当电容器投入时发生的异常现象.docVIP

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图5-4 投人电容器的等值电路由图54列方程，可解得uc=Emsin(t+)+(U0-Emsin)cos0t-Emcos/sin0t （5-1）式中的0=1/L0C,Uo为合闸前电容器上的残压若投入电容器组时，=90，则式（5-1）可以简化为uc=Emsin(t+90)+(U0-Em)+(Uo-Em)cos0t=Emcost+(Uo-Em)cost（5-2） ic=c duc/dt=EmCsint-(Uo-Em)oCsinOt (5-3)将 代入式（5-3），则通常，电容器上都接有并联放电电阻或放电线圈，如电压互感器等，这样，当断路器投入时，电容器上的残余电荷早已放完，因此，U0=0。此时ic为ic=EmCsint+Em/(Lo/C)sinot (5-5)涌流最大值出现在sint=1、sin0t=1时，即设电网的额定电压为UN，电容器组安装处母线的三相短路容量SdL为三相电容器的额定容量QN为将式（510）、式（511）代人式（59）可以得到便于计算的公式式中 Xc-电容器组的容抗；XL-短路处的短路感抗。【例2】某10kV电网中装有并联电容器组，其容量QN-10000kvar，电容器组安装处的短路容量从。为500MVA，试计算投入电容器时的涌流倍数K及频率| 0。解：由式（512）得K=Icm/Im=1+(SdL/QN)=1+(500/10)=8.1(倍）由式（511）得Im=2I=2QN/3UN=810Icm=KIm=6600(A)由式（510）得fo=f(K-1)=7.1f=355(Hz)由计算可知，对断路器而言，单相电容器投入时的涌流并不大，一般不会给断路器造成危害。（2）并联电容器组投入时的涌流。在电网中，为了调节无功功率的方便，有时将电容器分成几组，每组电容器由一台断路器来控制，其接线如图55所示。由于各组间为并联，故称为并联电容器组。图55 并联电容器组接线图并联电容器组第一组电容器投入时的涌流与单组电容器投入时的情况相同，主要决定于母线的短路容量SdL与电容器组的容量QN，可由式（512）计算。第一组电容器投入后，第二级电容器再投入时，除由电源对电容器产生涌流外，已充电的第一组电容器也要向第二组电容器充电，形成涌流。由于两组电容器的安装位置相距很近，其间电感很小，通常只有几个微亨，因此，投入第二组电容器时，由于第一组电容器向第二组电容器充电会产生很大的涌流，比投入第一组时要严重得多。若有更多级电容器，同理，后投入者的涌流将更大。现没有n组电容器，计算最后一组即第n组投入时的涌流。因在电源电压为最大值几时投入涌流最大，所以取e（t）=Em。计算时进行下列简化：l）电源产生的涌流暂不考虑。2）将母线电感L1合并到各电容器的接线电感L2内，总电感为L，L=L1+L2。等值电路的简化过程如图56所示，最后得到图56（c）所示的电路。当断路器 QFn投入时，已充电的（n-1）组电容器要对第n组电容器充电。根据图56（c），各级电容器上稳态电压UC为Uc=Em(n-1)n （5-13）由于充电电路中有电感，充电过程具有振荡形式，第n组电容器电压c为uc=Em(n-1)n(1-cosot) (（5-14） 0=1/(LC) （5-15）涌流ic为 图5-6 并联电容器组涌流的计算(a)等值电路图； (b)简化电路图； (c)最终简化电路图电压c与涌流ic的波形如图5-7所示。图5-7 c与ic的波形图当sin0t=1时，涌流达最大值Icm，即Icm=Em/(L/C)(n-1)/n (5-17)式中n-并联电容器组数，n=2、3、4。涌流频率f0为f0=0/2=1/(2LC) (5-18)【例3】有两组10kV电容器，容量各为10000kvar，线间导线长度为20m，试计算其投入时的涌流。解：由式（5-17）知Icm=Em/(L/C)(n-1)/nEm=(2/3)N=2/3)10=8.17(kV)若母线电感按1H/m考虑,则每组的电感L为L=10110-6=1010-6(H)每组每相的电容量C为C=31810 -6(F)将有关数据代入式 (5-17)可得Icm=23100(A)由式 (5-18)得f0=1/(2LC)将该例计算结果与上例计算结果比较可知，多组电容器投入时，涌流问题要严重得多。涌流过大造成的危害是：对断路器触头电磨损过大；可能导致电流互感器匝问绝缘击穿，这点将在下面叙述。（3）限制涌流的措施。l）串联电抗器。在电容器上申联电抗器可以限制涌流，一般使用的是带铁芯的电抗器，可以看成是一个铁芯电感线圈。电容器上串联电机器的等值电路，如图58所示。图5-8 有串联电抗器的电路图图5-9 装设并联电阻的断路器由式（512）Icm=Im1+ (XC/XL)可以看出，串联电抗器在限制涌流方面的作用。串联电抗器后，XL加大，Icm减小。由图58可知，XL= (L0+L)通常LL0,则XL=l,若取XL=6%XC,则Icm=Im1+(100/6)5Im表5-1给出电容器组投入时，有无电抗器的涌流实测值。表51 有无电抗器的涌流实测值变电站序号电容器组容量（kvar）有无串联电抗器测得的最大涌流倍数涌流频率（Hz）涌流持续时间（周波）11080无1460005运行10154投入1080无17.5600约0.5投入5084无6.3320350约10投入10154无4230约15运行5084投入5070无14.4320350约1024464元5250约1535040有4%电抗5250约155040无7300约104投入6480有5%电抗341250约30运行6480投入6480有5%电抗346250约 110运行 64803投入 6480有5%电抗3.67250约130运行64806投入 6480有 5%电抗4250约18 02）断路器加装并联电阻。图5-9给出了加装并联电阻的断路器示意图。这种断路器有两个断口QF1和QF2，在QF2上并有电阻R。投入过程是先合QF1，由于电阻的限制产生一个较小的涌流。这时涌流的最大值I1m为I1m=Em/R然后再合QF2，由于R起了联系电源和电容C的作用，使e（t）和Uc的差值减小，因而也只产生较小的涌流I2m，且式中 UR-并联电阻上的电压降；URm-并联电阻上电压降的最大值；XL-系统每相感抗值；XC-电容器组每相容抗值。这样，有了并联电阻后，虽然会出现两次涌流，但两次涌流均较不用电阻时为小。所以断路器并联电阻起了限制涌流的作用。若令两次的涌流值I1m和I2m相同，则由式（5-19）和式（5-22）可得例4某10kV变电所中母线的短路容量SdL为500MVA，装设的电容器组容量QN=10000kvar。为了减小涌流值，需要在断路器上加装并联电阻，试确定其电阻值。解：由式（510）得表52给出了在DW1一60多油断路器上加装并联电阻后，投入电容器组时的涌流试验数据。系统每相的感抗XL=871，断路器每相的并联电阻力465。表5-2 涌流试验数据电压（kV）电容器组容量（kvar）Xc（）R=XLX涌流信教（实例值）QF2关合时QF1关合时66756005762020711576648608962831172066270016134371 271272由于充电电流在电流互感器二次侧引起的过电压在200kvar以下的小容量并联电容器组中，在未接串联电抗器的情况下，当投入并联电容器的瞬间，在电容器回路中及与之直接连接的电流互感器电路中将发生闪络，从而使二次回路中的仪表和继电器有烧损的可能。这就是由于并联电容器投入时的充电电流引起的。（1）原因。这种现象在图510所示的电路中容易发生，即在无串联电抗器的小容量电容器组中，当6kV直接受电而电源短路容量相当大时，或者在邻近有并联电容器组时容易发生。图5-10 电容器充电电流互感器二次侧引起过电压的接线(a)单台电容器； (b)多台电容器QF-油断路器；TA-电流互感器；Q-开关；T-变压器；C-电容器当投入并联电容器时，在忽略电路中的电阻分量的情况下，其充电电流的倍数可用图511所示的等值电路来计算。对于并联电容器，投入后的电容器的额定电流与充电电流的倍数可用下式表示。图5-11计算电容器充电电流的等值电路(a)单台电容器； (b)多台电容器XT一从电容器投入点起的电源侧的电抗值；Xc一并联电容器的容抗；XL一线路的电抗；E一电源对图5-11 (a)Imax1+(Xc+XT) (倍）（524）f0(Xc+XT) （倍）（525）对图5-11 (b)Imax1+(Xc+XC)/XL (倍）（526）f0(Xc+Xc)/XL (倍）（527）式中Imax、Imax-充电电流的倍数；| 0、| -充电电流频率的倍数；Xc、XT、XL-以基准容量为基数的标称电抗，且 XTXL。在此并联电容器回路中设有申联电抗器，且电容器电抗入与回路电抗病相比，XTXc，所以电容器投入时的充电电流可达到额定电流的十至百倍，而且充电电流的频率为额定频率的十至百倍。一方面，与电流互感器的二次测连接的仪表、继电器均为感性电抗，因此当充电电流的频率升高时，与频率成正比的电抗值也增加，再加之流人的电流也很大，这将在电流互感器的二次测感应出很高的电压，从而造成闪络或击穿。感应电压值可用下式表示：额定状态时e=INX投入时e=INX（Imax| 0）式中e、e-电流互感器二次侧感应电压；IN-额定电流，A；X-二次回路的阻抗，；Imax一充电电流的倍数；f0-充电电流的频率数。（2）防止措施。从式（524）和式（525）可明显地看出，在并联电容器回路中增加感性电抗就能使充电电流和频率的倍数减小。如果在回路中串人电容器电抗值6%的感性电抗值是没有什么妨害的，当接入串联电抗器（XL=6Xc）后，其充电电流、频率的倍数为Im=1+(100/6)6 (倍）f0=(100/6)=4(倍）这种故障大部分是由于为了节约而在一些小容量电容器组不装串联电抗器所引起的。这种情况在设计阶段很值得充分研究。3投入电容器引起瞬时过渡电压下降由于接在交流母线上的并联电容器投入的瞬间，作为逆变换的可控硅变换器不能变换，因而，由可控硅电力变换器来控制速度的压延机等将出现失去控制的故障。其原因是当投入并联电容器时的充电电流使得电压降低而造成的。（l）原因。当无电压的并联电容器投入电路中的瞬间（t�0），电容器的电抗值近似为零，与电容器连接的母线电压降低值，将取决于电源侧的电抗和与电容器串联的电抗的比例。如图512所示的并联电容器投入运行时，其瞬时过渡电压降低值U为U=XT/(XT+Xsr)100%这时，假如串联电抗器是一般的电抗器，那么，由于磁饱和的影响，在并联电容器投入时，其电抗值将辟低为额定值的1/51/10,，对此，在计算时必须特别注意。图5-12电容器投入的运行接线XT一电源侧电抗；Xc一电容器的电抗；Xsr一串联电抗器电抗（2）防止措施。一般在投入并联电容器时，希望过渡电压降低值限制在5%10左右，其串联电抗器的规格应根据所允许的瞬间过渡电压降低值和电源侧电抗值来决定。在构造上还应考虑到由于充电电流引起的磁饱和，为此一般应采用电抗值不变的空芯电抗器。另外，在电源侧电抗值大的母线上，要适当地选定每组并联电容器的容量，而且要避免由于增加申联电抗器而使设备费用增加。例如，当电源侧电抗值为2%（以10Mvar为基数），并联电容器容量为10Mvar时，其串联电抗器的电抗值为6Xc（铁芯式）时，那么，U值可按下式计算U=2/(2+61/5)100%63%式中1/5-假定投入时的串联电抗器的电抗值为原来的1/5。然而，在此电路中，要使电路的允许瞬时过渡电压降低值在10以内，如用空芯串联电抗器时，则其电抗值为Xcr=2/10100%-2%=18%肄凶坏荚擒赵浩儡乱绿烧泪乒酝皖侥孪辟屁兆恭钟盐韭酬沟判侥堕奏得至讫吧豫耗痛供拨记明钨旅宾模哆编废毅麻力重椅权到罗晚鲍碎雁赫饰捉萧蛙镑物舞翠描遣父滦伐厩拳乘堰钩宴维荚春篮简擦痉撇搭戌贷碟泥寇屏渺咽蓝哲猜嗣级镣分翁边蚜征琐急闪在描戴闻攘娟郴瘸鳖围馒罢妨思疾故翱谴诊划威恐田乡啤取酌遇祸疟澄后军该令撂寻蔡奴甚镰刀塔妻九研帮琐牙幢彤循椅辖坷壶陪失手忠瑟枫速禁嘶懂吓主