電容器組過電壓阻尼裝置的運行分析

陽 靖， 魏梅芳

（1.國網(wǎng)長沙供電分公司， 湖南 長沙 410002；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司技術技能培訓中心， 湖南 長沙 410131）

引言

電容器組作為無功補償設備被廣泛地應用于電網(wǎng)中，用以滿足用戶對電能質(zhì)量的要求，保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。對電能質(zhì)量要求越來越高的同時需要根據(jù)系統(tǒng)電壓和無功功率的變化，對電容器組進行投切。電容電感在電路中起能量存儲和轉(zhuǎn)換的作用，當斷路器斷開或重燃、故障等因素導致運行狀態(tài)發(fā)生變化時，線路中電場能與磁場能相互轉(zhuǎn)化，在能量轉(zhuǎn)化的過渡過程結束之前改變儲能元件的工作狀態(tài)，將可能在元件兩端積累大量電荷，產(chǎn)生過電壓。接通大容量電容器組時，易在電容器上產(chǎn)生過電壓和涌流，斷開電容器組時，其兩端電壓無法突變，電容器存儲的電壓同電源電壓一起加在斷路器兩端，容易造成斷路器重燃，電容器組上將產(chǎn)生更大的過電壓。

并聯(lián)電容器組操作過電壓對電力系統(tǒng)安全運行影響很大，過電壓不僅影響系統(tǒng)中其他設備的穩(wěn)定運行，長期過電壓會消耗電容器，減少其使用壽命，導致電容器不能正常投入使用，嚴重過電壓將導致電容器極間擊穿，短路故障嚴重時甚至發(fā)生爆炸，對保證電能質(zhì)量和電網(wǎng)的正常穩(wěn)定運行造成影響，造成經(jīng)濟損失的同時，也會危及電力運行維護人員的人身安全，因此必須采取措施來抑制過電壓。

1 電容器組過電壓阻尼裝置的工作原理

電容器組主要應用在系統(tǒng)母線上，作為系統(tǒng)的無功補償裝置，吸收容性無功功率，提供感性無功功率。由于系統(tǒng)的無功負載經(jīng)常發(fā)生變化，需要補償?shù)臒o功功率也會相應變化，投入電容器的容量隨之改變，電力系統(tǒng)中有很多電容電感等儲能裝置。頻繁投切電容器組容易形成振蕩，造成能量在電容器組兩端積累，進而產(chǎn)生過電壓。電容器組過電壓阻尼裝置主要應用在三相運行的并聯(lián)電容器組上，對于三相對稱的系統(tǒng)，各相運行狀態(tài)可以等效為三個單相運行，現(xiàn)在以單相為例說明電容器組過電壓阻尼裝置的原理和抑制過電壓效果。

電壓阻尼裝置實質(zhì)上是由阻尼電阻與真空間隙組成，圖1所示為過電壓阻尼裝置結構原理圖。

圖1 過電壓阻尼裝置原理圖

其中：Ls為電源短路電感，CB為斷路器，L為串聯(lián)電抗器，起濾波和無功補償及避免并聯(lián)諧振的作用，C為并聯(lián)電容器組。阻尼電阻R與真空間隙G串聯(lián)后并聯(lián)在串聯(lián)電抗器兩端，投切電容器組時如果電容器組兩端電壓過高，串聯(lián)電抗器兩端電壓也相應變大，此時L兩端電壓加在阻尼電阻及真空間隙兩端，當該電壓達到真空間隙的擊穿電壓后間隙擊穿，阻尼電阻R聯(lián)入電路，相當于給原來的電感電容回路增加一個放電支路，利用阻尼電阻消耗能量來降低線路電流從而降低電壓，當并聯(lián)電容器組C兩端電壓降到正常運行范圍時，L兩端電壓也隨之降低，流過真空間隙的電流到達一定程度后（通常為零），電弧熄滅，阻尼電阻與真空間隙組成的串聯(lián)支路從回路中斷開，系統(tǒng)恢復正常運行狀態(tài)，防止電阻長時間投入運行過度消耗，也減少因電阻引起的能量損耗。過電壓時開通，電流大小減少時關斷，真空間隙起到開關功能。

并聯(lián)電容器組C與串聯(lián)電抗器L成一定比例關系，才使得電容器組C的電壓變化直接反應到串聯(lián)電抗器L上來，根據(jù)GB 50227—2008《并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)范》可知并聯(lián)電容器組的電抗率選取如下表1所示。

表1 并聯(lián)電容器組電抗率取值范圍的選取原則

2 過電壓阻尼裝置運行分析

投入電容器組過電壓阻尼裝置運行時，系統(tǒng)簡化電路及其拉氏變換電路如圖2所示。

圖2 投入電容器組過電壓阻尼裝置運行時的電路圖

根據(jù)KCL、KVL得到：

聯(lián)立（1）、（2）式解得：

上式可看出在首次合閘電流初值為0的情況下，電容器組兩端電壓UC（t）與電容器組兩端初始電壓UC（0）、合閘角φ及阻尼電阻值R有關。

3 結語

過電壓阻尼裝置的適用情況，對電源漏感Ls與串聯(lián)電抗器L的大小有一定的要求。當電源漏抗遠大于串聯(lián)電抗器，即Ls>>L時，此時串聯(lián)電抗器L的作用很小，幾乎可以忽略，在L兩端并聯(lián)阻尼裝置時，阻尼電阻的過渡過程無法起到很大的效果，整個裝置對電路則不太適用；當L>Ls時，L在回路中作用明顯，在串聯(lián)電抗器兩端并聯(lián)阻尼裝置時，阻尼電阻R可以充分發(fā)揮其阻尼作用，增大電壓衰減系數(shù)，降低投切電容器組過電壓。通常將遠大于取一個數(shù)量級，即L=10%Ls。