并聯(lián)電容器諧波放大引起的10 kV線路斷路器跳閘事故的分析

曾海濤，歐雄堅(jiān)，胡少?gòu)?qiáng)

（1.廣東電網(wǎng)公司肇慶高要供電局，廣東肇慶526100；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640）

并聯(lián)電容器諧波放大引起的10 kV線路斷路器跳閘事故的分析

曾海濤1，歐雄堅(jiān)1，胡少?gòu)?qiáng)2

（1.廣東電網(wǎng)公司肇慶高要供電局，廣東肇慶526100；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640）

針對(duì)某變電站10 kV饋線經(jīng)常發(fā)生跳閘的情況，通過(guò)分析，認(rèn)為其跳閘的原因是由于無(wú)功補(bǔ)償裝置中并聯(lián)電容器組的串聯(lián)電抗器參數(shù)設(shè)置不合理，在電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波作用下，引起了并聯(lián)電容器組的高次諧波電流放大而導(dǎo)致斷路器跳閘，根據(jù)實(shí)際情況提出了解決的方案。

并聯(lián)電容器；諧波放大；串聯(lián)電抗器；斷路器跳閘

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.030

0　引言

隨著電網(wǎng)負(fù)荷的不斷增大，并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置也大量地投入使用，對(duì)提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，改善功率因數(shù)以及降低線路損耗起到良好的作用。然而，在一些含有電鍍、冶煉企業(yè)的地方電網(wǎng)中，因非線性諧波負(fù)荷的存在，導(dǎo)致了電網(wǎng)中的諧波污染日趨嚴(yán)重。由于無(wú)功補(bǔ)償裝置中并聯(lián)電容器的投入會(huì)引起系統(tǒng)參數(shù)的變化，如參數(shù)設(shè)置不合理，在電網(wǎng)中諧波的作用下產(chǎn)生諧振而導(dǎo)致諧波放大，使電網(wǎng)出現(xiàn)諧振過(guò)電壓或過(guò)電流現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重危及到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1　事故現(xiàn)象

2013年初以來(lái)，高要某110 kV變電站的金聯(lián)段10 kV饋線經(jīng)常發(fā)生線路斷路器跳閘而導(dǎo)致用戶(hù)停電的故障，還發(fā)生了某臺(tái)用戶(hù)變壓器的無(wú)功補(bǔ)償電容經(jīng)常損壞以及用戶(hù)計(jì)量電表燒毀的現(xiàn)象，而且發(fā)生跳閘的情況多數(shù)是在兩家工廠同時(shí)生產(chǎn)用電時(shí)才出現(xiàn)。經(jīng)多次實(shí)地調(diào)查了解，排除了設(shè)備接地故障、大功率負(fù)荷的瞬間投入以及雷擊等因素引起的斷路器跳閘，初步斷定是用電設(shè)備產(chǎn)生諧波引起的電網(wǎng)諧振過(guò)壓和過(guò)流而導(dǎo)致的斷路器跳閘。

金聯(lián)10 kV饋線長(zhǎng)度約為13.2 km，線路通過(guò)編號(hào)為96T1的戶(hù)外斷路器進(jìn)行饋電，線路末端連接有電鍍廠和冶煉廠。電鍍廠有兩臺(tái)配電變壓器，容量分別為315 kVA和500 kVA，主要用電設(shè)備為電鍍整流設(shè)備，已安裝了并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置。冶煉廠有一臺(tái)配電變壓器，容量為2 800 kVA，主要用電設(shè)備為中頻爐，也安裝了并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置。由此可見(jiàn)，兩家工廠的負(fù)荷都屬于非線性諧波負(fù)荷，相對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)都是諧波的產(chǎn)生源。

2　原因分析

現(xiàn)場(chǎng)檢查可見(jiàn)，兩家工廠都裝有并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置。在工廠生產(chǎn)用電時(shí)，由于非線性負(fù)荷產(chǎn)生大量的諧波，如果并聯(lián)電容器組和諧波源組成的電路滿足諧振條件時(shí)，電容器的諧波容抗和系統(tǒng)諧波感抗的配合，造成注入諧波的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振并將諧波成倍放大，使并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置中的電容器和串聯(lián)電抗器產(chǎn)生諧波過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)負(fù)荷［1］。因此，高次諧波引起的電流放大會(huì)導(dǎo)致10 kV線路斷路器跳閘。

金聯(lián)10 kV饋線系統(tǒng)接線圖如圖1所示，線路的負(fù)荷主要有電鍍廠和冶煉廠。由于諧波源主要位于負(fù)荷側(cè)，可視其為諧波電流源［2-3］。因此，把其中的一個(gè)非線性負(fù)荷形成的諧波電流源用圖2的系統(tǒng)簡(jiǎn)化等值圖來(lái)表示。

圖1　金聯(lián)10 kV饋線系統(tǒng)接線圖

圖2　系統(tǒng)簡(jiǎn)化等值圖

從電工理論可知，當(dāng)電力系統(tǒng)局部電路中的感抗和容抗在諧波的作用下相等時(shí)會(huì)發(fā)生諧波諧振現(xiàn)象。從簡(jiǎn)化等值圖電路圖可得并聯(lián)諧振的條件為：

其中：XL為基波感抗，XC為基波容抗，nh為諧波次數(shù)。

其中：ω1為基波角頻率。

并聯(lián)電路中的諧振阻抗為：

通常Rnh<

由（1）和（5）式可知，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)電路的阻抗Znh趨向于無(wú)窮大。因此，當(dāng)并聯(lián)回路中有外加的諧波電流源作用時(shí)，由于Znh趨向無(wú)窮大，即使有少量的nh次諧波電流流入，都會(huì)引起回路兩端的端電壓U?h無(wú)限地升高，導(dǎo)致在兩支路中產(chǎn)生的電感電流和電容電流就會(huì)無(wú)限地增大，因而影響電容器的正常運(yùn)行以及導(dǎo)致電容器的損壞，最終會(huì)引起線路電流過(guò)載發(fā)生故障。由此可見(jiàn)，由諧波引起的過(guò)電壓和過(guò)電流將會(huì)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行造成危害。

故障調(diào)查時(shí)還了解到，在10 kV線路斷路器過(guò)流跳閘故障發(fā)生時(shí)，很多時(shí)候都伴有電鍍廠的315 kVA配電變壓器的無(wú)功補(bǔ)償并聯(lián)電容器損壞的現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，重點(diǎn)對(duì)電鍍廠的315 kVA配變的無(wú)功補(bǔ)償電容器組進(jìn)行了測(cè)試。該配變的無(wú)功補(bǔ)償電容器組有兩組，型號(hào)為BK?MJ-0.45-30-3，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

從測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投入第2組電容器后并聯(lián)諧振引起了較大的諧波電流，主要為7次諧波電流，達(dá)到了53A，該電流值超出了國(guó)家規(guī)定的注入公用連接點(diǎn)的諧波電流44A的允許值標(biāo)準(zhǔn)［4］。根據(jù)分析，這是因?yàn)樵谕幌到y(tǒng)運(yùn)行情況下，投入的電容器越多，諧振頻率就越低。另外，若配變的容量小則其電感值就大，諧振頻率也會(huì)越低。同時(shí)，由于兩家工廠的用電負(fù)荷都屬于非線性諧波負(fù)荷，對(duì)系統(tǒng)會(huì)注入諧波。在測(cè)試中注意到，當(dāng)冶煉廠投入生產(chǎn)時(shí)，電網(wǎng)中的5、7、11次諧波分量就更大，實(shí)測(cè)的配變低壓側(cè)母線的電壓總諧波畸變率THDi從4.3%變到5.2%。由此分析可判斷，當(dāng)投入第2組電容器后諧振頻率在7次附近造成了流入電網(wǎng)和電容器的諧波嚴(yán)重放大。由于電鍍廠的315 kVA配電變壓器的無(wú)功補(bǔ)償并聯(lián)電容器之前的諧波電流已經(jīng)超過(guò)允許值標(biāo)準(zhǔn)，在冶煉廠投入用電后，其注入電網(wǎng)的諧波加劇了配變低壓端諧波電流的變化，導(dǎo)致315 kVA配電變壓器的無(wú)功補(bǔ)償電容器的損壞，從而引起線路電流過(guò)載發(fā)生故障，導(dǎo)致了線路短路器跳閘。

表1315　R kVA配變低壓側(cè)諧波電流測(cè)量值

表2315　R kVA配變無(wú)功補(bǔ)償電容諧波電流測(cè)量值

3　對(duì)策措施

針對(duì)電容器的諧波放大引起的10 kV線路斷路器跳閘的情況，在分析了上述故障后采取了以下的對(duì)策和措施。

（1）裝設(shè)交流濾波器，防止諧波源向系統(tǒng)注入諧波電流?，F(xiàn)場(chǎng)主要是裝設(shè)針對(duì)7次諧波源的單調(diào)濾波器，通過(guò)在配變低壓母線端裝設(shè)濾波器來(lái)抑制諧波產(chǎn)生，使注入系統(tǒng)的諧波降到最低的程度，從而減少諧波引起的諧振發(fā)生。

（2）合理選擇補(bǔ)償電容器支路中串聯(lián)電抗器的電抗率［5］。主要是減小或抑制7次諧波電流放大，但同時(shí)不引起其它諧波電流放大較多。根據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］要求，用于抑制5次及以上諧波時(shí)，電抗率可取4.5%～6%；用于抑制3次及以上諧波時(shí)，電抗率可取12%。本例的315 kVA配電變壓器的無(wú)功補(bǔ)償并聯(lián)電容器中串聯(lián)電抗器的電抗率由原來(lái)的4.5%調(diào)整到6%。通過(guò)串聯(lián)電抗率的合理選擇，使電容器支路對(duì)某次諧波呈感性電抗，避免了諧振及諧波放大的可能。

（3）對(duì)于冶煉廠的可控硅整流電弧爐這些非線性負(fù)荷，由于它們產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，是高次諧波主要產(chǎn)生源，有條件最好采用增加整流相數(shù)的方法，改造整流變壓器，把6脈沖整流器改造成12脈沖整流器，通過(guò)增加其脈沖數(shù)來(lái)降低諧波源諧波電流含量。本案因冶煉廠家要增加設(shè)備投資的關(guān)系而未能進(jìn)行實(shí)施，只是增加了交流濾波器。

通過(guò)采取了上述的措施后，該10 kV線路再?zèng)]有出現(xiàn)斷路器跳閘以及315 kVA配電變壓器的無(wú)功補(bǔ)償電容損壞和計(jì)量電表燒壞的現(xiàn)象，保證了電網(wǎng)的安全運(yùn)行和提高了供電的可靠性。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述10kV饋線斷路器跳閘事故的分析可知，并聯(lián)電容器作為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備接入電力系統(tǒng)后，在電網(wǎng)非正弦用電沒(méi)備諧波源的作用下產(chǎn)生高次諧波電流。無(wú)功補(bǔ)償電容器組投入后，因電容器組容抗和系統(tǒng)等效電路感抗構(gòu)成并聯(lián)振條件造成了7次諧波放大而導(dǎo)致線路斷路器跳閘。因此，對(duì)于一些含有較大的非線性負(fù)載的城鄉(xiāng)配電網(wǎng)，在無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)置時(shí)，要考慮電容器組容抗和系統(tǒng)等效電路感抗之間可能發(fā)生諧振現(xiàn)象，合理選擇補(bǔ)償電容器支路中串聯(lián)電抗器的電抗率，避開(kāi)可能發(fā)生諧振放大的阻抗值，抑制電網(wǎng)諧波和電容器的諧波放大，以保證電網(wǎng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行和安全運(yùn)行。

［1］史承逵.電網(wǎng)電容器組諧波諧振和諧波放大的研究［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2001，21（7）：36-38.

［2］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償：第2版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］付偉，韓翔宇.并聯(lián)電容器裝置在諧波環(huán)境中的應(yīng)用［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2012，33（6）：17-21.

［4］GB/T14549-93.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］陶梅，江鈞祥.串聯(lián)電抗器及其電抗率的選?。跩］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2010，31（3）：58-61.

［6］GB 50227-95.并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

（編輯：向飛）

Fault Analysis of 10kV Line Breaker Tripping Caused by Shunt Capacitor Harmonic Amplification

ZENG Hai-tao1，OU Xiong-jian1，HU Shao-qiang2
（1.Zhaoqing Gaoyao Electric Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Company，Zhaoqing526100，China；2.College of Electrical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China）

A deliberated study finds that the cause for feeder frequent tripping in a 10kV substation is the unreasonable parameter settings of series reactors in shunt capacitor banks of reactive power compensation device.Thus high harmonic currents in shunt capacitors are amplified by the effect of non-linear loads power system which results in the break tripping.The paper further proposes practical resolutions to the problems.

shunt capacitors；harmonic currents amplification；series reactors；break tripping

TM63

B

1009-9492（2015）01-0108-04

2014-08-13

曾海濤，男，1976年生，廣西合浦人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：電力營(yíng)銷(xiāo)管理及電網(wǎng)運(yùn)行等。