（电气工程专业论文）变电站补偿电容器投切过电压的仿真与测试.pdf

摘要 变电站补偿电容器损坏问题是电力运行部门一个比较关心的问题，关于损坏 的原因也很难明确的结论。本论文试图从过电压的角度来探讨电容器损坏的原因。 论文主要进行两方面的工作，一方面以某一l o k v 变电站为原型，建立了补偿电容 器投切过程过电压的仿真计算模型，利用a t p e m t p 电磁暂态计算程序对多种 工况下电容器上的过电压情况进行了仿真计算；另一方面设计组建变电站配网过 电压测试分析系统，开展现场实际过电压的监测。计算结果表明，在母线轻载时 以及断路器开断电容器发生重燃时电容器上的过电压现象较为严重；另外，不同 时刻投切电容器的过电压仿真计算结果表明，分别在母线三相电压过零时投入补 偿电容器可将电容器上的过电压倍数降到最低。此外，现场试验检测结果表明， 电容投切产生了较高的过电压，表明投切过电压有可能是导致电容器损坏的原因 之一。 关键词：补偿电容器，过电压监测，a r p ，仿真模型 a b s t r a c t t h ef a i l u r eo fc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o ri nt h es u b s t a t i o ni sad i f f i c u l tp r o b l e mw h i c hn e e d st o s o l v ef o rp o w e ru t i l i t i e s t h i st h e s i st r i e st od i s c u s sa n df i n do u tt h ep o s s i b l er e a s o n sf o rt h ef a i l u r e o ft h e c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o rb a s e d o nt h eo v e r v l o t a g ed u et ot h es w i t c h e so fc o m p e n s a t i n g c a p a c i t o r o n et h i n gi st oa n a l y s i st h eo v e r v o l t a g ed u et ot h es w i t c h e so fc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r u s i n ga t p - e m t pp r o g r a m ，t h eo t h e rt h i n gi st od e v e l o pa no v e v o l t a g em o n i t o r i n gs y s t e mt om o n i t o r t h eo v e r v o l t a g ea tt h es u b s t a t i o n b a s e do nar e a l1 0 k vs u b s t a t i o nm o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s u n d e rv a r i o u so p e r a t i n gm o d e si n d i c a t et h a tt h eo v e r v o l t a g eo ft h ec a p a c i t o ri sm u c hg r e a t e rw h e n t h e10 k vb u si sl i g h t - l o a d e do rt h es w i t c hi sm u l t i - r e b u r n i n g m o r e o v e r ，t h el o w e s to v e r v o l t a g e o c c u r sw h e nt h ec a p a c i t o ri ss w i t c h e dw h i l e3 - p h a s eb u s v o l t a g ei sz e r o - c r o s ss e p a r a t e l y i na d d i t i o n t h e r ei sah i g h e ro v e r v o l t a g ew h e nt h ec a p a c i t o ri ss w i t c h i n ga c c o r d i n gt ot h ef i e l dt e s tr e s u l t s u s i n gt h ed e v e l o p e do v e r v o l t a g em o n i t o r i n gs y s t e ma tw a n g c h u n1 0 k vs u b s t a t i o n t h es i m u l a f i o n r e s u l t sa n dt h ef i e l dt e s ts h o wt h a tt h eo v e r v o l t a g ed u et ot h es w i t c h i n go fc a p a c i t o rm i g h tb e o n eo f p o s s i b l er e a s o n so f t h ef a i l u r eo f c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r s h e nl i m i n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f d i n gl i ji a n k e yw o r d s ：c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r ，o v e r v o l t a g em o n i t o r i n g ，a t p ，s i m u l a t i o nm o d e l 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文变电站补偿电容器投切过电 压的仿真与测试，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 渔丝堕 日期：墨三坌! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：嵫导师签名 日 期：皇! 量，莎2 、i 妇皇 - f t 期：2 。，i ! 华北电力大学一程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出以及研究背景 现代生产和现代生活离不开电力。电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增 长的需要，而且也要满足对电能质量上的要求。所谓电能质量，主要是指所提供电 能的电压、频率和波形是否合格，在合格的电能下工作，用电设备性能最好、效率 最高，电压质量是电能质量的一个重要方面，同时，电压质量的高低对电网稳定、 经济运行也起着至关重要的作用。 近年来，由于电网容量的扩大和电压等级的增多，保持各级电网和各个用户的 电压在正常范围内，从而保证电网的安全经济运行和用户的正常用电，对保证国民 经济的发展具有十分重要的意义。尤其是配电网，其设备多、分布广，直接担负着 向广大用户供电的任务，也就直接关系到工农业生产和人民的生活用电。 无功电源和有功电源一样，是保证电能质量和安全经济供电所不可缺少的。无 功电源不足将使系统电压降低，从而损坏用电设备，严重时还会造成电压崩溃，使 系统瓦解而造成大面积停电。另外，由于功率因数和电压的降低还会造成电气设备 得不到充分利用，电能损耗增加，效率降低，也限制了线路的送电能力。因此解决 电网无功电源容量不足，提高功率因数是保证电力系统安全经济运行的重要措施。 提高无功功率的措施有自然补偿和人工补偿。无功功率的自然补偿，就是合理 使用各种用电设备，以尽可能减少设备对无功功率的需要。而人工补偿则是采用同 步电动机和补偿电容器，“发出”用户所需要的无功功率。若在进行了自然补偿后 电力系统中仍然缺乏无功功率，用户的功率因数较低时就必须采用人工补偿。采用 补偿电容器进行无功功率补偿，是一种最常用的人工补偿措施，这就是将补偿电容 器并联于用电设备，利用其需要消耗容性无功功率的特点，以达到对感性无功功率 的补偿。这种补偿措施应用较为广泛，主要因为它是静止设备，使用时能量损耗小， 价格低廉，安装、维护比较简单。 一般的用电设备都是电感性的，故采用电容器以补偿它们所需要的无功功率。 对于电力网中的无功功率补偿，可以将一定规格、容量的电容器进行串、并联，使 之满足一定的容量需要与电压要求。可以将它们集中地安装于变、配电站，或者分 散地装接于各个低压用电负荷处，使得用它对电网无功功率进行补偿的同时，对于 工业企业的低压配电网络或高压电力网络的电压调整也能起到一定的作用。所以， 若决定采用并联电容补偿，对它具体选用时，应兼顾多方面的因素，进行必要的计 算分析与各种方案的技术经济比较，【2 l 。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目前，为了保证电网安全经济运行和用户的正常用电，供电部门首先从减少大 量无功功率的流动着手，对无功补偿的基本原则是尽量使用户的无功负荷和电网无 功损失就地供应。为此通常采取的基本措施是： f 1 ) 提高用户的功率因数：原水利电力部规定对容量为3 2 0 k v a 以上的大宗用 户，实行按功率因数调整电费的办法，其电费按o 8 5 考虑。功率因数低于 或高于0 8 5 时，将增收或减收电费。这样用以鼓励用户多装补偿电容器或 采用其它措施，以提高用户负荷本身的功率因数。 ( 2 ) 配电线路及配电站分散安装补偿电容器：有些国家要求做到配电线路基本 上不送无功负荷，其c o s p 可达到0 9 5 o 9 9 ，在低谷负荷时c o s 妒甚至达到 1 ，就地解决用户电动机、配电变压器和配电线路上消耗的无功功率。我国 一些地区也有在配电线路构架上和农村1 0 k v 配电站中安装补偿电容器组 的经验。 ( 3 ) 一次变电所和二次变电所装设同期调相机和补偿电容器组进行集中补偿， 并根据情况对补偿电容器组装设自动投切装置。 ( 4 ) 对大容量轧钢设备等冲击性的动态无功负荷，装设无功静止补偿装置或采 用可控硅开关自动快速投切电容器组迸行无功的补偿。 然而，随着配电网建设的迅速发展，过电压对配电网安全的影响受到越来越高 的重视。特别是近几年来，1 0 k v 变电站母线并联补偿电容器发生损坏的事故越来越 多，给电网和工农业生产带来了巨大的损失，如河南省新乡市供电公司所管辖的 “0 k y 王村变电站i v 号并联电容器第一次安装时间是2 0 0 1 年9 月，于2 0 0 1 年1 1 月投入运行；运行半年后故障，2 0 0 2 年5 月拆除返厂大修；2 0 0 2 年7 月修复后安 装，第二次投入运行，运行一个月发生故障跳闸，又一次返厂大修：2 0 0 2 年1 0 月 第三次投入运行，于2 0 0 3 年3 月发生喷油起火事故，该次事故的现场照片如图卜1 所示；2 0 0 6 年5 月3 日，该局所管辖的0 k v 平东变电站i 号补偿电容器零序过压 保护动作，零序过压越限，经检查，b 相电容基本为零，目前均已退出运行；同月 2 6 日，1 1 0 k v 刘庄变电站的i i i 号并联 f 偿电容器过流保护动作跳间，经检查电容 器已经严重损坏，目前已经返厂大修；该局所属的在上述所述的各次故障中，虽然 没有人员伤亡，但是降低了配电网的供电可靠性并且造成了较大的经济损失。此外， 其它供电公司所输变电站也有不少关于补偿电容器投切后发生事故损坏的案例。 一种可能的损坏补偿电容器的原因是电容器在投切过程中产生的过电压。一般 的，当容性设备进行投切操作时，会因为各种原因产生过电压。当这些过电压的大 小就会超过电容器本身设计时所能承受最高瞬时过电压的情况下，投切就可能会导 致电容器的损坏。但是，一般来说变电站内有不少的过电压防护措施例如会有避雷 器安装在变电站内，其能在一定的条件下限制过电压的危害。所以，上述由于过电 压的产生而导致电容器损坏的依据似乎有些不足。事实上，避雷器限制过电压是只 2 华北电力人学工程硕士专业学位论文 有当避雷器的参数与过电压参数配合的情况下才能动作而实现限制过电压的目的。 避雷器没有动作并不意味着没有过电压存在。所以，是否是因为投切产生过电压而 导致电容器损坏还需进一步深入的研究。 图i - i 王村i v 电容器事故现场照片 研究方法主要有两种：试验研究和模拟研究。试验研究是研究人员经常采用的 方法，但是试验研究必然要受到试验条件，如考虑开关、电路参数的变化不够灵活， 试验危险性很大、试验次数不可能很多等因素的限制，因而具有很大的局限性。模 拟研究在上述方面具有试验研究所无法比拟的优势，然而电容器投切过程中所可能 产生的过电压现象复杂，影响因素众多，模拟研究要很好的考虑各种因素的影响尚 且存在许多困难，如：开关型号、规格不一，特性、参数分散性很大，负载各种各 样，杂散电容、杂散电感等对操作过电压具有重大影响，电容器投切过程中所产生 的过电压本身具有较大的随机性等。鉴于上述困难，对电容器投切过程中所产生的 过电压问题的模拟研究进展不是很快。但是，如果从实际出发对过电压现象作适当 简化，突出所要研究问题的主要方面，对问题的某些地方作适当近似，这种模拟可 称为近似模拟。近似模拟是在前人研究基础之上进行的，是以对过电压发展过程和 实际情况的熟悉为前提的，其结果具有一定的合理性和正确性。 除了上述进行过电压的分析研究之外，对于搞清电容器损坏的原因一个重要工 作就是要开展电容器投切过程中过电压的实时监测，只有实际测量才是对上述模拟 分析最好的证明。 华北电力人学工程硕士专业学位论文 1 2 过电压监测技术 监测技术是近年来发展十分迅速而又跨越多种学科门类的新兴技术。它是集高 电压技术、测试技术、材料技术、计算机技术和通讯技术等为一体的综合性科学技 术，己在电力系统中得到广泛的应用并发挥着重要作用。现代科学技术的发展为电 力系统监测技术不断开拓新的领域创造了条件，其中过电压监测是监测技术的一个 分支，它可以对电力系统出现的各种过电压进行监测，为电力系统的安全运行和故 障诊断提供技术支持，己越来越受到电力行业的重视。 配电网承担着直接向用户供电的任务，具有分布广，设备多，绝缘水平低的特 点，易因内过电压造成绝缘事故，运行经验表明配电网的过电压事故约占整个电力 系统过电压事故的7 0 8 0 ，其中内过电压事故占有相当的比例【3 ：i ，【4 j 1 5 】。 当系统中存在绝缘弱点( 如小车开关间隙，电缆头) 或系统在恶劣的环境( 如肮 脏，潮湿或高温) 下运行时，就必须充分估计到过电压的危害作用，它可能引起单 相对地闪络，极端情况下还扩展到相间接地，引起飞弧：如果开关延时开断( 如继 电保护拒动或失灵) ，则事故将进一步扩大，导致电气设备和配电间隙的烧毁，当 出现分频谐振时电磁式电压互感器的励磁电流会大大增加，甚至可达到额定励磁电 流的数百倍以上，可能烧毁互感器的高压熔丝，或者使互感器严重过热，进而冒油、 烧毁、甚至爆炸。谐振过电压持续时间比操作过电压长得多，甚至可以稳定存在， 这也会危及电气设备的绝缘。 在系统事故发生后，由于引起事故的原因交织在一起，如果没有可靠的信息， 仅靠假设和推测，很难获得正确的分析结果。因此，在配电系统中进行过电压的监 测有着十分重要的意义，它可以为分析过电压在发生及发展过程中提供可靠和准确 的信息，也可以为处理事故、提出改良措施提供重要的参考依据。目前，配电网的 综合自动化水平相对高压和超高压电网而言还是比较低的，在高压及超高压电网中 使用的故障录波装置，由于经济的原因，还没有在配电网中得到广泛的使用，并且 故障录波装置是安装在固定地点，而配电网的线路和变电站分布广的特点使得有的 内部过电压只是在配电网局部范围内出现，故障录波装置主要记录的是以工频为基 础的故障波形，对内部过电压的高频成分难以记录；它的信号是通过电压互感器获 得的，而无论电磁式电压互感器还是电容式互感器均主要为监视电网电压而设计 的，对测量某些暂态过电压而言，它们的传输特性不能满足要求。 1 ，3 国内外研究概况 1 3 1 对电容器投切问题的研究概况 4 华北电力大学i ：程硕士专业学位论文 白1 8 9 9 年第一次试制成功5 k v 的纸质电容器以来，电力电容器的发展己有一 百多年的历史。近几十年来，出于大电厂和远距离输电系统的建立。新兴科技领域 的发展，电力电容器已成为现代化电力系统、国防建设尖端技术、工业企业和交通 运输电气化方面不可缺少的元件。 在电力系统中，电容器在发挥其重要作用的同时，由电容器组的切换所引发的 一系列过电压事故也引起了电力部门的高度重视。国内外许多专家、学者对此进行 了广泛的研究。1 9 5 9 年，a j s c h u l t z ，j b j o h n s o n 和n r s c h u l t z 对电容器合 闸时的放大暂态电势进行了分析【6 】，提出电力系统中某一部分的暂态电势会在同一 系统的另一部分被放大，电压放大的程度取决于回路的结构及参数值，而与回路断 路器是否重合没有必然的联系，但断路器的重合将会使放大的严重性增大。该结论 是用暂态网络分析仪( t n a ) 进行模拟得出的。六十年代后，随着电子计算机的问世， 用计算机进行电力系统的模拟计算得到了空前的发展，国内外的各种文献 6 1 9 分别对具体的问题作了详细的分析。例如：文献 6 对高压并联电容器组合闸在低 压侧产生的放大暂态过电压进行了分析，得出了放大暂态过电压最为严重时，线路 参数需要满足的三个条件；文献 7 用e j f i t p 进行计算，全面总结了切换3 4 5 k v 并联 电容器组所引发的问题，并阐述了其对设备造成的影响；文献 2 0 2 7 对于放大 暂态过电压提出了相应的限压措施，如使用氧化锌避雷器、断路器加并联电阻、控 制断路器合闸相位等。 在我国，对高电压等级的电容器切换暂态方面的研究也己经比较成熟。但对于 配电网并联补偿电容器投切过程中过电压的研究还不够完善。随着电力系统结构的 日趋复杂以及电力部门鼓励用户加装并联补偿电容，这方面的问题必然越来越多， 因此，对这方面问题进行研究是非常重要和必要的。 1 3 2 过电压监测技术的研究概况 伴随着高电压测试技术和计算机技术的发展，过电压监测技术得到了迅速发展 并显示了良好的应用前景。过电压监测主要包括两个方面的内容，一是对大气过电 压的测量也就是雷电冲击电压的测量，另外是对内过电压的测量。过电压监测技术 应包括这两类过电压的监测，并对数据进行相应的数学分析处理。 国外过电压监测系统一般采用分散式结构，即前置智能化过电压在线采集器。 采用完全模块化设计，一般主要由3 2 位微型工业控制板、电源板、各种智能数据 采集板构成，主要完成故障记录、事件记录、电气量的计算和记录、记录管理功能。 通过改变装置数据采集模块的配置，可以调节装置容纳的模拟量通道。使用d s p 芯 片完成数据的采集和计算，数据采集模块通过高速的总线( 如p c ，v m g 等) 与中央 处理器连接，采样频率和分辨率高，存储容量大，使用数据压缩技术和标准数据记 兰j ! 皇查查堂! ：型堡主童些堂垡堡壅 一 一 一 录格式便于通信。该种硬件构架下的过电压在线采集器具有多个串行接口| 2 ，多个 过电压在线采集器通过以太网连到一台上位机或专用处理器上，实现对多条母线电 压的监测，利用后台机的管理分析软件，实现数据的分析、显示等功能。 国内过电压监测系统多采用集中式结构，口通过屏蔽电缆将被测信号引入系统 主机，然后由主机进行集中循环监测和数据处理。集中式过电压监测装置一般采用 分层式结构，管理层一般采用工业控制计算机【3 0 】，【3 1 】，主要完成数据的存储、分析、 处理、显示以及数据采集层的定时互检和对时等；数据采集层大多采用单片机作为 智能化部件，常用的方式是采用m s c l 9 6 或m s c 5 1 系列单片机组成双c p u 结构，一 片负责数据的采集和a d 数模转换，另一片负责计算和判断是否要启动数据存储， 也有的采用1 块工业控制板负责数据的采集和启动判断，管理层与数据采集层之间 采用p c i 或i s a 总线相联 3 l 】。但这种设计受硬件配置的限制，采样频率不高，分辨 率一般为1 2 位，同时容易产生数据传输的瓶颈效应，不利于故障信息的及时传输 和处理。 1 4 补偿电容损坏问题研究的思路 本论文拟从两方面入手开展变电站补偿电容损坏原因的研究。 一方面受a t p e m t p ( 电磁暂态计算程序) 对电力系统数值仿真分析的启发， 选用a t p e 岍p 开展电容器投切过程中所产生的过电压分析和研究。因为作为工程 应用来说，a t p e m t p 和其他数值计算方法相比，具有电力系统专业领域工程计算的 特殊背景，得到了普遍承认和广泛应用，并且具有易掌握、易操作和计算精度高的 特点，这也是本文选用其作为数值仿真工具的初衷，通过a t p e m t p 可既对补偿电 容器投切过程中产生过电压及其影响因素进行计算研究，也可以对操作过电压保护 装置及其保护效果进行计算研究，本文正是采用a t p e m t p 进行的近似模拟研究。 另方面，设计组建一种高性能、自动化的过电压实时监测系统，以便能够监 测电网补偿电容器投切过程中出现的过电压以及实时判断电网中有无过电压出现， 在过电压发生时能完整记录下过电压发生前后的实际变化过程。同时，还可以根据 该系统捕获并保存的过电压发生前后的电压波形参数( 例如频率、幅值与波形的 陡度等) ，结合现场的实际情况以及其它记录手段，实时或事后分析过电压的频率、 类型和导致过电压产生的原因，为电力系统进行事故分析提供科学依据。它对于研 究判断电气设备的绝缘强度、检修周期、设备改进和系统改造、过电压对电力系统 的影响方式和程度以及过电压的防范等，都具有重要的指导意义。 6 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 1 5 论文的主要工作 本文的主要内容是采用a t p e m t p 对变电站并联补偿电容器在投切过程中所可 能出现的过电压情况进行数值仿真计算，并设计出一套过电压实时监测装置，实现 对变电站补偿电容器投切过程中过电压的实时监测，本论文主要开展了以下工作： ( 1 ) 深入研究了变电站并联补偿电容器在投切过程中所可能出现的过电压的 产生机理，为后文的研究工作奠定了理论基础。 ( 2 ) 根据现场提供的某一l o k v 变电站的资料，建立了该站的线路、变压器、 并联补偿电容器等相关设备的a t p e m t p 数值仿真模型。 ( 3 ) 利用上述建立变电站的a t p - - e m t p 模型，模拟该站的并联补偿电容器在 不同工况下的投切，对电容器投切过程中出现的过电压进行计算机数值仿真的研 究。 ( 4 ) 设计组建一套1 0 k v 变电站用过电压监测设备，进行现场试验。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章补偿电容器投切过电压分析 2 1 配电网操作过电压 内部过电压是由于电网内部在故障和开关操作时发生振荡所引起的过电压，它 可以分为稳态性质的暂时过电压( 如工频过电压和谐振过电压等) 以及暂态性质的 操作过电压两种，后者的幅值往往较高。内部过电压是在电网额定运行电压的基础 上振荡产生的，因此随着电网等级的升高，内部过电压的幅值也近似按比例增加， 但是具有一定的统计性质。通常，在中性点直接接地的电网中，如果不采取任何限 压措施，最大的内部过电压可能达到额定电压的三倍以上；在中性点非直接接地的 电网中，最大的过电压则可以达到四倍以上【5 】。 操作过电压是内部过电压的一种类型，出现在由于“操作”引起的过渡暂态 过程中。所谓“操作”，既包括断路器的正常或事故操作，例如分、合闸空载线路 以及分合空载变压器等，也包括接地故障、断线故障以及电网解列等。“操作”的 结果，该处的阻抗参数在某时刻发生突变( 例如，断路器合闸时相当于该处阻抗z 由。o 变成0 ) ，电网中的各个电气元件上的电压、电流值将从原来的初始值过渡到新 的工频稳态值。 电力电网中的电容、电感元件均为储能元件。当有操作或故障使其工作状态发 生变化时，将产生振荡性的过渡过程。在此过程中，由于电感元件中储存的磁能会 在某一瞬间转化为电场能存储于电容元件之中，将产生数倍于电源电压的操作过电 压，它是在几毫秒至几十毫秒后消失的暂态过电压1 4 j 。如果在电网状态发生突变的 瞬间，电网中这些储能元件表征能量值的初始值与新状态的稳定值两者不一致时， 则在过渡过程之中电网的响应将出现暂态分量。暂态分量通常表现为强阻尼的高频 振荡特征，它加在工频的新稳定分量上，使高幅值的过渡过程具备同样的特点。 形成操作过电压的能量来源于电力电网本身，通常用电网运行最高相电压幅值 的倍数来表示过电压的大小【3 】。操作过电压的大小与电气设备特性，尤其是断路器 的特性，以及电网结构、运行参数、操作或故障形式等因素有关，具有明显的随机 性。在配电网中，常见的操作过电压有间歇电弧接地过电压、开断感性负载过电压、 投切容性负载过电压等。为了突出本论文的研究重点并且限于篇幅的缘故，在此仅 对投切并联电容器过电压做详细的分析与说明。 2 2 投切并联电容器过电压 为补偿电网中的无功功率，配电网广泛采用并联电容器组来进行相应的无功补 8 华北电力大学。j ：程硕士专业学位论文 偿。并联电容器组具有投资少，损耗小，维护管理方便，检修时间短等优点。因为 电网负荷是变动的，随之电网中无功功率的消耗也是经常变化的，要保持电网电压 稳定，需随负荷的变化改变并联电容器的投入量，因而大型补偿电容器组一般分为 若干组，并随负荷变化分组投入。因此投切并联电容器组的断路器也需频繁操作， 有时每日要动作几次。在投切并联电容器组时会出现两个问题：一是投入电容器的 瞬时会产生很大的涌流电流；二是切除电容器时因断路器的重燃会产生比较严重过 电压。 配电网中通常使用的并联电容器组大部分采用串有限流电抗器的星型接线方 式，从电路等效的角度而言，三角型接线也可转化为星型接线进行分析，因此，我 们不妨采用星型接线为例近似分析投切并联电容器组所形成的过电压。 2 2 1 投合电容器过电压 设并联补偿电容器三相完全同期合闸，则此时三相电路可用单相电路代替，如 下图2 1 所示。 l e a ) u c f f j 图2 一l 投合电容器组示意图 在上图中l 为电源的等效内电感，u n c 为补偿电容器c 的残留电压，电源电势 e ( o = 瓦c o s 似砂。不计回路损耗电阻。合闸后电容器c 上电压u c ( t ) 为 u c ( t 卜u c 。c o s 国t 一 c m un c ) c o s 国l t 舯川一2 斋锄黼褂懿岖* g r i t 舡麴孵， ，= 1 4 m 为上述回路的自振角频率，通常国，缈，因此。e 卅。 当并联电容器c 的极板上留有反极性残余电压时，如= 一e ，则u ( r ) 的最 大值可达3 。一般情况下，并联电容器并联接有放电线圈，因此在断路器合闸前 其极板上的残余电压u 。，已经很小，近似为0 ，所以根据上式可以得到，在此情况 下并联电容器合闸时可能出现的最大电压为2 。 9 华北电力大学】。程硕十专业学位论文 假设并联补偿电容器三相不同期合闸，先合一相补偿电容器时电路没有通路， 等第二相补偿电容器合闸成功后，相当于电网的线电压对二个串联的电容器进行充 电，设每相补偿电容器上的u 。、= 0 ，则每相电容器上可能出现的最大过电压的值为 2 * j 3 e 。1 2 = 3 e 。第- - - * h 再合闸成功后，所产生的过电压大小与先合闸的两相并 联补偿电容器的电压大小和相位有关。 在实际电网的运行过程中，投合并联电容器组所产生的过电压一般不超过2 倍。 但在合闸过程中，若断路器的触头缓冲特性不良，出现弹跳，相当于在电路上出现 接通一断开一接通的多次接通与断开的反复状态，相当于并联补偿电容器有较高的 残留电压时合闸，则此时所产生的最大过电压可能会大于2 倍。 图2 2 为国产某种型号的真空断路器投合1 0 0 0 8 0 0 0 k v a r 的并联补偿电容器 组时出现过电压倍数k 的频率分布统计曲线。由图2 2 可见绝大部分投合电容器所 产生的过电压都在2 倍以下。 图2 - 2 真空断路器投合补偿电容器的过电压分布曲线 2 2 2 开断电容器过电压 补偿无功功率的并联补偿电容器是接在相间的，它们的对地电容很小，开断并 联电容器组时，一组断路器的重燃会影响其他两组。按运行状态来分，开断电容器 组重燃过电压可以分为无故障单相重燃，带故障单相重燃和两相重燃三种类型。 ( 1 ) 无故障单相重燃 开断中性点绝缘的三相并联补偿电容器组并发生单相重燃现象时，过电压主要 出现在并联电容器组的中性点与地之间。并联电容器极间一般没有比较高的过电压 1 0 华北电力大学t 程硕十专业学位论文 出现。重燃相过电压并不是最高的，往往是通过中性点传递至不重燃的两相中的一 相，成为过电压的最高相。即使是单相重燃( 在小于1 4 周期内重燃) 时，在非重燃 相中的一相也会出过电压。 ( 2 ) 带故障单相重燃 中性点不接地电网允许发生单相接地后持续带故障运行2 个小时，因此有可能 遇到在单相接地时要开断电容器组。母线侧单相接地时，开断电容器组时产生的单 相重燃过电压要比无故障开断的情况下要高。 ( 3 ) 二相重燃 如a 相电容器为首先断开相，则c 相电容器上所产生的过电压最高，由于单相 重燃时回路的振荡频率很高，因此中性点对地电容c n 上的电压在很短时间内上升， 结果会立即导致c 相断口重燃，相成两相重燃。另外，若断路器分闸非周期时间过 长，如果b 相电容器延迟分闸至a 相电容器的断路器重燃之后，虽然是a 相单相重 燃，实质上与两相重燃相同。a 相电容器极问最高过电压为额定电压幅值的3 1 倍， c 相为2 7 3 倍，a 相和c 相电容相间过电压可达5 8 3 倍实际测得过电压要低于此 值，两相重燃过电压主要作用在电容器极间绝缘上对地电压并不高。 华北电力人学j ：程硕士专业学位论文 第三章补偿电容器投切过电压仿真模型的建立 本章采用a t p - - e m t p 电磁暂态计算程序对并联补偿电容器各种投切方案下电容 器的电压值、电流值以及功率和能量值进行了仿真计算。 3 1 一次主接线和基本数据 用于数值仿真计算的电网原型为河南省新乡供电公司1 1 0 k v 王村变电站1 0 k v 西母所连接的设备和线路，图3 1 示出了该变电站的一次接线图。 图3 - 1 王村变电站的一次接线图 ( 1 ) 电源 王村变电站的1 1 0 k v 电源引自1 1 0 k v 新王线，变压器高压侧入口的接地容量和 接地电流如下： 接地容量s ”= s 。= s 。= 1 3 6 6 m v a 接地电流i ”= i 。= i 。= 7 1 7 0 k a 计算电压为1 15 k v ，电源内阻抗为1 6 7 7 q ( 2 ) 变压器 2 # 变压器接线方式为y n d 11 ，额定容量为3 1 5 m v a ，额定电压为1 1 0 k v 1 0 5 k v ， 阻抗电压为1 0 9 7 ，接地损耗为3 8 0 4 2 k w ，空载损耗为2 9 3 5 2 k w ，空载电流为 1 2 华北电力大学丁程硕士专业学位论文 _ _ _ - - - _ _ _ h _ _ _ _ _ _ 一。 0 ，3 1 。 ( 3 ) 并联补偿电容器 型号为8 a m h l l j 一4 8 0 0 3 w ，额定电压为l l ；，额定电流为2 5 2 a ，额定容 量为4 8 0 0 k v a r ，实测电容值为3 8 9 5 f ，联结方式为星接。 ( 4 ) 空心电抗器 型号为c k w k 一3 9 6 11 了一6 ，额定电压为0 3 8 1 k v ，额定电流为2 5 2 a ，额定 容量为9 6 k v a ，实测电抗为1 5 1 5 欧，等值电感为4 b 2 5 m h ，与电容器串联，用于 抑制谐波以及限流。 ( 5 ) 其他设备 a 1 0 k v 电压互感器：型号为j d z j 1 0 ，联结方式为星接： b 接地变型号为d k s c 9 6 0 0 1 0 ： c 消弧线圈型号为x h d c 9 一c 一5 0 0 1 0 ，补偿方式为全补偿。 ( 6 ) 出线线路 各出线名称、长度、导线规格列于表3 一l 。 表3 - 1l o k v 各出线基本参数 序号线路名称电缆规格长度，k m架空线规格长度，m l 王干lz l q 2 0 3 x 1 5 06 0 0l g j 一1 8 5 2 1 2 0 2 王电1 y j v 2 2 3 x 2 4 0 1 8 6 0l g j 一1 8 52 1 2 0 3 i i 王建1y j v 2 2 3 x 2 4 0 5 5 0 l g j 一1 8 5 2 1 6 0 4 王解1y j v 2 2 3 x 2 4 08 9 3 l g j 一1 8 5 1 7 3 4 5 王燎lz l 0 2 0 3 x 2 4 05 6 8 l g j 一1 8 5 2 1 2 0 6 王铁1 y j v 2 2 3 x 1 5 0 5 5 8 l g j 一1 8 5 2 1 2 0 7 王陈1y j v 2 2 3 x 2 4 0 6 1 3 l g j 一1 8 5 2 2 4 0 8 i i 西王2y j v 2 2 3 x 2 4 0 1 6 8 0 l g j - 1 8 5 3 0 8 0 9 王中lz l q 2 0 3 x 2 4 0 2 1 5 0 l g j 一1 8 5 2 1 2 0 1 0王纺lz l q 2 0 3 x 2 4 01 4 2 0 l g j 一1 8 5 2 1 2 0 1 11 i 王胜1 y j v 2 2 3 x 2 4 0 9 8 0 l g j 一1 8 5 2 0 3 2 用a t p - - e m t p 程序计算所得电缆与架空线的参数列于表3 2 。 表3 - 2 出线线路序参数 电阻q k m电感m h k m电容，uf k m 类型截面 难序 零序 f 序零序 正序零序 2 4 00 0 7 6 30 ，9 5 3 0 2 8 34 6 80 3 1 9o 3 1 9 电缆 1 5 0o 1 2 50 9 7 0 3 0 25 0 60 2 6 60 2 6 6 架空线1 8 5 o 1 7 0 2 9 91 0 7 45 3 6 90 0 1 0 80 0 0 3 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 7 ) 各出线负荷 记录各出线正常投运没有任何故障情况下，某一时刻的负荷情况。此时各出线 的电流及计算所得等值阻抗列于表3 3 。母线线电压为1 0 4 0 k v ，功率因数取0 8 5 。 表3 - 3l o k v 各出线负荷等值参数 序号线路名称电流，a 等值电阻，q等值电感，m h 1王干l1 0 2 6 64 9 7 20 0 9 8 2 2 王电1 2 6 2 81 9 4 2 10 3 8 3 5 3 i i 王建1 1 0 8 1 94 7 1 80 0 9 3 l 4 王解l1 4 6 6 43 4 8 10 0 6 8 7 5王燎11 6 4 63 1 0 0 80 6 1 2 3 6 王铁1 5 4 2 69 4 0 6o 1 8 5 7 7 王陈1 1 5 0 1 33 4 0 00 0 6 7 1 8 i i 西王2 5 9 6 68 5 5 5 o 1 6 8 9 9 王中1 7 7 2 6 6 1 1 31 3 0 5 4 1 0 王纺1 1 3 3 23 8 3 1 80 7 5 6 6 1 1 i i 王胜11 0 2 3 3 4 9 8 8 0 0 9 8 5 3 2 仿真计算模型 根据前一节的一次主接线和基本数据建立了ll o k v 王村变电站l o k v 西母的a t p 仿真计算模型， 3 3 1 ，如图3 2 所示。 图3 - 2王村变电站l o k v 西母仿真模型 箍 电缆线路 架空线路 负荷 华北电力人学工程硕十专业学位论文 第四章补偿电容器投切过电压数值仿真分析 变电站母线处于不同运行状态下，投切并联补偿电容器时产生的过电压以及过 电流的情况均有所不同，因此为研究变电站母线的运行状态对补偿电容器的影响， 本章对1 0 k v 母线在以下运行状态下投切补偿电容器时，电容器两端的电压以及流 过电容器的电流的情况进行数值仿真计算( 补偿电容器均在0 2 秒投入) 。 1 ) 正常运行时：1 0 k v 西母所带的1 1 条出线按表3 3 所示的负荷电流大小投运， 各条出线均正常运行，没有发生单相接地故障； 2 ) 负荷侧发生单相接地故障时：故障点设在王纺线的c 相上； 3 ) 母线侧发生单相接地故障时：故障点设在1 0 k v 母线的c 相上： 4 ) 母线满载时：由表3 3 可知，王陈1 线的负荷电流最大，因此将王村变电 站1 0 k v 西母上所有出线的负荷情况均改为与王陈l 线相同，以模拟变压器接近满 载时投切补偿电容器过程中母线电压的变化情况； 5 ) 母线轻载时：由表3 3 可知，王中1 线的负荷电流最小，因此将王村变电 站1 0 k v 西母上所有出线的负荷情况均改为与王中1 线相同，以模拟变压器接近轻 载时投切补偿电容器过程中1 母线电压的变化情况。 4 1 各种运行状态下投合电容器过电压计算 计算内容包括在母线各种运行状态下投合电容器时的线电压最大值、流过电容 器电流的最大值以及功率和能量的最大值，计算结果列于表4 一l 、表4 2 中，需要 特别说明的是，对于线电压过电压倍数的基准值取电网正常运行线电压的峰值，即 1 0 5 压：1 4 8 4 7 k v 。 表4 - 1 补偿电容器在投切过程中电压和电流情况计算结果 线电压过电压倍数，p 1 1 线电流最大值，a 运行状态 u a bu 8 cu c ai a 8i 8 c1 c a 正常运行1 1 1 71 0 4 91 0 9 81 2 6 61 4 5 96 3 0 负荷侧单相接地 1 1 1 71 0 2 61 ，0 4 01 2 4 91 4 7 26 1 2 母线侧单相接地 1 0 1 31 0 4 91 0 7 71 0 7 21 3 8 45 7 4 母线满载 1 0 7 21 0 1 21 0 5 51 4 1 7n 3 46 0 8 母线轻载 1 1 9 11 0 9 21 1 3 31 5 1 91 4 1 46 9 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 表4 - 2并联补偿电容器能量和功率计算结果 能量最大值，k j功率最大值，m v a r 运行状态 w a q aq b q c 正常运行 1 6 2 91 2 0 58 1 11 2 2 99 1 4 4 4 8 负荷侧单相接地 1 5 5 4 1 2 ，0 97 3 51 1 7 99 0 44 1 2 母线侧单相接地 1 3 8 91 0 3 28 3 7 1 0 1 57 9 64 4 2 母线满载 1 4 9 09 9 67 6 5 1 0 8 87 7 84 3 2 母线轻载 1 7 7 11 5 8 1 8 6 l1 3 8 61 1 7 54 7 5 4 1 1 各出线正常运行时电容器线电压和线电流波形图 ( 1 ) 电压波 图4 - 1 正常运行时电容器线电压波形图 图4 2 正常运行时电容器0 2 s 附近线电压波形展开图 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 2 ) 电流波 图4 - 3 正常运行时电容器线电流波形图 图4 - 4 正常运行时电容器o 2 s 附近线电流波形展开图 4 1 2 负荷侧单相接地时电容器线电压和线电流波形图 ( 1 ) 电压波 图4 - 5 负荷侧单相接地时电容器线电压波形图 1 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 2 ) 电流波 图4 - 6 负荷侧单相接地时电容器0 2 s 附近线电压波形展开图 图4 7 负荷侧单相接地时电容器线电流波形图 图4 - 8 负荷侧单相接地时电容器0 2 s 附近线电流波形展开图 1 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 1 3 母线侧单相接地时电容器线电压和线电流波形图 ( 1 ) 电压波 ( 2 ) 电流波 1 6 一 【k v t ：) 0 ( c 。0 2 6 - , y j ( 0 0 2 9 。黑m 曼k m “5母线侧单相接地x h p w x ，v 并) vu 版。3 4 x x o 。2 bvx 0 0 2 * x x o 醅j 图4 - 9 母线侧单相接地时电容器线电压波形图 图4 1 0 母线侧单相接地时电容器0 2 s 附近线电压波形展开图 图4 1 1 母线侧单相接地时电容器线电流波形图 1 9 华北电力大学工程硕十专业学位论文 图4 1 2 母线侧单相接地时电容器0