無功補償裝置中電抗率選擇的理論探討

向文彬，羅 翔

(1.重慶電力高等?？茖W校，重慶400053;2.重慶市電力公司管理培訓公司，重慶400053;3.海南電網(wǎng)公司?？诠╇娋州旊姽芾硭?，海南海口570206)

電能在生產(chǎn)、輸送和使用三個環(huán)節(jié)中的許多設備，如發(fā)電機、變壓器、電動機等都是根據(jù)電磁感應原理工作的，不可避免地需要大量無功功率，系統(tǒng)中的無功功率是否平衡，將影響系統(tǒng)電壓質量，從而影響用電設備的正常工作。

當系統(tǒng)無功功率不足時，為了系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，就必須進行無功功率的補償。并聯(lián)電容器因其無旋轉部分，具有安裝、運行、維護簡單方便，有功損耗小，組裝增容靈活，擴建方便、安全，投資少等優(yōu)點，所以在系統(tǒng)中使用最為普遍。

隨著電網(wǎng)容量的迅速增大和對電能質量要求的不斷提高，電容器的投切操作越來越頻繁。重慶電網(wǎng)的變電站運行資料顯示，在近段時期，多個變電站在投切并補裝置時，發(fā)生了多起斷路器燒毀、爆炸等事故，嚴重威脅了電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行。

在變電站運行中，并聯(lián)補償電容器的投、退由真空斷路器控制，按照絕緣參數(shù)配合等設計，本來應該能順利合閘運行，但是卻屢屢發(fā)生合閘時斷路器爆炸的現(xiàn)象。本文結合無功補償裝置回路中真空斷路器的運行分析，對無功補償回路的電抗器取值進行探討。

1 對稱三相電路合閘過渡過程分析

為了避免電容器回路在投切時產(chǎn)生較大的涌流，在并聯(lián)電容器回路中串聯(lián)電抗器以降低合閘涌流。引入電抗器元件后，又會產(chǎn)生如下兩個問題:(1)整個無功功率補償回路構成了R、L、C串聯(lián)電路，當參數(shù)選擇不合理時，將產(chǎn)生R、L、C串聯(lián)諧振，危及補償回路元件的安全;(2)由于電抗器元件的電流不能突變，因此，在投切補償回路引起的過電壓、過電流則更加復雜。

三相參數(shù)完全對稱，且三相斷路器同期合閘則是對稱三相RLC回路。此時，可按單相進行分析，即分析一個RLC串聯(lián)二階電路的正弦激勵下合閘過渡過程，如圖1所示。

圖1 二階串聯(lián)RLC

按相關規(guī)程規(guī)定，變電站安裝電容器容量大多是按照主變容量的四分之一選擇，如110 kV變電站一般主變容量范圍40～63 MVA，安裝電容器容量為2 000～12 000 kVar。220 kV變電站一般主變容量范圍120～240 MVA，安裝電容器容量為20 000～80 000 kVar。這個容量需要多個回路完成，而單回路電容器容量配置一般有 1 000、2 000、4 000、6 000、8 000、10 000 和12 000 kVar等多個等級。無功補償裝置的安裝方式都是從變電站10 kV母線通過母線刀閘—斷路器—出線側刀閘—電力電纜—電抗器到電容器。而系統(tǒng)電源內阻一般在0.01～0.04 Ω?；芈返目傮w電阻應小于0.15 Ω。所以，在變電站安裝的電容器回路參數(shù)結構中的阻尼電阻都是小于臨界值的，也就是說電容器等效回路合閘過渡過程都是處于振蕩衰減狀態(tài)。

對于圖1所示電容器回路，根據(jù)電路的微分方程可得電路的完全響應為:

其中，

可以看出合閘過渡過程的電流和電壓解析式都是包含一個穩(wěn)態(tài)分量和一個指數(shù)正弦振蕩衰減分量。

以某10 kV系統(tǒng)、電容補償容量為2 000 kVar、電抗百分率為6%的并補裝置回路的參數(shù)?？芍獑蜗嚯娫措妷悍逯禐? 165 V，系統(tǒng)內電阻 Rs=0.022 Ω，回路電阻 R=0.03 Ω，負載電容 C=63.4 μF，負載電感 L=9.55 mH;合閘前電路零狀態(tài)，即初值。

利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)軟件進行仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 電磁暫態(tài)仿真波形

從仿真結果來看，在繼電保護整定時間100～200 ms內，斷路器斷開時，整個電路仍處于過渡過程，斷開高頻過電流，會危及斷路器安全。

2 無功補償回路電抗取值的討論

2.1 規(guī)程規(guī)范中電抗器電抗率的規(guī)定

在GB 50227——1995《并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)范》中，對無功補償回路電抗器的取值有相應規(guī)定:

僅用于限制涌流時，電抗率宜取0.1% ～1%;

用于抑制諧波，當并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時，宜取4.5% ～6%。當并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時，宜取12%;亦可采用4.5% ～6%與12%兩種電抗率。

2.2 現(xiàn)行的補償裝置中電抗器電抗率的采用

現(xiàn)行的補償裝置中電抗器電抗率一般按6%來進行選擇，考慮的原因有兩個:

2.2.1 為了抑制5次高次諧波分量

表1 補償裝置回路中配置的電抗器應避開電抗率值表

2.2.2 為了控制無功補償回路合閘涌流

無功補償回路合閘時的合閘涌流倍數(shù)n，電抗率k為:

合閘涌流倍數(shù)n與電抗率k的關系曲線如圖3所示。

圖3 合閘涌流倍數(shù)n與電抗率k的關系曲線

綜合以上兩個因素，現(xiàn)行的補償裝置中，電抗率一般取6%，即可以有效地抑制5次諧波，又可以把合閘涌流控制在5倍以內。

3 補償裝置回路中電抗器電抗率選擇的探討

從限制合閘涌流的大小看，電抗器的電抗率k越大，限制合閘涌流的倍數(shù)就越小。當k取值較大時，根據(jù)二階電路分出的固有頻率，可知，合閘涌流的過渡過程就越長。

根據(jù)電容器的容量計算公式和電抗率公式:

所以，

二階電路分出的固有頻率

將式(4)代入式(5)中得

由式(6)可知:固有頻率τ與電抗率k、系統(tǒng)電阻R及無功補償容量QC有關，它們的關系曲線如圖4所示。

圖4 τ、K、R、QC四者之間的關系曲線

由以上分析可知:(1)在系統(tǒng)阻抗和電容器容量不變的情況下，改變電抗百分率k值時，固有頻率τ隨著電抗率百分率k的增大而增大，即過渡過程時間會增長;合閘涌流倍數(shù)n隨電抗百分率的增大而減小，即合閘涌倍數(shù)會減小;(2)在系統(tǒng)阻抗和電抗百分率不變的情況下，改變電容器容量時，τ隨著電容容量的增大而明顯減小，即過渡過程時間會縮短;合閘涌流倍數(shù)n則隨著電容容量的增大略有增大;(3)在電容器容量和電抗百分率不變的情況下，遇到不同的系統(tǒng)阻抗時，固有頻率τ隨著系統(tǒng)阻抗的減少而增大，即過渡過程時間會增長;合閘涌流倍數(shù)n隨著系統(tǒng)阻抗的增大而減小，即合閘涌會減小。

按照重慶電力系統(tǒng)歷史短路容量396～1 333 MVA，內阻抗是 0.075 ～0.252 Ω(有名值)，10%計算內電阻是0.007 5～0.025 2 Ω;無功補償回路電阻是0.007 6～0.038 Ω。所以，回路電阻的選擇范圍為0.063 2～0.015 1 Ω。

系統(tǒng)電阻在0.063 2～0.015 1 Ω的范圍內，為了保證在100～200 ms時回路進入到穩(wěn)態(tài)，電抗器電抗率的取值應在0.08%～1.32%。

4 對電抗器電抗率為3%，5%，6%三種配置的仿真計算

以電容補償容量為2 000 kVar，單相電源電壓峰值為8 165 V，系統(tǒng)內電阻Rs=0.022 Ω，回路電阻R=0.03 Ω，負載電容 C=63.4 μF，負載電感 L=9.55 mH，電抗百分率分別為3%，5%、6%時，在三相同期合閘和在合閘后200 ms時斷開兩種情況下，對補償回路過電流、斷口電壓進行仿真，其結果如表2所示。

表2 電抗器三種電抗率配置的仿真計算結果表

從表2中可以看出，在電阻，電容相同的情況下，隨著電抗值的減少，最大過電流有所增加，但過電流增加的幅度沒有電抗值減少的幅度大。電抗率從6%減少到3%，電抗值下降了一倍，但電流上升了15.5%左右。在200 ms斷開時，斷口間的電壓升高雖然幅度較大，但對真空斷路器的斷口而言，影響不大。

5 分析

近年來，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，系統(tǒng)容量大幅度增大，系統(tǒng)電阻將大大減少，若仍保持原有的6%來選擇電抗值，雖然可以躲過了3次、5次、6次諧波的諧振點，但會造成無功補償回路的固有頻率增大。在繼電保護整定時間100～200 ms內，斷路器斷開時，無功補償回路仍處于過渡過程，斷開高頻過電流，會危及斷路器安全。出于抑制諧波和斷路器安全考慮，當并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時，將電抗器的取值減小到6%以下，在3%～4.5%的范圍。當并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時，可將電抗器的取值控制在6% ～10%范圍內，有以下明顯優(yōu)勢:

(1)明顯地減少了無功補償回路的固有頻率τ，在繼電保護整定時間100～200 ms內，斷路器斷開時，雖仍處于過渡過程，但斷開高頻過電流幅值大幅度下降，減輕了斷路器的風險;振點，即使考慮到系統(tǒng)的電抗，系統(tǒng)的電抗值不大于0.5 Ω(2 000 kVar對應的容抗值為50.23 Ω)，不會達到3次、5次諧波諧振點的電抗率要求;同時也可有效抑制3次或5次諧波;

(2)電抗率選擇小了，能有效提高無功補償回路的無功補償量，提高設備的有效利用率。

6 結語

隨著電網(wǎng)容量的增加，系統(tǒng)抗沖擊的能力大大增強，提高合閘涌流倍數(shù)，適當減小無功補償回路電抗的電抗值在理論上是可行的。各類無功補償回路電抗器具體下調的取值范圍，還需通過進一步的研究和工程實踐來驗證。

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