毕业论文-牵引变电所并联电容补偿装置设计运行.doc

牵引变电所并联电容补偿装置设计运行毕业论文目 录摘 要-1第1章 成昆线并联电容补偿装置简介-21.1 并联电容补偿的综合作用-21.2 并联电容补偿方案-51.3 并联电容补偿主接线-6第2章 并联电容器支路确定-82.1 电容器并联支路数的计算-82.2 并联电容器组容量计算条件-92.3 并联电容器组容量计算-102.4 补偿装置谐波校验-12第3章 并联电容补偿装置整定计算-163.1 并联电容器的保护原则-163.2 并联电容补偿装置保护的整定计算-16第4章 运行分析-234.1 运行状态-234.2 原因分析-244.3 处理办法-274.4 存在的问题-27第5章 电容器及其微机保护的防雷工作-29第6章 电容器的实验-32第7章 电容器的安全使用-35结 论-37谢 辞-38参考文献-39西南交通大学成人教育学院 毕 业 设 计 （论 文） 纸 No 39 共 42 页摘 要电力机车总功率大，启动和加速快，过载能力强，运输能力大，能较好的满足现代铁路对快速、重载运输的需要。电力机车优点很多，但也存在诸多问题：其功率因数平均值为0.84，牵引变电所110KV电源侧功率因数，仅为0.750.78。同时产生以三次谐波为主的各次谐波电流，导致供电质量降低；负序、谐波等会对沿线通信线路造成干扰，额外占有发电设备的容量，降低主变压器的使用效率和容量利用率，甚至引起牵引负荷的谐振放大等，影响电力系统的运行和供电质量。为了有效改善电力牵引的供电质量，减少从电力系统中获得无功功率，提高牵引变电所的经济运行技术指标，须在变电所安装并联电容补偿装置。本文结合西昌供电段越西牵引变电所的实际运行情况，对并联补偿装置按传统的设计方法进行了设计校验，并针对运行过程中出现的问题进行分析并提出处理办法。关键词：并补装置 电容器 补偿 谐波第1章 成昆线并联电容补偿装置简介成昆线电气化改造是1997年开始施工，1999年正式投入运营的，按照电气化设计，电气化铁道牵引供电系统是单相接地系统，其负荷是单相整流负荷，所以功率因数较低，奇次谐波含量大。在三相电力系统中产生随机波动的负序电流。功率因数低，不仅造成三相压损，恶化供电质量，而且在系统中造成可观的有功网损和三相系统设备容量浪费。奇次谐波含量大，对电力系统极其设备产生多方面危害，如对附近通信线的干扰，谐振引起电容器过流，过压。可见，在牵引变电所安装并联电容补偿装置具有重要意义。他可以改善下列技术指标：1提高供用电系统及负载的功率因素，降低设备容量，减少功率损耗；2吸收谐波，降低谐波对电力系统的干扰和危害；3降低负序电流；4降低压损，提高网压水平。保证并补装置安全可靠的运行是并补装置继电保护的主要任务。并补装置在运行过程中，可能发生接地短路故障，电容器过电压事故，电容器绝缘破坏，因谐波引起的电容器发热事故，电抗器过热等事故。为预防事故的进一步扩大必须设置可靠的继电保护。在成昆线牵引变电所里,A.B两相母线均要设置并补装置。以西昌供电段成昆线越西变电所为例，越西到甘洛臂长50KM。越西到普雄臂长度也为50KM,负荷设计按照最大负荷600A。等要求进行确定.使用的设备有电容断路器，最大开断电流1200A,电容器容量2400KVAR,电抗器,阀型避雷器,电流互感器（100A/5A）,母线电压互感器（27.5KV/100V）,等设备.其中, 电容断路器,电容器,避雷器,电流互感器,电压互感器安装在电容室,电抗器,小电流互感器安装在高压室。1.1 并联电容补偿的综合作用1.1.1 牵引负荷的特性1. 随机波动性 由于列车在运行过程中的加速、恒速、惰行、制动等各种工况及运行中的坡道、弯道、站场、道岔、气候、司机操作过程等因素的影响，使牵引负荷随机波动。牵引负荷过程的主要特点是瞬态电流大幅度剧烈波动，从而使牵引变电所和牵引网上的电压发生波动，降低了牵引变压器的容量利用率。2. 非线性现行电力机车多为交-直整流型，运行过程是非线性的。正常运行时牵引电流的波形一般介于方波与三角波之间，含有明显的谐波成分,由于半波对称,其中只含有奇次谐波。牵引负荷流经大地时，会在地面空间造成不平衡电磁场，其谐波都处于音频带上，对临近通信线路产生的干扰不容忽视；同时，牵引负荷中的谐波可通过牵引变电所直接进入电力系统，额外占有系统及设备容量，引起附加发热；激发谐振，影响电容装置的正常运行等。3. 单相独立性和不对称性现行牵引变电所多为两相供电，一条馈线的负荷可能在另一条馈线上引起电压损失,从而影响其电压水平，但在正常网压范围内，由于机车自身的调节功能，其取流受到另一馈线的影响较小，谓之牵引变电所各供电臂取流的单相独立性。相对三相系统而言，牵引负荷具有不对称性。单相独立的牵引负荷也独立的在牵引负荷中造成负序，即使采用平衡变压器，由于两臂负荷的随机独立性，也存在未被平衡的剩余负序电流进入电力系统，给电力系统的运行造成不良影响。1.1.2 并联电容补偿装置的综合作用无功功率和负序功率在电力系统中流通，直接影响到系统的技术指标和经济性能。并联电容补偿装置通过对无功、负序的综合补偿，尽可能的改善系统运行的技术指标，达到降低网损和释放设备容量的目的。1. 提高功率因数如图1-1示：设U1为电源电压，r1及x1为电力系统及牵引变压器每相的电阻和电抗，U2为牵引变电所母线电压，XC为并联电容器的容抗，XL为串联电抗器的感抗，Ij为牵引负荷，IC为电容器容性电流。从相量图可知，安装无功补偿装置以后，牵引变电所的功率因数由cos1提高到cos2。图1-1 补偿装置原理图2. 提高牵引变压器的容量利用率，降低安装容量，节约运行基本电费支出。由于并联补偿装置补偿了无功和负序，使流经电力系统的电流小于未补偿前的电流，显然降低了电力系统的能耗，从而降低了牵引变压器的安装容量，即提高了设备利用率，或者说进一步开发了设备容量，增大了供电能力。3. 改善电力系统的电压质量，提高母线电压。如图一，若电源电压U1保持不变，则补偿前后的电压方程式分别为：U1=Ij(r1+jx1)+U2 （未补偿）U1=I (r1+jx1)+U3 （补偿后）因IU2，即提高了牵引变电所母线电压。若保持U2不变，则补偿后，电源电压可以允许变小，即在保证用户电压水平的前提下，允许电源电压适当降低，或者说可以在交大范围内波动，从而改善了电压质量。4. 吸收高次谐波，具有滤波作用。影响并联补偿装置滤波效果的因素主要取决于装置本身的容量，即谐波阻抗的大小、电网容量和运行方式，因此，在设计中要注意XL和XC的匹配关系，同时还必须注意（nXL-XC/n）与系统谐波阻抗性质的一致性。1.2 并联电容补偿方案1.2.1 并联电容补偿方案考虑到运行管理方便和当前技术发展状况，一般在牵引变电所内集中安装不可调补偿装置（随着力调考核计量方式的发展，要求补偿装置能够自动投切），同时，为了取得良好的补偿和滤波效果，优先选用两相补偿方案，使两臂牵引负荷高次谐波均能得到吸收，结合供电臂的不同相位，实行两臂不等量补偿。即根据两臂负荷大小确定总补偿容量后，采取滞后相多补，引前相少补的原则，进行两臂的合理分配。这样做可以在总补偿容量不变的前提下，力求各项功率因数趋向平衡，提高无功补偿效果，同时改善滞后相电压质量和牵引负荷对电力系统的负序影响。以Y/-11变压器接线为例，对上述补偿方案进行论证。 图1.2 三相Y/-11变压器线圈电流分析如图1.2，负荷在滞后相线圈中产生感性电流，而滞后相的牵引负荷在引前相线圈中产生容性电流。即使在两臂负荷和功率因数相等的条件下，牵引变压器滞后相电压损失要比引前相大，如果滞后相的功率因数比引前相低，电压损失会更大。因此，在总补偿容量一定的情况下，适当加大滞后相的补偿容量，对平衡各相功率因数和弥补滞后相电压损失过大是有利的。尤其对于电源电压较高，牵引变电所距电源点近且处于空载时，补偿会引起牵引母线电压升高到图一所示的U3，在此情况下，引前相母线电压高于滞后相，因此，适当减少引前相的补偿容量对接触网的运行是有利的。1.2.2 改善负序问题的探讨：设Uac为基准相量，得出：I2=1/3*Iq2+Ij2-2IqIjcos(1-2)(1/2)从式中可以看出，当1=2时，负序电流最小，要达到此目的，也必须提高滞后相的补偿容量。1.3 并联电容补偿主接线根据牵引负荷特点和运行条件，应合理选择并联电容补偿装置的主接线，一般情况下，主接线设备应包括下列设备：1. 补偿无功用的电容器组。2. 串联电抗器，用于限制合闸涌流和分闸断路器的重燃电流，防止并联补偿装置与系统发生高次谐波并联谐振，吸收牵引负荷高次谐波，以及在发生短路故障时保护电容器。3. 投切电容装置的断路器。4. 为检修方便，保证明显的断开点的同时将电容对地短接，装设隔离开关。5. 保证电容器退出运行时放电，应采用放电线圈或电压互感器。6、 为防止大气过电压，采用避雷器（或者保护电路）。7、 单台电容保护的熔断器。第2章 并联电容器支路确定无功补偿用电容器组应使电容器的额定电压与接入牵引变电所母线的运行电压相匹配，不得低于所承受的最高工作电压，并且应尽量使电容器输出额定功率。因此，电容器组额定电压不得低于下面的计算值：UchUmax/(1-1.15)Umax牵引变电所最高母线电压，取29KV补偿装置的调谐系数（电抗比）1.15考虑电容器、电抗器的制造误差和电网频率的允许误差对值的影响系数2.1 电容器并联支路数的计算m=Q安/（nQ0）Q安 电容器实际安装容量Q0单台电容器容量n电容器串联数并联支路数应受下列允许值限制：最小允许值：mmin=(n-1)/(n-Uc1/U)Uc1电容器组工作电压（KV）U 故障电容器组电压，用电容器过电压1.1倍作为限制条件（KV）最大允许值：mmax=2W允*106/C0U02W允电容器允许的放电能量C0U02单台电容器故障瞬间具有的放电能量U0电容故障瞬间电压降C0单台电容器额定容量在牵引供电系统中，电抗器一端应接地，这样可使C-L接点对地电压小于电抗器两端都不接地的接线方案。同时，在施工时，应尽量避免接地网直接埋在电抗器下方，防止其动态工作特性发生变化，引起高次谐波谐振，造成不良后果。2.2 并联电容器组容量计算条件2.2.1 确定计算步骤按电力系统与滤波支路组成的网络确定安全上限滤波率，从而确定综合最佳技术方案（按两臂补偿进行计算）。步骤一：设定偏差因子f1%（设备制造安装、运行误差和电网频率偏移等引起的综合误差），输入已知数据，赋初值，确定预想滤波率dn。步骤二：调谐系数。步骤三：选定计算模型，由预想滤波率确定支路基波容性无功功率比例系数pn；由网络结构参数确定实际滤波率dmn。步骤四：若实际滤波率dmn已稳定，便根据已确定的、dn等计算有关技术参数。步骤五：选择电容器和电抗器。步骤六：支路投切的暂态过程计算与校验及稳定运行校验。步骤七：输出有关参数及滤波效果的技术指标。2.2.2 确定计算条件（按目前常用的计算方式确定运行参数，同时，只考虑对含量较高的三次谐波进行滤波）。按完成实际行车量的要求，货车数由近期运量确定，考虑10%的波动系数；其他各类型列车按满载货车之计算条件如下：1、变电所名称：西昌供电段越西变电所变压器接线方式：三相/两相平衡变压器，电压比为110/27.5KV，短路电压为10.5%。变压器容量为2*16000KVA。最大运行方式下系统综合阻抗有名值为8.611，最小运行方式下系统综合阻抗有名值为11.775。补偿端口最大运行方式下系统综合阻抗有名值为5.74，补偿端口最小运行方式下系统综合阻抗有名半列进行计算。2、按完成实际行车量的要求，货车数由近期运量确定，考虑10%的波动系数；其他各类型列车按满载货车之半列进行计算。3、按牵引变电所平均有功功率计算负荷需补无功容量，在本设计中只考虑第一象限无功计量。鉴于线路为运量不大的单线铁路，按牵引变电所无电概率的90-95%考虑调整。4、补偿前，牵引侧功率因数为0.82，110KV侧功率因数为0.78。为使滤波装置安全、稳定的运行，应考虑最小运行方式的综合阻抗7.85。考虑电网频率的波动、运行环境等影响因素，取综合偏差因子为0.02。同时，实际构成滤波装置时，电容器串、并组合的容量离散度和安装容量总大于计算容量，为满足滤波时对无功的补偿要求且不过补偿，选择补偿后110KV侧功率因数按0.9（滞后）计算。5、无功补偿装置的调谐系数取0.125。序号车类列数1货 上行/下行28/432客 上行/下行12/123空 上行/下行12/0表2-1 列车对数（列/日）结合线路实际情况，考虑上、下行机车单位能耗一致，列车追踪间隔时间考虑为7分钟；货车牵引重量按3000吨计算，单耗为93.5KWh/万吨公里，时速为70 kM/h；客车牵引重量按1000吨计算，单耗为121.8KWh/万吨公里，时速为100 kM/h。示意图超前相（25km） 滞后相（28km）列车带电走行时分（min）货上行/下行21.43/21.4324/24客上行/下行15/1516.8/16.8空上行/下行15/016.8/0列车走行时分（min）货上行/下行31.43/31.4334/34列车牵引能耗（KVA.h）货上行/下行801.25/801.25915.4/915.4客上行/下行404.5/404.5441.04/441.04空上行/下行404.5/0441.04/0表2-2 牵引计算结果2.3 并联电容器组容量计算一、根据第四节的计算条件，按现行计算原则，首先考虑无功补偿效果，然后校验滤波情况。具体计算如下：1.补偿前平均有功功率P计算：两供电臂平均电流分别为：I前=1.667Ni*Ai*10-3=1.667*(28*801.25+43*801.25+12*3*404.5)*10-3=119.11AI后=1.667*（28*915.4+43*915.4+36*441.04）*10-3=134.81A则平均有功功率为：P前=IpUecos=119.11*27.5*0.82=2686(KVA)。P后=IpUecos=134.81*27.5*0.82=3040(KVA)。式中Ip供电臂平均电流。Ue牵引变电所母线额定电压。cos补偿前牵引侧功率因数。2、变电所无电概率计算：两供电臂列车追踪间隔分别为：n前=（31.43+31.43）/7=8.98n后=（34+34）/7=9.714两供电臂带电平均概率为：P前=（71*21.43+24*15+12*15）/（1440*8.98）=0.15942P后=（71*24+36*16.8）/（1440*9.714）=0.16505两供电臂无电概率为：N前=（1-0.15942）8.98=0.2102N后=（1-0.16505）9.714=0.1734则变电所的无电概率为：N0=0.2102*0.1734=0.036453、两臂补偿无功容量计算（考虑第一象限无功）：Q前=P前（1/cos21-1）-（1/cos22-1） ）/（1-0.109824）=2686*0.317/0.89=95kavrQ后=P后（1/cos21-1）-（1/cos22-1） ）/(1-0.109824)=3040*0.317/0.89=1083kavr4、两臂安装容量计算：Q前安=（1-0.125）（40/27.5）2*956=1783kavrQ后安=（1-0.125）（40/27.5）2*1083=2004kavr5、两臂实际安装容量计算选用BWF10.5-100-1W型电容器，则两臂的并联支路数分别为：m前=1783/（4*100）=4.46=5m后=2004/（4*100）=5.01=6两臂实际安装容量分别为：Q前实安=5*4*100=2000（Kvar）Q后实安=6*4*100=2400（Kvar）6、并联支路数校验：mmin=(4-1)/(4-31.43/11.55)=2.34mmax=2*4000*106/(2.89*(1.2*1.414*10.5*1000)2)=8.727 校验合格2.4 补偿装置谐波校验2.4.1 两臂并补装置参数计算式如下：XC0=C2CH*103/Q0 XC1=n*Xc0/m XL1=aXc1Uc1=UM/(1-a) Ic1=Uc1/Ic1 ICH=Q0/UCHXCLn=Xc1/n-nXL1电力系统阻抗归算到27.5KV有名值:最大运行方式下: Xs=3.6482最小运行方式下: Xs=6.81232.4.2 变压器单相阻抗归算Xb=2*27.52*10.5/(100*16)=9.9528包括主变在内的系统谐波阻抗计算式如下:超前相:Xsn=n(2Xs+Xb)滞后相: Xsn=n(3 Xs /2+Xb)项 目超前项滞后项串、并联数n *m4*54*6实际安装容量（kvar）20002400单台电容器容抗XC01101.981101.98电容器组基波容抗Xc1881.58734.65电抗器基波感抗XL1110.291.83电容器组基波电压Uc131.4331.43电容器组基波电流Ic135.6542.78电容器组额定电流Ice47.6257.14并补装置谐波阻抗3次 XCL336.7430.615次 XCL5374.68312.227次 XCL7645.46537.86系统阻抗基波23.577420.17133次70.732260.51395次117.887100.85657次165.0418141.1991表2-3 两臂并补装置参数计算表两供电臂列车带电平均电流分别为:I前=2.4*801.25/21.43=89.734(A)I后=2.4*915.4/24=91.54(A)查阅供电臂95%最大车数一览表，结合现场实际运行情况得两供电臂的最大车数:K前=3.52K后=3.11则两供电臂归算到27.5KV的谐波电流分别为:I3前=0.5*3.52 *89.734*0.2=16.84(A)I5前=0.5*3.52 *89.734*0.1=8.42(A)I7前=0.5*3.52 *89.734*0.06=5.052(A)I3后=0.5*3.11 *91.54*0.2=16.14(A)I5后=0.5*3.11 *91.54*0.1=8.07(A)I7后=0.5*3.11 *91.54*0.06=4.842(A)由谐波分流计算IcLn=InXsn/(Xsn+XcLn),得到流入并补装置中的谐波电流为：ICL3前 =16.84*70.7322/(70.7322+36.74)=11.08(A)ICL5前 =8.42*117.887/(117.887+374.68)=2.015(A)ICL7前 =5.052*165.042/(165.042+645.46)=1.029(A)ICL3后 =16.14*60.5139/(60.5139+30.61)=10.72(A)ICL5后 =8.07*100.8565/(100.8565+312.22)=1.97(A)ICL7后 =4.842*141.1991/(141.1991+537.86)=1.007(A)其等价三次谐波电流为：I前等 =（11.08）2+(5*2.015/3)2+(7*1.029/3)2=11.82(A)0.5Ice前I后等 =（10.72）2+(5*1.97/3)2+(7*1.007/3)2=11.46(A)0.5Ice后通过以上校验得出结论：谐波电流校验合格，下面进行谐波电压校验。由Ucn=IclnXcn得两供电臂并补装置的电容器电压分别为：Uc1前 =31.43(KV)Uc3前 =11.08*881.58/3=3.26 (KV)Uc5前 =2.015*881.58/5=0.36(KV)Uc7前 =1.029*881.58/7=0.13(KV)则Uc前 =31.432+3.262+0.362+0.132 =31.6(KV)1.1UCH前。Uc1后 =31.43(KV)Uc3后 =10.72*734.65/3=2.62(KV)Uc5后 =1.97*734.65/5=0.29(KV)Uc7后 =1.007*734.65/7=0.11(KV)则Cu后 =31.432+2.622+0.292+0.112=31.54(KV)Izd其中：I并补支路总电流基波分量Izd电流速断整定值Izd =KK*IylKK可靠系数，一般取1.2Iyl并补装置投入时的涌入基波电流，按电容器组额定基波电流的计算见后。Iy前=182.4A Iy后=218.8A整定值如下：Isd前=182.4*1.2/20=10.94AIsd后=218.8*1.2/20=13.13A动作时限：0S3.2.2 过电流保护1、用于电流速断的后备保护及并补装置内部部分接点故障的保护，电流取自供给并补装置的总电流，其整定原则为：整定电流应小于最大正容差电容器长期允许电流，一般为1.3倍额定电流；用延时的方法躲过合闸涌流。2、整定计算：Ice前=47.62， Ice后=57.14动作方程：IIzd其中：I并补支路总电流基波分量Izd过电流整定值定值计算：Izd =KK*IceKK可靠系数，一般取1.3Ice并补装置基波最大负荷电流：Ice前=47.62， Ice后=57.14整定值如下：Igl前=47.62*1.3/20=3.1AIgl后=57.14*1.3/20=3.71A动作时限（按躲过并补装置最大合闸涌流整定）：0.5S3.2.3 高次谐波过流保护1、用于并补装置谐波过电流保护，可根据流入并补装置的高次谐波允许值进行整定，电流取自供给并补装置的总电流。2、整定计算：谐波等价三次电流如下：I前等=11. 82I后等=11.46动作方程：I等Izd其中：I等并补装置3、5、7次谐波等价3次电流Izd谐波过电流整定值整定计算：Izd =Ihn/kkIhn电容器允许谐波电流值kk可靠系数，一般取1.2I谐前=47.62*0.5/20=1.2AI谐后57.14*0.5/20=1.43A动作时限:t=120S3.2.4 过电压保护1、用于保护并补装置的过电压。电压取自27.5KV母线电压，过电压受电容器装置的基波过负荷和电动车组的允许过电压两方面的限制。电容器装置最大使用电压，要在其额定电压的110%以下，保护延时动作于跳闸。2、整定计算：动作方程：UUzdU母线电压基波分量Uzd过电压定值整定计算：Uzd=(1.11.3)UnUn母线额定电压计算Uzd=1.15*100=115V整定时限：T=2S3.2.5 低电压保护1、为并补装置“最后投入，最先开放”的原则而设置，低电压保护无特别保护意义，但设置其目的在于：防止在无负荷时电容器和变压器同时投入。因为在此情况下，会有很大的合闸涌流通过变压器和并补装置，使并补装置过电压或过电流，甚至使变压器、电抗器铁心严重饱和，所产生的高次谐波将可能引起谐振放大，此时，由于没有抑制谐波的有功负荷，该次谐波将被放大很多倍，给装置和系统带来严重后果。在电流恢复时，仅电容器不在投入状态，这样可防止电压恢复时，电容器上的残压大于10%的额定电压，避免恢复电压和残余电压迭加可能造成的装置过电压。低电压的电压检测也取自27.5KV母线电压。2、整定计算：动作方程：UUzdUcd并补装置两组串联电容器电压基波分量之差Uzd差压定值计算步骤：1）确定电容器组中故障电容器端电压超过1.1倍额定电压时，熔断器已切除电容器的台数K。按MU max/(N(M-K)(1-D)+K)1.1Ucn式中：M并联电容器数N串联电容器数D补偿度Umax母线最高电压Ucn电容器额定电压经计算得出K=1计算差电压：U=（M-（N-1）（M-K）*Umax/（N（M-K）（1-D）+K）定值计算：Uzd=U/KK（KK可靠系数，取1.31.5）Uzd=8.37动作时限：T=0.1S3.2.7 差电流保护用于并补装置接地故障的主保护，其原理图如下：图 3-1 差流保护原理图整定计算方案：1、保护功能主要用于并补装置的绝缘不良或者接地保护。2、整定计算：动作方程：IcdIzdIcd并补装置差电流基波分量Izd差电流定值定值计算：Izd=KK*Ktx*fmax*Imax其中：Imax=(1+(Xc/Xl)(1/2)In式中：KK可靠系数，一般取1.3Ktx同型系数，顶流互与底流互同型时取0.5，不同型时取1.0fmax流互最大允许误差，取0.1Imax并补装置投入时涌流有效值In并补装置额定电流具体计算：I前max=182.4AI后max=218.8AIzd前=1.3*1*0.1*182.4/20=1.19AIzd后=1.3*1*0.1*218.8/20=1.42A动作时限：根据故障要求取 T=0S第4章 运行分析另外，保护系统必须注意补偿电容器在自动投入时，电容器上的电压叠加问题，当一组电容器退出运行后，在再投入前，必须保证其充分放电后再投入运行。保证其在再投入时其上的残余电压值降低到允许的电压范围以内，避免由于再投入时残余电压与额定电压的叠加造成电容器上的过电压损坏。其次控制系统中，特别需要注意的是工作电源、信号电源等检测量的相位的正确配置。正确的向量配置是设备调试能顺利进行的有力保证和最起码的要求，否则，会给调试工作带来不必要的麻烦和增加许多不必要的工作量，以至于有时可能会调不出正确结论。 高压电容器自动补偿装置的保护和控制，除常规的保护和控制外，还有一些特殊的需要注意的问题。我们在实际工程中遇到的一些在保护系统设计和调试过程中容易忽略的问题，一并在此作简单介绍。在实际工程中，根据电动机数量，一般采用78步控制投入。保护系统除过电压、过电流等常规保护外，必须注意采用完善的三相保护，避免因单相故障造成的保护失灵和故障扩大。合理配置限制涌流的电抗器，严格防止电磁谐振现象造成的破坏。控制系统的设计随着使用元件不同结构略有差异。例如：补偿装置的接触器，若使用电磁式真空接触器，开/停为一个信号的10状态，若使用机构式接触器或者采用真空断路器时，其开/停必须是两个独立的信号。两种控制各有优缺点，从节能、噪音等不同角度各有不同结论。仁者见仁，智者见智。设计可根据工程具体情况采用经经济、合理、实用和技术先进的设备配置。采用机构式接触器或者采用真空断路器时的控制原理见电容器自动补偿装置控制原理图。4.1 运行状态为了验证装置设计运行的正确性，下面列出西昌供电段成昆线越西牵引变电所A相并联补偿装置的运行情况。投运日期：1999年12月19日。故障情况：1、2002年11月9日5时12分，221DL低电压动作；9时20分，值班人员投运A相并补装置，201A动作。巡视电容室发现：真空221DL灭弧室击穿，绝缘支持杆及上部支持瓷瓶烧坏，27.5KV母线避雷器动作1次。2、2002年11月21日8时09分，221DL低电压动作；13时36分，值班人员投运，201A动作。巡视电容室发现，221DL真空灭弧室击穿，断路器机构箱顶烧出一圆弧形小孔，绝缘支持杆及上、下部绝缘支持瓷瓶烧坏，27.5KV母线避雷器动作。3、2002年11月29日3时06分，A相低电压动作；18时08分，值班人员投运221DL。巡视高压室发现，电抗器着火。在一个月内，该组补偿装置连续发生三次较大故障，为了搞清设备故障原因，按照事故处理“四不放过”的原则，我们作了大量的试验论证工作。4.2 原因分析经过分析，造成上述故障现象的可能原因在两个方面：1、系统操作过电压。2、系统内过电压。为了查清故障真正原因，我们总体作了下列试验工作，并进行了初步故障原因分析：1、检查保护装置的整定值低电压动作电压60V，动作时限0.1S。动作时限0.1S明显偏短，一旦接触网线路出现短路故障导致母线电压降低时，投切并补装置的断路器便会接受“低电压动作”的命令而动作。由于该段线路为混合牵引线路，瓷闪情况频率大， 211、212DL（馈线断路器）、221DL动作频繁，由此产生的分闸过电压对装置的冲击次数较多，致使并补装置回路电气设备绝缘逐步破坏，出现烧坏电抗器的故障。2、检查断路器的工作性能出现第一次故障后，我们对断路器的工作性能进行了检查和恢复：断路器分、合闸时间符合规定；断路器行程、超程符合规定；断路器绝缘符合规定；真空灭弧室真空度符合规定。3、检查并补装置的调谐系数我们对调谐系数进行了校验：为了排除相邻运行线路对电抗器参数测试的影响，申请全所停电对各项参数进行测试（采用交流调压法测试感抗进行验证），各项指标均符合规定。4、检查一次保护设备1）通过检查，该并补装置在设计变更时，考虑到单个设备的耐压性能，取消了分、合闸并联保护回路，以母线避雷器作为电容器分合闸过电压的放电回路。同时电压互感器也作为放电回路之一对电容器进行放电，防止在下一次投运时电容器电压过高。2）电抗器末端接地良好，各种地线布置合理，不会对电抗器的动态感应特性产生较大的影响。5、电力系统相序核实电力系统是否因“农网改造”或“负荷调整”对相序进行了调整，导致牵引变电所的重负荷臂落在了滞后相，而装置设计滤波能力不足，造成系统某次高次谐波振荡产生“系统内过电压”。经过核实，电力系统未对相序进行调整。6、分析操作过电压的情况并补装置合闸过电压分析（如下图）：图 4-1如上图，投入并补装置时，电路方程如下：UR+UC+UL=EiR+Ldi/dt+(1/C)*idt=E其中i=Cdu/dt，得出下式：LCd2uc/dt2+RCduc/dt+uc=E通过对上式计算分析可以得出结论：电容器两端最大合闸过电压可达母线电压的两倍；电抗器最大合闸过电压约等于母线电压，为电抗器额定运行电压的78倍。为方便分析，按照“并联电容补偿装置合闸过电压的研究”提出的仿真计算模型作出下列示意图：图4-2 （零初始状态下）电容器、电抗器电压最大值随初始相位角变化的曲线图 4-3 （零初始状态下）电容器、电抗器电压最大值随初始相位角变化的曲线同理，也可作出非零初始状态下的曲线。7、综合分析1）在零初始状态下，电容器最大电压可达额定电压的78倍，电抗器最大电压可达额定电压的一倍以上。2）在非零初始状态下，电容器最大电压可达额定电压的10倍以上，电抗器最大电压可达额定电压的2倍以上。3）在分闸过程中，操作过电压可达电容器额定电压的3倍、5倍甚至7倍以上。4）电容器、电抗器的电流接近，但电压矢量方向相反，两者电压之和就不一定超过母线上避雷器的放电电压值，因此，即使在电容器或电抗器上产生很高的过电压，母线避雷器也有可能不动作，从而造成电容器或电抗器损坏。8、运行证明为了搞清现场设备运行情况与计算数据的差别，在2003年元月，分别在电容器和电抗器的首端加装了氧化锌避雷器，型号分别为YHWR51-134和YH5WZ-17/45。YH5WZ-17/45的共频动作峰值电压约为25KV，在三种情况下都会动作：投切并联电容补偿装置时、线路机车进入供电臂或机车大电流启动时。为了确保运行，将YH5WZ-17/45更换为YHWR42/120，但此举无疑证明了系统内过电压的存在。鉴于上述试验和分析，我认为造成上述故障的时间关系为：当并补装置因保护动作切除运行时发生操作过电压或系统内过电压破坏设备绝缘，在此情况下投入并联电容补偿装置，势必发生放电击穿。 4.3 处理办法在搞清楚原因之后，我们决定采取如下措施：1、调整整定值，将低电压动作时限调整为0.5秒。2、加装避雷器，分别在电容器、电抗器首端加装避雷器，对装置进行单独保护。3、注意维护，加强检修质量。4.4 存在的问题通过本次设计，笔者发现一些疑难问题，还请老师指导：问题一：随着电气化铁路运输事业的不断发展，新型电力机车的投入使用，计算设备容量所需的负荷曲线已不能按照传统的计算方法进行确定；问题二：补偿装置的计算容量，按传统方式，主要考虑三次滤波的调谐系数，不一定能够保证并联电容补偿装置不产生“系统内过电压”。问题三：随着计量方式的改变，应尽快研制出稳定可靠的自动投切补偿装置。第5章 电容器极其微机保护的防雷工作随着科学技术的日新月异，微机保护和自动化装置以其高度的灵敏性，速动性和维护管理的方便性，在电力系统中得到了飞速的发展和广泛的应用。但微机系统越是先进，芯片的集成度就越高，电路越复杂，工作电压越低，对环境稳定性的要求也越高。抗干扰和耐冲击始终是微机系统在电力工业恶劣电磁环境下应用中的两大薄弱环节。而雷击事件由于其极高的电压幅值和不可预测性更是微机系统的“天敌”。它极大的威胁着现代化变电所的运行安全，应该引起我们足够的重视。5.1 问题的提出越西牵引变电所地处大凉山地带。属雷害比较严重的区域。该所始建于90年代末期，由于原来是按常规所设计，标准比较低。近年引进一些微机装置后，雷害现象频频发生。比较严重的就先后发生了三次由于雷电波通过所用变低压侧和两路引出的通信电缆入侵，致使远动柜的电源插件、RTU信号插件、UPS和后台监控微机都受到了不同程度的损坏。2002年底我们专门组织了技术力量，在上级部门的支持下对该所进行了有针对性的防雷整改。1、距离该所50km的甘洛牵引变电所，全所使用全套微机保护、监控及自动装置，投产7年从未发生过类似的雷害事故。2、该所虽屡遭雷害，使远动和微机装置多次烧毁，但该所的电磁式保护回路却未发生任何雷害事件。3、距离该所仅50km的普雄牵引变电所在2002年发生了一起雷电波侵入，引起了新改造的微机线路保护装置的电源和部分输入模块烧坏的事故，而其他的常规的电磁式保护和自动装置却完好无损。5.2 收集分析为了有针对性和客观性分析问题，我们搜集了近几年本地区几起雷害事故进行比较研究，在研究中我们发现了几个值得注意的现象：5.2.1 雷电波的侵入过程雷电波通常是通过变电所临近的5km线路侵入110kV母线，再经过110kV所用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，闯入低压出线。途中经过了27.5kV线路阀式避雷器、母线阀式避雷器和所用变阀式避雷器3级削峰，再经过所用变低压出线的平波作用，电压幅值大为下降。但由于雷电波的电压、能量极高，且阀式避雷器等设备技术上的局限性，虽然绝大部分的雷电能量都能在到达设备之前得以消除，但雷电波仍可能以幅值相对很高，但作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式，通过所用变压器的低压出线，加到变电所内所有的220V交流回路中。还有一种情况，就是感应雷电波通过调度远动系统的RTU设备和信号采集的二次电缆入侵，以很高的电压直接加到远动系统的信号和传送端上，造成接收和发送端模块烧坏。5.2.2 微机设备屡遭雷害的原因变电所的保护和合闸电源直流系统的整流充电系统设计容量都比较大，电压耐受能力也比较好。而且由于大容量电池组吸收尖峰脉冲的作用，和整流回路的平波作用，加到保护装置上的脉冲电压大大降低。再加上常规的电磁式保护装置的元器件多为单元件的电阻、电容和电感线圈等，耐热容量大，对尖锋脉冲的耐受能力也比较强，所以能安全度过低能量、高电压的冲击暂态过程。但对于使用超大规模集成电路，运行电压只有数伏，信号电流仅为A级的微机装置来说，就不一定能经受得住。这就是造成微机装置损坏而常规保护装置却能安全运行的关键原因。5.2.3 远动载波系统受雷害特别严重的原因首先是电源方面：调度的远动载波系统多由独立的