反而有可能起到放大的作用，造成电容器的损坏。

4 并联电容器组的保护

4.1 断路器在关合、开断电容器组时操作过电压的产生

4.1.1 关合电容器组的过电压

关合电容器组的过电压一般较低，在电容器组无残压，当关合又适逢电源电压最大时，电容器组上的最高过电压一般不超过2倍，不会给设备造成危害。但是当电容器组母线正常失压后，母联自投动作而再次带电时，电容器可能因未放完电残存电压而遭受合闸冲击，将造成较高的过电压，引起电容器的损坏。

4.1.2 开断电容器组的过电压[1]

在断路器开断电容器组这种容性负载时，总会有一相率先过零熄弧(例如A相)，此时会有一个接近幅值的相电压残留在电容器两端。由于B、C相电压的存在，中性点出现位移，10毫秒后断路器A相触头的恢复电压可达2.5Uxgm(最高运行相电压幅值)。而此时可能出现B相、C相不能开断的情况。如果C相不能开断，A相恢复电压可达4.1Uxgm。若此时断路器触头发生重燃，相当于一次合闸，使电容器重新获得能量。电压波产生振荡，在电容器端部、极间和中性点上都会出现较高的过电压，过电压幅值会随着重燃次数增加而递增。这种过电压虽然具有明显的随机性，与诸多因素有关，符合正态分布规律。但对电容器组的危害是相当大的。

4.2 过电压的防止措施

4.2.1 选用开断性能优良的真空断路器或SF6断路器，只要开断操作时不发生重燃，将是限制重燃过电压的根本措施。

投切断路器在装置中与电容器同样是最关键部件，对它的选用要特别慎重。因为，如果开关性能存在缺陷(例如，开关关合时触头弹跳时间过长，将可能引起电力系统或设备产生LC高频振荡。开断时发生单相或多相重击穿，将造成电容器组能量的累加导致很高的过电压)，则在投切电容器组过程中所引起的事故，其危害性是最严重的，同时也是最常见的事故。通常操作过电压、过电流会引起电容器损坏，诸如套管断裂、极对壳绝缘击穿、极间部分或全部元件击穿短路，甚至外壳爆裂；外容丝在电容器放电电流的冲击下发生群爆等。

4.2.2 如果开断电容器组时，母线上带有负荷，由于负荷的阻尼作用，将会降低断路器重燃后的初始电压，从而降低过电压幅值。

4.2.3 减少断路器开断时三相的不同期性，将减少中性点的位移电压，从而降低对地过电压。

4.2.4 严禁母线空载时投入大量的补偿装置，造成过补偿过电压的发生，必须要在尽量带有部分有功负荷时投入补偿装置。

4.2.5 将电容器分为若干个小组，分别用断路器进行操作控制。分组的目的主要是为了无功调节和调压的方便，兼顾断路器的开断能力和避雷器的通流能力。

4.2.6 必须装设避雷器保护，是最后一条防线。

电容器的极间10秒工频耐压仅为额定电压的2.15倍，而极对地则高达4.0倍。显然极间绝缘是薄弱环节。但有些工程的避雷器选型和接线方式按图3。

图3 不合理的避雷器保护接线方式

设计，这种避雷器的接线方式存在如下问题：

(1)仅能保护相对地，不能保护相间和极间。

(2)选择常规避雷器，也只能防雷，不能保护操作过电压。

如果采用图4的接线方式，将会有很好的保护效果：

图4 正确合理的避雷器接线图

(1)采用四极特种避雷器，既能保护相间、相对地，还能保护极间和极对地绝缘。

(2)在电容器组相对中性点并接的氧化锌避雷器，能够限制电容器端子残留电荷的过电压，使它低于相对地接线氧化锌避雷器的电压水平，并降低断路器的恢复电压，从而减少多次重燃的可能性。

(3)同时为了限制断路器瞬间恢复电压的中性点对地高频分量，在中性点对地之间加入第四只氧化锌避雷器。

(4)氧化锌避雷器主要参数计算选择

除此之外，避雷器的通流容量要能够吸收电容器组的放电能量。因此，避雷器的通流容量与电容器组的安装容量有关。根据行业标准的规定[2]：对于6kV电压等级，4500kvar及以下和10kV电压等级、7500kvar及以下，避雷器的2000微秒方波通流能力不宜小于900A，35kV电压等级、2000kvar及以下不宜小于700A。而我单位目前大多采用的是400A，远不能满足使用要求。

因此，保护电容器的避雷器选型应为表1。

表1 保护电容器及避雷器选型

5 电容器组接线方式的选择

5.1 电容器组三角形接线和星性接线的比较

目前不接地系统的电容器组接线方式有两种，即三角形接线和星性接线。实践证明：三角形接线的电容器，当一相击穿时，系统供给的短路电流较大甚至超过kA级(不考虑其它完好电容器的放电电流)，尽管此时熔断器可以迅速熔断，但过大的短路电流即使是短时的流过电容器，也会使其中的浸渍剂受热膨胀，迅速气化，极易引起爆炸。

当不同相的电容器同时发生对地击穿时如图5，熔断器即使熔断，故障也不易切除，必将引起事故的扩大。而星性接线电流仅为其额定电流的3倍左右(也不考虑其它完好电容器的放电电流)。因此，宜采用星性接线。

图5 三角形接线短路时的情况

5.2 单星性接线和双星性接线的选择

对于中性点不接地系统，并联电容器组的中性点为全绝缘，其内部接线一般包括单星性和双星性两种方式。对于容量较大的电容器组，内部接线一般以选择双星性接线为好。其主要优点如下：

5.2.1 同样的单组容量，双星性接线的每段并联台数比单星性接线少一倍，因而减少了事故情况，故障段中完好电容器向故障电容器的放电能量，有利于防止故障电容器的外壳暴裂和火灾；

5.2.2 每组双星性接线的电容器组中性线可设置差电流保护；

5.2.3 中性线差电流互感器由于运行电压较低，故障情况下通过差电流互感器的电流值也较小，运行可靠性较高。

5.2.4 双星性框架式电容器组的布置较为清晰，引线比单星性接线方式少，且单星性接线时每相电压互感器均需高压引线，双星性接线所需的支柱绝缘子的数量相对较少，减少了绝缘事故点。

6 电压互感器(兼作放电线圈)的接线方式

6.1 电容器组放电的原因

电容器组放电不仅仅是为保护运行和维修人员的安全，还有更为重要的原因：当电容器投入网络后，其两端处于储能状态，当其从网络中开断后，两极上储有一定的电荷，该电荷使电容器的极板上保持一定的残压。如果电容器在带电情况下再次投入运行，有可能产生很大的合闸涌流和很高的过电压，甚至会导致电容器的击穿。

6.2 电压互感器对电容器线电压的监测

串联有电抗器的电容器组，不同于直接接在母线上的电容器组，监测和保护用电压可直接采集母线PT，其放电线圈(电压互感器)接在什么位置，怎么接，对电容器组的保护有一定关系。若将电压互感器安装在断路器与电抗器(电容器)之间。在运行中由于电抗器的容升效应和系统出现过电压使电容器端电压超过1.1倍额定电压时，放电线圈二次电压达不到1.1倍的额定电压，过电压保护不动作，电容器在过电压的情况下运行，易造成电容器的损坏。因此，对于带串联电抗器的电容器，电压互感器应接在紧靠电容器一侧，直接监测电容器的电压，一旦出现过电压，将直接反映到保护上或表计上。

6.3 电压互感器对电容器组相电压的监测

目前，6-35kV系统电容器多接为星形(单、双星性)不接地线方式。如果电压互感器中性点直接接地，只能对三相整体过电压有反应。当某个电容器出现内部故障、板间短路或击穿后，各相电容器组间的线电压依然保持不变，但相电压却因中性点位移发生了变化。因此过电压保护还应考虑由于电容器内部元件故障、板间短路或击穿等引起分布在其他电容器上的电压升高并超过运行允许值这一异常情况。若将电压互感器中性点不是直接接地而是与电容器组中性点连接，将同时监测电容器组的线电压和相电压，对电容器组起到很好的保护作用。

6.4 应注意的问题

1)在电网正常情况下，三相电容器组电容量平衡，电压互感器中性点与电容器组中性点连线电压是一个很小的数值。但当电容器内部发生击穿、损坏，造成三相电容量不平衡或系统出现短路故障，中性点电位发生偏移时，其中性线的电压就会增大。因此，中性点连线应选取高压电缆或通过绝缘瓷瓶支撑以保证对地电压，同时，电压互感器中性点套管应与端部套管绝缘强度一致，以免造成中性点套管的击穿。

2)上述接线另一个作用是：当电容器组退出运行后，并接于电容器两端互感器线圈能使极板两极进行放电。

3)接地刀闸的安装

为了保证维护、检修人员的安全，在电容器组停止运行后，还必须将电容器组相对地、极间、极板两端可靠接地。

7 结论

在不接地系统中,为确保有串联电抗器的电容器补偿装置安全可靠运行，电抗器额定端电压、额定容量、电抗率的选取须同电容器组的额定电压、容量的选取进行综合分析考虑，统一配置，并保证电感值的稳定,避免配合不当造成电容器较大的容量亏损和对要限制的谐波的放大。根据电容器组容量的大小，合理选择接线方式。监测(保护)用电压互感器(兼作放电线圈)的接线方式须利于对电容器组的准确监测和保护。氧化锌避雷器的型号,要确保在系统出现单相弧光接地过电压时或开断电容器组时有足够的热稳定及对电容器的全面保护。合理的接线方式如图6、图7。

图6 单星型接线方式图

图7 双星型接线方式图