双星形电容器组中性点不平衡电流计算与调整.pdf

第 31卷 第 5期 2010年 10月 电力电容器与无功补偿 Power Capacitor 电容器 中性点 不平衡电流 中图分类号 TM531 4 文献标识码 文章编号 1674 1757 2010 05 0014 05 Calculation and Adjust ment on the Unbalance Neutral Electric CurrentY Y Connected Capacitors ZHAOW e i dong Zhaoqing HuaijiPower Supply Bureau Guangdong PowerGrid Corporation Huaiji 526400 China Abstract According to the problems on the unbalance neutral current in Y Y connected capacitors during actual operation andm aintenance the theoretical analysis ismade to define the major factor on the unbalance neutral curren t propose the i mprove m entmeasures and methods to reduce unba l ance neutral current and deduce the calculation formula on unbalance neutral current in Y Y con nected capacitors It is shown in practices that the adjustment or replacement of capacitor bank in structed in accordance with opti m ization calculation can reduce significantly the unbalance neutral current and decrease the adjust ment ti mes of capacitors Keywords Y Y connected capacitor neutra l unbalance current 0 引言 双星形接线方式的电容器组作为无功补偿设 备在电网中已被广泛应用 由于电容器组不平衡 电流保护具有动作灵敏度高 能够准确地反映电 容器参数的变化以及各种类型内部故障 因而双 星形电容器组宜采用中性点不平衡电流保护方 式 1 2 但是 双星形电容器组不平衡电流保护灵 敏度高也会给电容器组运行维护带来了一定的困 难 2008年海高斯台风期间 某 500 kV 变电站 35 kV 2 电容器组中性点不平衡电流保护动作 二次电流动作值 0 23A 中性点电流互感器变比 为 5 1 保护整定值为 0 2 A 以下不作特殊说明 均指二次电流值 经检查试验 一 二次设备均 未发现异常情况 测试电容器组各相电容量 A相 电容值 111 6 LF B相 111 8 LF C相 111 7 LF 试验结果均符合规程要求 经调度同意对 2 电容 器组试送电 刚合上开关 不平衡电流再次动作跳 闸 不平衡电流仍然为 0 23 A 经全面检查及试 验 2 电容器组的每一个电容器均未发现异常情 况 试验结果 包括电容量值 均符合规定要求 最后 通过重新调整分配 A B C三相中一部分电 容器的位置才使中性点的不平衡电流降低为约 0 11A 在该变电站 3 电容器组在正常运行情况 下 中性点不平衡电流值达到 0 17 A 接近 0 2A 的保护整定值 导致 3 电容器组保护装置长期频 繁起动 影响保护装置的正常运行 笔者以 500 kV 变电站 35 kV框架式双星形 接线的电容器组在实际运行中碰到的问题为例 对中性点不平衡电流进行较详细的分析与计算 1 双星形接线电容器组不平衡电流的分 析与计算 1 1 双星形电容器组接线方式 框架式双星形电容器组的 2组电容器分别由 多台容抗相等的电容器串 并联组成 当 2组电容 器并联数不同时其容量也不相等 无论 2组电容 器容量是否相等 在正常情况下三相平衡时 两星 形中性点之间无电流流过 当任 1台电容器内部 元件被击穿而致使三相不平衡时 两中性点间流 过不平衡电流 对双星形电容器组进行分析 每相由 50台单 元电容器组成 其中 26台组成一个星臂 a1 其余 24台组成另一个星臂 a2 其电气连接示意图如 图 1所示 单元电容器铭牌标称的额定电容量为 8 79 LF 图 1 电容器组一相的 2个星臂电气连接图 根据电容串并联电路的原理 3 可以得出一 相的 2个电容量和一相的总电容量为 CPH1 E 6 i 1 CiM E 12 i 7 Ci E 19 i 13C iME 26 i 20C i 1 CPH2 E 32 i 27C iME 38 i 33C i E 44 i 39C iME 50 i 45C i 2 CPH CPH 1 CPH 2 3 式中 PH 表示 A B C相 Ci表示第 i个电容器的 电容量 进一步引申 推导出不同数量的并 串联电容 器计算公式 设某星臂的总并联组数为 M 每个 并联支路中串联组数为 N 第 i个支路中单元电 容器并联台数为 Pi i为 1 2 M 如图 2所示 图中仅画出 1个星臂 图 2 星臂电容器串并联图 则星臂的电容量计算公式为 C E M i 1 F N j 1 E Pi k 1 Ci j k E N h 1 F N j 1 jX h E Pi k 1 Ci j k 4 式中 Ci j k表示第 i个并列支路 第 j串的第 k 台 单元电容器电容量 由式 4 可以分别计算出 A B C三相各星 臂的电容量 1 2 双星形电容器组等效电路 下面以 1组双星形电容器组为例对中性点的 不平衡电流进行分析 其等效电路如图 3所示 图 3 双星形电容器组等效电路图 图中 XLA XLB XLC为串联 电抗器的感抗 ZTVA ZTVB ZTVC为放电 TV的等效阻抗 XA1 XA2为 A相电容器组 2个星臂的等效容 抗 XB1 XB2为 B相 2个星臂的等效容抗 15 第 5期 赵卫东 双星形电容器组中性点不平衡电流的计算与调整 XC1 XC2为 C 相 2个星臂的等效容抗 UA UB UC 为 35 k V母线三相电压 UcA UcB UcC为电容器端电压 UN为星形中 性点电压 IL为中性点电流 星形 1中 A 相等效导纳 阻抗的倒数 为 YA1 则 YA1 1 XA1 1 ZTVA jXCA1 1 ZTVA 由 于放电 TV等效阻抗的电阻分量很小 电抗分量 很大 因此 可将放电 TV看成 1个电感量为 LTV 的电感 4 因此 Y A1 jXCA1 1 ZTVA jXCA1 1 jXLTVA 整体呈容性 星形 2中 A 相导纳 YA2 1 XA2 jXCA2 呈容性 星形 1和星形 2各 相等效导纳见表 1 表 1 电容器组星形 1 星形 2等效导纳和各相总导纳 等效导纳 S星形 1星形 2总导纳 A相YA1 j XCA1 1 jXLTVA YA2 jXCA2YA YA1 YA2 B相YB1 j XCB1 1 jXLTVB YB2 jXCB2YB YB1 YB2 C相YC1 j XCC1 1 jXLTVC YC2 jXCC2YC YC1 YC2 1 3 双星形接线电容器组不平衡电流的分析与 计算 根据图 3等效电路和电路原理 3 有 IA IA1 IA2 IB IB1 IB2 IC IC1 IC2 5 IL IA1 IB1 IC1 IA2 IB2 IC2 6 IA1 UcA UN YA1 IB1 UcB UN YB1 IC1 UcC UN YC1 7 IA2 UcA UN YA2 IB2 UcB UN YB2 IC2 UcC UN YC2 8 UcA UN YA1 UcB UN YB1 UcC UN YC1 UcA UN YA2 UcB UN YB2 UcC UN YC2 0 9 由 9 式有 UN UcA YA1 YA2 UcB YB1 YB2 UcC YC1 YC2 YA1 YA2 YB1 YB2 YC1 YC2 UcAYA UcBYB UcCYC YA YB YC 10 由式 5 8 可得 IA UcA UcB YAYB UcA UcC YAYC YA YB YC UcABYAYB UcACYAYC YA YB YC 11 IB UcB UcA YAYB UcB UcC YBYC YA YB YC UcBAYAYB UcBCYBYC YA YB YC 12 IC UcC UcB YAYC UcC UcB YBYC YA YB YC UcCAYAYC UcCBYBYC YA YB YC 13 IL UcA YA1 YB2 YC2 YA2 YB1 YC1 YA YB YC UcB YB1 YC2 YA2 YB2 YC1 YA1 YA YB YC UcC YC1 YA2 YB2 YC2 YA1 YB1 YA YB YC 14 式中 YA1 YA2 YB1 YB2 YC1 YC2 YA YB YC可由式 3 4 和表 1中的公式计算得出 由以上分析可知 1 A B C三相各星臂的参数不完全均衡是 产生中性点不平衡电流的主要原因 计算表明 当 YA1 YA2 YB1 YB2 YC1 YC2时 即使 UcA UcB UcC三相电压不平衡 中性点电流也等于 0 即没 有不平衡电流 若各星臂参数不完全均衡 中性 点就会有不平衡电流 参数相差越大 不平衡电流 也越大 2 若 YA1X YA2 YB1X YB2 YC1X YC2 但 YA1 YB1 YC1 YA2 YB2 YC2 中性点电流 IL 0 双星 形接线的电容器组 若每个星形的 A B C三相参 数是相等的 即使星形 1与星形 2的参数不一样 也不会产生中性点不平衡电流 3 若 YA1 YA2 YB1 YB2 YC1 YC2 k 即星形 1与星形 2对 应相的参数成比例 则中性点电流 IL 0 假设 A 相电容器组星形 1中有电容器损坏 若更换的不 同批次的新电容器与原电容器之间参数有一定差 别 假设原电容是平衡的 当仅仅更换 A相星形 1中损坏的电容器时 平衡关系将被打破 则会出 现不平衡电流 因此 根据容量把新电容器平均地 分配在 A B C三相的星形 1和星形 2中 有助于 重新保持平衡关系 减少中性点不平衡电流 4 若各星臂的参数既不相等 也不成比例关 系 则中性点一定会产生不平衡电流 不平衡电流 大小主要取决于各电容器参数的差异 5 当中性点存在不平衡电流时 电压波动和 A B C三相电压不平衡也会影响中性点不平衡 16电力电容器与无功补偿 第 31卷 电流大小 电压波动范围比较大时 影响相应增 大 如在 2008年 10月 4日 投入电容器组的操 作顺序是 1 2 3 当投入 2 电容器组时 中性点 不平衡电流保护没有动作 但不平衡电流已经较 大 而当投入 3 电容器组时 2 电容器组不平衡电 流保护动作跳闸 其原因可能是 当投入 1 2 电 容器组时 35 kV母线的电压还较低 2 电容器组 中性点不平衡电流还没有达到保护整定值 而继 续投入 3 电容器组时 35 kV母线电压进一步升 高 致使 2 电容器组不平衡电流进一步增大 保 护动作跳闸 动作值 0 23A 6 从表 1中可以看出 若要使各参数均衡 除了电容器参数应尽可能相等外 3个放电 TV的 等效阻抗也应尽可能一致 由于放电 TV铁心存 在饱和现象 当放电 TV没有饱和时 等效阻抗呈 高阻抗 计算时可以忽略 当放电 TV 饱和时 等 效阻抗大大降低 这时会对中性点不平衡电流产 生较大影响 因此 应选择抗饱和能力强 伏安特 性一致的放电 TV 2 影响中性点不平衡电流大小的主要因 素及改善措施 2 1 中性点不平衡电流敏感度分析 为了进一步分析产生中性点不平衡电流的主 要原因 以便提出相应的改善措施 定义了 2个参 量 不平衡电流对电容量的敏感度和对电压的敏 感度 不平衡电流对电容量的敏感度和对电压的敏 感度分别定义为 SC i 5IL 5Ci 5IL 5 CM n 5CM n 5Ci 15 SUc M 5IL 5UcM 16 式中 i 1 2 50 M 表示 A B C相别 n 1 2 表示每相的星 臂 假定单个电容器的容量 Ci都等于标称额定 电容 即 Ci 8 79 LF 三相电压大小取运行时的 电压 UcA UcB UcC 21 2 kV 可以计算得出不 平衡电流对电容量的敏感度和对电压的敏感度 以 A相为例的计算结果见表 2 表 2 不平衡电流的敏感度计算结果 A相 不平衡电流的敏感度 对星臂 1中电容的 SCi 0 800A LF 对星臂 2中电容的 SCi 0 867A LF 对电压 SUcA 0 从表 2的结果可知 1 电容器容量的改变对中性点不平衡电流 有较大的影响 某个电容器的容量即使只改变 1 LF 中性点不平衡电流会改变约 0 8 A 一次 值 这也说明中性点不平衡电流保护具有良好 的动作灵敏度 2 两星臂串并联电容器个数不同 容量不同 时 各星臂中的电容对中性点不平衡电流的影响 程度略有不同 3 当满足 YA1 YB1 YC1 YA2 YB2 YC2或者 YA1 YA2 YB1 YB2 YC1 YC2 k 时 中性点不平衡电流不受系 统电压的影响 即不平衡电流始终等于 0 但是 当上述条件不满足时 中性点不平衡电流将不等 于 0 此时 不平衡电流与电压成正比 因此 双星形电容器组每相各星臂电容量的 不均衡是产生中性点不平衡电流的主要原因 2 2 降低中性点不平衡电流的措施 中性点不平衡电流主要是由电容器组各相各 星臂电容量不均衡产生的 因此 可以根据现场实 测的电容器容量 以 IL 0为目标函数 通过优化 调整使电容器组的 2个星形满足如下条件 CA1 CB1 CC1 CA2 CB2 CC2 或尽量使参数一致 就 可以大大降低正常运行时中性点的不平衡电流 根据上述分析计算方法 编制出双星形电容 器组中性点不平衡电流的快速计算程序 对35 kV 3 电容器组的电容进行了局部优化调整 使中性 点不平衡电流由整改前的 0 17A降低为 0 06 A 消除了保护装置经常误启动的缺陷 2008年 12月 17日 该 500 kV变电站 35 kV 2 电容器组不平衡电流保护再次动作跳闸 动作 值 0 33A 整定值为 0 2A 初步检查试验未发 现一 二次设备异常 实测各星臂的电容量值也基 本平衡 进一步测试每 1个电容器的电容量时 发 现 B2星臂中编号 B42的电容量仅有 7 35 LF 比 标称额定电容量 8 79 LF小 16 38 根据故障 17 第 5期 赵卫东 双星形电容器组中性点不平衡电流的计算与调整 后试验实测的参数 利用快速计算程序理论计算 出的不平衡电流为 0 327 A 与实际动作值基本 一致 不合格电容器更换后 利用快速程序理论 计算表明 需要重新调整电容器位置才能使中性 点不平衡电流符合要求 根据程序优化计算的结 果对 2 电容器组的部分电容器进行了重新调配 投运时实测的中性点不平衡电流仅有 0 03A 综上所述 双星形接线电容器组在安装调试 过程中 应根据单个电容器实测的电容量 合理地 分配电容 尽可能使 CA1 CB1 CC1 CA2 CB2 CC2 从而使中性点的初始不平衡电流降到最低 3 结论 大容量或特大容量的电容器组适宜采用双星 形接线 其中性点不平衡电流保护动作灵敏度高 能够准确灵敏地反映出电容器参量的变化以及各 种类型内部故障 有效地防止事故的发生 但是 双星形接线电容器组在实际运行中存在着 2个方 面的问题 1 中性点不平衡电流保护在保护动作电流较 小时 仅略大于保护定值 检查试验结果往往是 符合规程要求的 这时查找故障原因将花费较大的 人力物力 甚至找不出故障原因 影响恢复供电 2 正常运行时若初始不平衡电流偏大 保护 装置将频繁启动 过载运行 容易引起保护误动 作 加快保护装置老化 并且极易导致电容器装置 的各部件损坏 本文针对上述 2个问题 对双星形电容器组 中性点不平衡电流产生原因 影响因素进行较详 细地分析探讨 提出了降低中性点不平衡电流的 整改措施 经过几次现场实践证明 理论分析推 导出的不平衡电流公式和快速计算程序能够较准 确地计算双星形电容器组中性点不平衡电流 利 用理论优化计算结果指导电容器组的调整或更 换 中性点初始不平衡电流都大为降低 这减少了 电容器调整的盲目性 大大缩短了事故抢修时间 和停电次数 因而 提出的理论分析方法和措施 是合理可行的 对实际工程具有现实指导意义 参考文献 1 陆 明 张昭南 双星形电容器组中性点电流不平衡 保护仿真研究 J 广西电力技术 1999 3 4 6 2 张昭南 星形电容器容量不相等的双星形接线中性 点不平衡故障电流的计算 J 广西电力技术 2000 23 1 37 39 3 黄冠斌 孙亲锡 谭 丹 电路理论 电阻性网络 M 武汉 华中科技大学出版社 1998 4 江钧祥 放电线圈对双星形接线并联电容器组的电 流不平衡保护的