高壓并聯電容器的過電壓及防護

　　(2) 電容器組接入電抗器后，電容器端電壓升高。設升高的系數為K2，其值按下面方法計算。
　　三相電容器回路一般不存在偶次諧波，由于電源變壓器有一側為三角形結線，三次諧波在這個低阻抗線圈中循環流動，不流入電網，只要電容器母線上沒有諧波源，很少有三次諧波，電容器組投入運行后應測試一下以便驗證。
　　電容器組串聯電抗器可消除諧振、改善諧波電壓、降低合閘涌流。電容器的選擇主要是對占份量最大的5次諧波，設經串聯電抗器后恰能消諧，即　　

5ωL-1/(5ωC)=0

解得感、容阻抗比為

XL=ωL=1/(52ωC)=0.04Xc。

　　為了在所有高次諧波出現時，串聯電抗器應足以消諧，使感抗值大于容抗值，可引用可靠系數1.5，則XL=1.5×0.04X?C=0.06Xc。
　　電容器端子上電壓：

　　即K2=U?C/U=1.064U/U=1.064,電容器端子上電壓高出母線電壓6.4%。
　　(3) 電容器組如不裝串聯電抗器，則諧波引起電容器端子電壓升高的系數為K3，計算式可從傅里葉級數得知，非正弦電壓有效值計算如下：　　

式中　U1為基波電壓分量的有效值；UM為第M次諧波電壓分量的有效值。
　　設U1的數值等于額定電壓UN，5次諧波電壓U?5的數值為26.45%U?N。那么

　　(4) 電容器組相間電容差值引起過電壓的系數K?4可按下面的分析計算。
　　中性點不接地的星形結線電容器組由于三相電容不 平衡引起中性點位移，使電壓升高。為此應盡量縮小差值，在安裝前，應抄錄每臺電容器電容量并編號，將其分成電容量差不大于5%的三個組。對于單星形或雙星 形的電容器組，每組如有兩個臂，應使對應臂電容接近相等。經仔細操作可以做到三相電容差值小于2%。此時
　　K4=1+ΔC/(3C+ΔC)=0.05C/(3C+0.05C)+1=1+0.05/(3+0.05)=1.016
式中　C為每相電容值；ΔC為相電容差值。
　　(5) 并聯電容器組在運行過程中，由于電容器內部故障被熔斷切除后，故障段中剩余的健全電容器端子所承受電壓也將升高。設升高的系數為K5，可按下面分析計算。
　 　電容器組無論采用三角形結線或星形結線，每相都可以由一段或多段電容器串聯為相當的電壓等級，各段又由若干臺電容器并聯，組成所需容量的電容器組。例如 35 kV系統可用兩段10.5 kV的電容器串聯后，接成星形；66 kV系統可用兩段19 kV的電容器或三段12.7 kV的電容器串聯后接成星形。
　　電容器使用臺數應大于允許使用的最小并聯臺數，最小并聯臺數的計算公式見表1。不同安全系數K時，應小于最大并聯臺數。每段中電容器最大并聯臺數M?max見表2。
　　故障段健全電容器端子上承受的工頻過電壓計算公式見表1。例如某220 kV變電站裝設4組每組

表1　升壓系數K5及最小并聯臺數的計算公式表

表2　不同K時，每段電容器的最大并聯臺數
 

　　 此外，系統電壓的調整，可根據需要投切電容器或用計算機控制有載調壓變壓器的分節開關，由于操作時間短，規程規定為1.15Ue。對輕負荷時電壓升高，規 程也另有規定，即不超過1.2～1.3Ue，此值超過過電保護定值，可以自動切除部分或全部電容器。故輕負荷電壓升高也不在穩態過電壓計算值內。
　　上述各項綜合過電壓系數K=K1．K2．K3．K4．K5，如電容器組有串聯電抗則K3=1。
　　從以上計算得
　　K=K1．K2．K3．K4．K5=1.089×1.064×1×1.016×1.013=1.19>1.1
稍微超過標準，為努力降低三相電容差值，求得合乎規程，盡量選擇11 kV或12 kV代替10.5 kV，6.6 kV代替6.3 kV。

2　電容器組過電壓及避雷器
2.1　電弧重燃過電壓
　　開關分閘過程中，會形成電弧重燃過電壓。設開關在電壓最大 值，電流過零時電弧熄滅，電容器處于充電狀態，其電壓保持在系統電壓的最高值。此時開關觸頭間的電壓，一側為電容器電壓，另一側為電源電壓，電源變為負的 最大值時，觸頭間的電壓為電源電壓的2倍。假如開關彈跳或分閘速度慢且滅弧性能不好，開關弧隙絕緣恢復的速度低于恢復電壓增長的速度，則開關弧隙將被擊 穿，這時形成電弧重燃，它的過電壓可達額定值的4.5～5倍。
2.2　避雷器的選擇
　　只要電源不是架空線路引入，保護電容器的避雷器最 好采用氧化鋅避雷器。因為普通閥型避雷器在過電壓值低于避雷器的放電電壓時，沖擊過電壓使電容器充電。直到過電壓值達到避雷器的放電電壓時，閥型避雷器的 間隙被擊穿，這時電容器將對避雷器放電。由于電容器與避雷器間阻抗很低，雷電流和電容器放電電流的綜合值很大，有可能損壞電容器和避雷器，故一般避雷器不 能滿足電容器的要求。目前多采用具有殘壓低、通流大、時間響應快、能連續動作、壽命又長的氧化鋅避雷器。
2.3　電容器組斷開時的過電壓及避雷器的配置
　　投入電容器組產生的合閘過電壓一般不大于額定電壓的2倍，沒有分閘時大，按后者考慮即能滿足共同要求。下面分析避雷器的幾種接線情況。
　 　(1) 避雷器接在相—地間，如圖1所示，接法簡單，使用率高，但某種情況下滿足不了絕緣配合的要求。例如電弧重燃產生高頻電流，設A相重燃，A相電源經A相電容 和中性點電容C?N接通形成振蕩回路，出現過電壓。由于中性點電容遠較主電容C為小，則C?N阻抗大分壓也大，過電壓將出現在中性點電容C?N上，其值可 達定值的4.5倍。為此需要在中性點處配置氧化鋅避雷器。如果發生一相接地，接地相電容器將承受對地過電壓值的2/3。比健全相上的電容器過電壓高得多， 超過過電壓倍數不超過2倍的要求。再者是兩相保護元件殘壓之和，起不到限制相間過電壓的作用。

圖1　避雷器相—地間接線圖

　　(2) 避雷器接在相—中—地間，如圖2所示。其特點是保護元件直接并接在電容器極間，各相電容器過電壓由各自并聯的保護避雷器來限制，保護配合直接，不受其它因 素影響。而且對串聯電抗器上的過電壓也可以起到限制作用。這種接線的兩中性點的連接線要求對地絕緣，否則電容器組變成中性點接地系統。串聯電抗接在電容器 與避雷器之間。
　　(3) 三角形接法的電容器組的避雷器接法采用4臺避雷器(如圖3)。

圖2　避雷器相—中—地接線圖

圖3　三角形接法的電容器組的避雷器接法