高壓并聯(lián)電容器的過電壓及避雷防護(hù)措施介紹

表2　不同K時(shí)，每段電容器的最大并聯(lián)臺(tái)數(shù)

　　 此外，系統(tǒng)電壓的調(diào)整，可根據(jù)需要投切電容器或用計(jì)算機(jī)控制有載調(diào)壓變壓器的分節(jié)開關(guān)，由于操作時(shí)間短，規(guī)程規(guī)定為1.15Ue。對(duì)輕負(fù)荷時(shí)電壓升高，規(guī)程也另有規(guī)定，即不超過1.2～1.3Ue，此值超過過電保護(hù)定值，可以自動(dòng)切除部分或全部電容器。故輕負(fù)荷電壓升高也不在穩(wěn)態(tài)過電壓計(jì)算值內(nèi)。
　　上述各項(xiàng)綜合過電壓系數(shù)K=K1．K2．K3．K4．K5，如電容器組有串聯(lián)電抗則K3=1。
　　從以上計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，為努力降低三相電容差值，求得合乎規(guī)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(guān)分閘過程中，會(huì)形成電弧重燃過電壓。設(shè)開關(guān)在電壓最大值，電流過零時(shí)電弧熄滅，電容器處于充電狀態(tài)，其電壓保持在系統(tǒng)電壓的最高值。此時(shí)開關(guān)觸頭間的電壓，一側(cè)為電容器電壓，另一側(cè)為電源電壓，電源變?yōu)樨?fù)的最大值時(shí)，觸頭間的電壓為電源電壓的2倍。假如開關(guān)彈跳或分閘速度慢且滅弧性能不好，開關(guān)弧隙絕緣恢復(fù)的速度低于恢復(fù)電壓增長(zhǎng)的速度，則開關(guān)弧隙將被擊穿，這時(shí)形成電弧重燃，它的過電壓可達(dá)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(hù)電容器的避雷器最好采用氧化鋅避雷器。因?yàn)槠胀ㄩy型避雷器在過電壓值低于避雷器的放電電壓時(shí)，沖擊過電壓使電容器充電。直到過電壓值達(dá)到避雷器的放電電壓時(shí)，閥型避雷器的間隙被擊穿，這時(shí)電容器將對(duì)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(shí)間響應(yīng)快、能連續(xù)動(dòng)作、壽命又長(zhǎng)的氧化鋅避雷器。
2.3　電容器組斷開時(shí)的過電壓及避雷器的配置
　　投入電容器組產(chǎn)生的合閘過電壓一般不大于額定電壓的2倍，沒有分閘時(shí)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(jiǎn)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(chǎn)生高頻電流，設(shè)A相重燃，A相電源經(jīng)A相電容和中性點(diǎn)電容CN接通形成振蕩回路，出現(xiàn)過電壓。由于中性點(diǎn)電容遠(yuǎn)較主電容C為小，則CN阻抗大分壓也大，過電壓將出現(xiàn)在中性點(diǎn)電容CN上，其值可達(dá)定值的4.5倍。為此需要在中性點(diǎn)處配置氧化鋅避雷器。如果發(fā)生一相接地，接地相電容器將承受對(duì)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(shù)不超過2倍的要求。再者是兩相保護(hù)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(diǎn)是保護(hù)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(lián)的保護(hù)避雷器來限制，保護(hù)配合直接，不受其它因素影響。而且對(duì)串聯(lián)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(diǎn)的連接線要求對(duì)地絕緣，否則電容器組變成中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。串聯(lián)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(tái)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

　　(2) 電容器組接入電抗器后，電容器端電壓升高。設(shè)升高的系數(shù)為K2，其值按下面方法計(jì)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(cè)為三角形結(jié)線，三次諧波在這個(gè)低阻抗線圈中循環(huán)流動(dòng)，不流入電網(wǎng)，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(yùn)行后應(yīng)測(cè)試一下以便驗(yàn)證。
　　電容器組串聯(lián)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(duì)占份量最大的5次諧波，設(shè)經(jīng)串聯(lián)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(xiàn)時(shí)，串聯(lián)電抗器應(yīng)足以消諧，使感抗值大于容抗值，可引用可靠系數(shù)1.5，則XL=1.5×0.04XC=0.06Xc。
　　電容器端子上電壓：

　　即K2=UC/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(lián)電抗器，則諧波引起電容器端子電壓升高的系數(shù)為K3，計(jì)算式可從傅里葉級(jí)數(shù)得知，非正弦電壓有效值計(jì)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(shè)U1的數(shù)值等于額定電壓UN，5次諧波電壓U5的數(shù)值為26.45%UN。那么

　　(4) 電容器組相間電容差值引起過電壓的系數(shù)K4可按下面的分析計(jì)算。
　　中性點(diǎn)不接地的星形結(jié)線電容器組由于三相電容不平衡引起中性點(diǎn)位移，使電壓升高。為此應(yīng)盡量縮小差值，在安裝前，應(yīng)抄錄每臺(tái)電容器電容量并編號(hào)，將其分成電容量差不大于5%的三個(gè)組。對(duì)于單星形或雙星形的電容器組，每組如有兩個(gè)臂，應(yīng)使對(duì)應(yīng)臂電容接近相等。經(jīng)仔細(xì)操作可以做到三相電容差值小于2%。此時(shí)
　　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(lián)電容器組在運(yùn)行過程中，由于電容器內(nèi)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(shè)升高的系數(shù)為K5，可按下面分析計(jì)算。
　　電容器組無論采用三角形結(jié)線或星形結(jié)線，每相都可以由一段或多段電容器串聯(lián)為相當(dāng)?shù)碾妷旱燃?jí)，各段又由若干臺(tái)電容器并聯(lián)，組成所需容量的電容器組。例如35 kV系統(tǒng)可用兩段10.5 kV的電容器串聯(lián)后，接成星形；66 kV系統(tǒng)可用兩段19 kV的電容器或三段12.7 kV的電容器串聯(lián)后接成星形。
　　電容器使用臺(tái)數(shù)應(yīng)大于允許使用的最小并聯(lián)臺(tái)數(shù)，最小并聯(lián)臺(tái)數(shù)的計(jì)算公式見表1。不同安全系數(shù)K時(shí)，應(yīng)小于最大并聯(lián)臺(tái)數(shù)。每段中電容器最大并聯(lián)臺(tái)數(shù)Mmax見表2。
　　故障段健全電容器端子上承受的工頻過電壓計(jì)算公式見表1。例如某220 kV變電站裝設(shè)4組每組

表1　升壓系數(shù)K5及最小并聯(lián)臺(tái)數(shù)的計(jì)算公式表