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电力系统电压与无功补偿

作者:未知     文章来源:未知    更新时间:2007年08月01日     
内容预览
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。
1. 电压与无功补偿
电压顾名思义就是电(力)的压力。在电压的作用下电能从电源端传输到用户端,驱动用电设备工作。
交流电力系统需要电源供给两部分能量,一部分将用于作功而被消耗掉,这部分电能将转换为机械能、光能、热能或化学能,我们称为“有功功率”。另一部分能量是用来建立磁场,用于交换能量使用的,对于外部电路它并没有作功,由电能转换为磁能,再由磁能转换为电能,周而复始,并没有消耗,这部分能量我们称为“无功功率”,无功是相对于有功而言,不能说无功是无用之功,没有这部分功率,就不能建立感应磁场,电动机、变压器等设备就不能运转。在电力系统中,除了负荷无功功率外,变压器和线路的电抗上也需要大量无功功率。
国际电工委员会给出的无功功率的定义是:电压与无功电流的乘积为无功功率。其物理意义是:电路中电感元件与电容元件活动所需要的功率交换称为无功功率。
电容和电感并联接在同一电路时,当电感吸收能量时,正好电容释放能量;电感放出能量时,电容正好吸收能量。能量就在它们中间互相交换。即电感性负荷所需的无功功率,可以由电容器的无功输出得到补偿,因此我们把具有电容性的装置称为“无功补偿装置”。
电力系统常用的无功补偿装置主要是电力电容器和同步调相机。
若电力负荷的视在功率为S,有功功率为P,无功功率为Q,有功功率、无功功率和视在功率之间的关系可以用一个直角三角形来表示,以有功功率和无功功率各为直角边,以视在功率为斜边构成直角三角形,有功功率与视在功率的夹角称为功率因数角。有功功率与视在功率的比值,我们称为功率因数,用cosf表示,cosf = P/S。它表明了电力负荷的性质。
P = UIcosf
Q = UIsinf
S = (P2 + Q2)1/2 = UI
有功功率的常用单位为千瓦(kW),无功功率为千乏(kvar),视在功率的单位为千伏安(kVA)。
无功功率按电路的性质有正有负,Q为正值时表示吸收无功功率,Q为负值时表示发出无功功率,在感性电路中,电流滞后于电压,f > 0,Q为正值。而在容性电路中,电流超前于电压,f < 0,Q为负值。
这就是人们通常称电动机等设备“吸收”无功而电容器发出“无功”的道理。
2. 电压水平与无功功率补偿
当输电线路或变压器传输功率时,电流将在线路或变压器阻抗上产生电压损耗,下面以一条输电线路为例来分析这个问题。一段输电线路的单相等值电路,其中R、X分别为一相的电阻和等值电抗,U1、U2为首未端相电压,I为线路中流过的相电流。
为了说明问题,以线路末端电压U2为参考轴,设线路电流I为正常的阻感性负荷电流,它滞后于U2一个角度f,电流流过线路电阻产生一个电压降IR,它与电流向量同方向,同时,线路电流也在线路上产生一个电压降IX,它超前于电流向量90度,U1就是U2、IR、IX三个电压的和。
线路的电压损耗DU为电压DU1和DU2之和,U1 = IRcosf,DU2 = IXsinf,所以线路的电压损耗为DU = DU1 + DU2 = I(Rcosf + Xsinf),如果电流I用线路末端的单相功率S和电压U2来表示,即
P = U2Icosf, Q = U2Isinf
则可得:
DU = (PR + QX)/U2
由此可见,电压损耗由两部分组成,即有功功率在电阻上的压降和无功功率在电抗上的压降。
一般说来,在超高压电网的线路、变压器的等值电路中,电抗的数值比电阻大得多。所以无功功率对电压损耗的影响很大,而有功功率对电压损耗的影响则要小得多。因此,可以得出结论,在电力系统中,无功功率是造成电压损耗的主要因素。
从前面的分析我们知道,当线路、变压器传输功率时,会产生电压损耗,因而影响了电网各处电压的高低。如果能改变线路、变压器等电网元件上的电压损耗,也就改变了电网各节点的电压状况。
由电压损耗表达式DU = (PR + QX)/U可知,要改变电压损耗有两种办法。
(1)改变元件的电阻;(2)改变元件的电抗,都能起到改变电压损耗的作用。
可采取的一种办法是增大导线截面减小电阻以减小电压损耗,这种办法在负荷功率因数较高、原有导线截面偏小的配电线路中比较有效。适宜负荷不断增加的农村地区采用。
而电网中用的最多的办法是减少线路中的电抗,在超高压输电线路中广泛采用的分裂导线就可以明显降低线路的电抗。在我国,220kV线路一般采用二分裂、500kV线路采用四分裂导线。采用分裂导线,降低线路电抗,不仅仅减少了电压损耗,而且有利于电力系统的稳定性,能提高线路的输电能力。现在已逐步采用的紧凑型结构输电线路,还可以进一步降低输电线路的电抗,不仅提高了电网的稳定性,同时,也降低了线路的电压损耗。
减小线路电抗的另一种办法是采用串联电容补偿,就是在线路中串联一定数值的电容器,大家知道,同一电流流过串联的电感、电容时,电感电压与电容电压在相位上正好差180度.采用串联电容补偿其主要目的也是增加线路的输电能力,提高电网的稳定性,同时,也降低了线路电压损耗。
串联电容器补偿,现在主要应用于超高压、大容量的输电线路上,山西大同到北京的500kV输电线路全长300多km,在加装了串联电容补偿后电网线损降低,电压质量改善,电网运行的稳定性得到加强,而且输电能力提高了30%以上。
为了更直观的说明改变电抗对降低电路电压损耗的作用,我们举一个简单的例子:
有一110kV线路,输送有功功率15MW,无功功率20Mvar,线路电阻R为2W,线路电抗XL为6W(这里只是假设的数值,因线路的电抗和线路的长度、截面、材料,结构等诸多因素有关,计算比较复杂)
求:在电抗XL = 6W和经补偿后电抗XL = 2W时的压降。
解:XL = 6W时电压损耗:
DU = (PR + QXL)/U = (15×106×2 + 20×106×6)/(110×103×31/2) = 788(V)
XL = 2W时电压损耗:
DU = (PR + QXL)/U = (15×106×2 + 20×106×2)/(110×103×31/2) = 368(V)
减少电压损耗 = 788V - 368V = 420V。
降低电抗后对提高电压的作用显而易见。
除了用改变电力网参数来减少电压损耗以外,改变电压损耗的另一个重要方面是改变电网元件中传输的功率。即改变表达式中的P和Q的大小,在满足负荷有功功率的前提下,要改变供电线路、变压器传输的有功功率,是比较困难的,常常是不可能的。因此,改变线路、变压器传输功率都是改变其无功功率,使表达式中的Q减少。由此我们引出无功功率的几个非常重要的关键的概念。
2.1 无功功率补偿概念
当今电厂受水、环保等多方面的制约,它的位置越来越远离负荷中心,即使建在靠近负荷点,由于单机容量越来越大,发电机的额定功率因数也越来越高,这样,电网实际接受的无功功率就越来越少,单靠发电机发出的无功功率远远不能满足电网对无功功率的需要,必须配置各种无功功率补偿装置。
例如:目前北京地区有功负荷的2/3电力要从山西、内蒙、河北等地远距离用超高压500kV线路送来,为了能接受到这么多的有功功率,必须在北京地区负荷中心装设相应数量的无功功率补偿电力设施(一般为1kW的有功电力配1kvar的无功电力补偿设施)。
2.2 无功功率就地补偿的概念
无功补偿装置的分布,首先要考虑调压的要求,满足电网电压质量指标。同时,也要避免无功功率在电网内的长距离传输,减少电网的电压损耗和功率损耗。无功功率补偿的原则是做到无功功率分层分区平衡,就是要做到哪里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置。这既是经济上的需要,也是无功电力特征所必需的,如果不这样做,就达不到最佳补偿的目的,解决不了无功电力就地平衡的问题。
2.3 无功功率平衡的概念
如同有功功率平衡一样,电力系统的无功功率在每一刻也必须保持平衡。
在电力系统中,频率与有功功率是一对统一体,当有功负荷与有功电源出力相平衡时,频率就正常,达到额定值50Hz,而当有功负荷大于有功出力时,频率就下降,反之,频率就会上升。电压与无功功率也和频率与有功功率一样,是一对对立的统一体。当无功负荷与无功出力相平衡时,电压就正常,达到额定值,而当无功负荷大于无功出力时,电压就下降,反之,电压就会上升。
但是,需要说明的是电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多,大体上有以下几点:
①              在一个并列运行的电力系统中,任何一点的频率都是一样的,而电压与无功电力却不是这样的。
当无功功率平衡时,整个电力系统的电压从整体上看是会正常的,是可以达到额定值的,即便是如此,也是指整体上而已,实际上有些节点处的电压并不一定合格,如果无功不是处于平衡状态时,那么情况就更复杂了,当无功出力大于无功负荷时,电压普遍会高一些,但也会有个别地方可能低一些,反之,也是如此。
②系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力,这是由于现代超高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功,称为"无功损耗",一般来说,这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多的,我们以一台50MVA的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗情况。
变压器的参数为:Ue = 110kV,Se=50MVA,Uk%=17%,变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为:
Q = SeUk%(I/Ie)2
式中 I--变压器的负荷电流;
   Ie--变压器的额定电流,与变压器的无功损耗与变压器的负载率、变压器的额定容量及短路阻抗有关。
如果这台变压器满负荷运行,那么它的无功损耗就是:Q = 50MVA×17%=8.5Mvar
此时变压器的无功损耗相当大,其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。
③无功功率不宜远距离输送,当输送功率与传送距离达到一定极限时,其传送功率成为不可能,这是由于超高压等级的变压器、线路电抗较大,其无功损耗Q = I2X相应也很大,所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了。另外,传送大量的无功功率时,线路电压损失也相当大,同样会造成无法传送的结果。
合理的就地无功补偿对调整系统电压、降低线损有十分重要的作用。
设有一条110kV线路选用LG-300型导线(导线电阻0.095W/km)线路全长20km,输送有功功率30MW,无功功率40Mvar,下面分别计算在功率因数cosf = 0.6和0.9时线路的功率损耗和应补偿的无功功率。本题只计算导线电阻的功率损耗,不考虑其它因素。
1)在cosf = 0.6时,此时有功P = 30MW,无功Q = 40Mvar,视在功率S = 50MVA,电流I = S/U = 50MVA/(110kV×31/2) = 263A,功率损耗P = I2•R = 2632×0.095×20×3 = 394kW。
2) 在cosf = 0.9时,此时有功功率P = 30MW,视在功率S = 33.333MVA,无功功率Q = 14.528Mvar,I = S/U = 33.333MVA/(110kV×31/2) = 175A,功率损耗 P = I2•R = 1752×0.095×20×3 = 175kW。应补偿无功容量 = 40 - 14.528 = 25.472Mvar。
补偿前后有功损耗相差219kW。由计算结果可知补偿无功功率25.472Mvar后每小时可降低线损219kWh。
无功补偿对电力系统的重要性越来越受到重视,合理地投停使用无功补偿设备,对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。
无功补偿装置的合理使用可以给供电企业带来巨大的经济效益。对于像北京电力公司这样的大企业来说,线损每降低0.1个百分点,就可以增加上千万元收入。
从根本上说,要维持整个系统的电压水平,就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路和变压器中的无功功率损耗。
如果系统无功电源不足,则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡,即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。同样,如果由于电网缺乏调节手段或无功补偿元件的不合理运行使某段时间无功功率过剩,也会造成整个电网的运行电压过高。
我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。有些地方想用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。开始,这种办法也有一些效果,某些供电点电压升高了,但这是以降低别处电压为代价的,因为总的无功电源不足,局部地区电压升高无功负荷增大,必然使别处无功功率更少、电压更低。各处普遍采用调节变压器分接头的结果,不仅没能提高负荷的供电电压,而是使得无功损耗加大,整个系统低电压问题更加严重。在这种情况下,首要的问题应该是增加无功功率补偿设备。
低压运行同时对电网安全带来巨大危害,系统稳定性差,十分脆弱,经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击、十分容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果,国内外均有此先例。
3 .各种无功补偿设备及补偿方式
下面我们介绍各种无功功率补偿设备及补偿方式。
3.1 同步调相机
同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机,它是最早采用的一种无功补偿设备,在并联电容器得到大量采用后,它退居次要地位。其主要缺点是投资大,运行维护复杂。因此,许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。但是同步调相机也有自身的优点:
①调相机可以随着系统负荷的变化,均匀调整电压,使电网电压保持规定的水平。电容器只能分成若干个小组,进行阶梯式的调压。
②调相机可以根据系统无功的需要,调节励磁运行,过励磁时可以做到发出其额定100%的无功功率,欠励磁时还可以吸收其额定的50%的无功功率。电容器只能发出无功,不能吸收无功。
③调相机可以安装强行励磁装置,当电网发生故障时,电压剧烈降低,调相机可以强行励磁,保持电网电压稳定,因而提高了系统运行的稳定性。电容器输出无功功率与运行电压的平方成正比,电压降低,输出的无功将急剧下降,比如,当电压下降10%,变为0.9Ue时,电容器输出的无功功率变为0.81Q,即其输出的无功功率将下降19%,所以,电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。
3.2 并联电容器
作为无功补偿设备,电容器有以下显著优点:
①电容器是最经济的设备。它的一次性投资和运行费用都比较低,且安装调试简单。
②电容器的损耗低,效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。调相机除了本身的损耗外,其附属设备还需用一定的所用电,损耗2%~30%,大大高于电容器。
③电容器是静止设备,运行维护简单,没有噪音。调相机为旋转电机,运行维护很复杂。
④电容器的应用范围广,可以集中安装在中心变电站,也可以分散安装在配电系统和厂矿用户。而调相机则只能固定安装在中心变电站,应用有较大的局限。
并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备,目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。
3.3 并联电抗器
并联电抗器是一种感性无功补偿设备,它可以吸收系统中过剩的无功功率,避免电网运行电压过高。
为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时,线路的充电功率造成线路电压升高,一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率,同时,并联电抗器也用来限制由于突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。
并联电抗器可以直接接到超高压(275kV及以上)线路上,其优点是:可以限制高压线路的过电压,与中性点小电抗配合,有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过程中故障相的消弧,从而提高单相重合闸的成功率。高压电抗器本身损耗小,但造价较高。并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧,有干式的和油浸的两种,这种方式的优点是造价较低,操作方便。从发展趋势看,更多的将采用高压电抗器。
大型并联电抗器的技术、结构和标准与大型电力变压器类似,也有单相和三相,心式和壳式之分,心式还可以分为带间隙柱的和空心式的,目前我国制造的高压大容量并联电抗器只采用心式结构。
心式电抗器的结构与心式变压器类似,但是只有一个绕组,在磁路中加入间隙以保证不饱和,维持线性。
3.4 静止补偿器(SVC-Static Var Compensator)
静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置,电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿,而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿。根据负荷变动情况,静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的性质或保持母线电压恒定。
静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功率,可控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现,响应速度远远高于调相机,一般只有20ms。它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整流设备等。另外,在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高系统的稳定性,同时,静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。在我国湖南、湖北、广东、河南等多个500kV枢纽变电站都采用了这种装置。
例如我国某大型炼钢厂使用电弧炉炼钢,严重影响供电质量,电弧炉运行时使电压下降15%~20%,谐波的干扰使众多用户的电视不能收看,电器设备不能正常使用,群众反应强烈。
在装了静止补偿装置后,供电质量显著改善,电压波动很小,完全在允许范围内,谐波干扰明显降低。在周围广大用户普遍受益的同时,该厂也降低了线损,减少了电费支出,提高了产品的产量和质量,获得了良好的经济效益。
静止补偿器的最大特点是调节快速。为了充分发挥它在需要无功功率时的快速调节能力,在正常情况下应经常运行在接近零功率的状态。但因正常负荷变动引起的电压变化过程缓慢,用一般价格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合,完全可以满足要求,没有必要选用这种设备。
4 .各种调压方法的比较和应用
电力系统电压的调整可以通过对中枢点电压的调整来实现。
如果中枢点供电至各负荷点的线路较长,各负荷点的变化规律大致相同,而负荷变动较大,则应在高峰负荷时适当提高中枢点的电压以补偿线路上增大的电压损耗,在低谷负荷时,供电线路电压损耗较小,中枢点电压适当降低,以防止负荷点电压过高。这种高峰负荷时电压高于低谷负荷时的电压调整方式,称为"逆调压"。中枢点采用逆调压方式的,在高峰负荷时一般保持电压比线路额定电压高5%,在低谷负荷时电压下降至线路额定电压。
对供电线路不长,负荷变化不大的中枢点,可以采用"顺调压",顺调压就是在高峰负荷时中枢点电压略低,低谷负荷时电压略高。顺调压一般要求高峰负荷中枢点电压不低于线路额定电压的102.5%,低谷负荷时中枢点电压不高于线路额定电压的107.5%。
介于"逆调压"与"顺调压"之间的是"恒调压",恒调压是指在任何负荷时,保持中枢点电压基本不变。一般保持102%~105%的额定电压。
电压调整是个比较复杂的问题,因为整个系统每一个节点的电压都不相同,运行条件也有差别。因此,电压调整要根据系统具体情况,选用合适的方法,才能达到目的。
发电机调压,是各种调压手段中首先被考虑的,因为它不需要附加设备,从而不需要附加投资,而是充分利用发电机本身具有的发出或吸收无功功率的能力。但是这种方法往往只能满足电厂附近地区负荷的调压要求,对于远端负荷,还需要采用其它调压措施才能保证其电压质量。合理使用发电机调压常常可以在很大程度上减轻其它调压措施的负担。
在无功功率不足的系统中,首要的问题是增加无功功率补偿设备,而不能只靠调整变压器电压的方法。通常,大量采用并联电容器作为无功补偿设备,其突出的优点是投资低,安装维护方便。只是在有特殊要求的场合下,才需要采用静止补偿器或同步调相机。而静止补偿器是一种性能良好,维护方便的新型补偿装置,在价格相当的条件下,应优先选用。
对于500kV、330kV及部分220kV线路,以及大量使用电缆作为出线的电网,要装设足够的并联电抗器,以防止线路轻载时充电功率过剩引起电网电压过高。
在无功电源充裕的系统中,应该大力推广有载调压变压器,这是在各种运行方式下保证电网电压质量的关键手段之一。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高,电网负荷的峰谷差也越来越大,线路、变压器上高峰负荷与低谷负荷产生的电压损耗的差别,已经大到无法仅仅用发电机调压或无功补偿的方法来满足两种运行方式下用户电压的要求了,其结果不是高峰负荷时用户电压太低,就是低谷负荷时电压太高。在这种情况下,输电系统中的一级变压器或多级变压器,采用有载调压是保证用户电压质量最有效的办法.
5. 并联电容器组的接线方式
电容器的接线通常分为三角形和星形两种方式。此外,还有双三角形和双星形之分。
三角形接线的电容器直接承受线间电压,任何一台电容器因故障被击穿时,就形成两相短路,故障电流很大,如果故障不能迅速切除,故障电流和电弧将使绝缘介质分解产生气体,使油箱爆炸,并波及邻近的电容器。因此这种接线已经很少在10kV系统中使用,只是在380V配电系统中有少量使用。
在高压电力网中,星形接线的电容器组目前在国内外得到广泛应用。星形接线电容器的极间电压是电网的相电压,绝缘承受的电压较低,电容器的制造设计可以选择较低的工作场强。当电容器组中有一台电容器因故障击穿短路时,由于其余两健全相的阻抗限制,故障电流将减小到一定范围,并使故障影响减轻。
星形接线的电容器组结构比较简单、清晰,建设费用经济,当应用到更高电压等级时,这种接线更为有利。
星形接线的最大优点是可以选择多种保护方式。少数电容器故障击穿短路后,单台的保护熔丝可以将故障电容器迅速切除,不致造成电容器爆炸。
由于上述优点,各电压等级的高压电容器组现已普遍采用星形接线。
高压电力系统的电容器组除广泛采用星形接线外,双星形接线也在国内外得到广泛应用。所谓双星形接线,是将电容器平均分为两个电容相等或相近的星形接线电容器组,并联到电网母线,两组电容器的中性点之间经过一台低变比的电流互感器连接起来。
这种接线可以利用其中性点连接的电流保护装置,当电容器故障击穿切除后,会产生不平衡电流,使保护装置动作将电源断开,这种保护方式简单有效,不受系统电压不平衡或接地故障的影响。
大容量的电容器组,如单台容量较小,每相并联台数较多者可以选择双星形接线。如电压等级较高,每相串联段数较多,为简化结构布局,宜采用单星形接线。
电容器一次侧接有串联电抗器和并联放电线圈。放电线圈的作用是将断开电源后的电容器上的电荷迅速、可靠地释放掉。由于电容器组需要经常进行投入、切除操作,其间隔可能很短,电容器组断开电源后,其电极间储存有大量电荷,不能自行很快消失,在短时间内,其极间有很高的直流电压,待再次合闸送电时,造成电压叠加,将会产生很高的过电压,危及电容器和系统的安全运行。因此,必须安装放电线圈,将它和电容器并联,形成感容并联谐振电路,使电能在谐振中消耗掉。放电线圈应能在电容器断开电源5s内将电容器端电压下降到50V。
对串联电抗器的作用,我们做一下重点介绍:
电容器配套设置的串联电抗器是为了限制合闸涌流和限制谐波两个目的,串联电抗器限制合闸涌流的作用非常浅显,不言而喻。但是限制谐波的原理我们需要解释一下:
所谓谐波,是指电网运行中存在的与工频频率不同的电磁波。我国电网使用50Hz频率,波形按正弦规律变化的三相对称的电源,而谐波(主要是指高次谐波),如3次、5次、7次……的存在,将对电网工频的波形造成影响,使其不再是正弦波,而是波形发生畸变的非正弦波。波形的畸变会危及电气设备的安全运行,造成继电保护和自动装置的误动,会影响电力用户的产品质量,甚至会影响我们家用电器的正常使用,因此消除和抑制谐波,做为一项课题日益受到有关部门的重视。
电网在运行时不可能没有谐波,很多电气设备和用电设备在运行时都会产生谐波,只不过一般情况下对电网波形影响不大,不会危及正常的供电和用电,但某些情况则不同,如变压器铁心饱和、电弧炉炼钢,大型整流设备,都会对电网带来严重的谐波干扰,影响供电质量,因此必须加以治理。
为了回避谐波的影响,必须采取消除谐波影响的措施,其中一条重要的措施就是在电容器回路中串联一定数值的电抗器,即造成一个对n次谐波的滤波回路。
在实际运行中,3次、5次、7次谐波分量往往偏高,是电容器滤波回路的主要目标。所谓3次、5次、7次……谐波,指的是谐波的频率相当于工频的3倍、5倍或7倍。当串联电抗器的n次谐波感抗与电容器的n次谐波容抗相等时,即nwL = 1/(nwC)时构成串联谐振条件,则母线的n次谐波电压将被抑制得干干净净。
对于3次谐波:3XL = (1/3) XC,则XL = (1/9) XC = 0.11XC;对于5次谐波:5XL = (1/5) XC,则XL = (1/25) XC = 0.04XC。
实际运行中,各变电站普遍采有在回路中串联12%电抗构成3次谐波滤波器,12%电抗率的含义是指串联电抗器的感抗值为该回路电容器容抗值的12%,而用串联6%电抗构成5次谐波滤波器。不正好采用11%和4%,而是稍大一点,目的是使电容器回路阻抗呈感性,避免完全谐振时电容器过电流。
当变电站母线上具有两组以上电容器组,且既有串联大电抗的电容器组又有串联小电抗的电容器组时,电容器组的投切顺序是一个应该考虑的问题。投切顺序不合理可能造成不良后果。由对谐波电流的分析可知:当电容器回路呈电感性时,电容器回路和系统阻抗并联分流,可使流入系统的谐波电流减小。
当电容器回路呈电容性时,由于电容器的“补偿”作用,电容器回路在谐波电压作用下,将产生的谐波电流流入系统,这时将使系统谐波电流扩大,并使母线电压波形发生畸变。
也就是说,仅当电容器回路对谐波呈电感性时,才不会发生对系统的谐波放大。
当变电站母线上既有串大电抗的电容器组又有串小电抗的电容器组时,电容器组回路各元件对谐波的阻抗如表1:
谐波 12%电抗器 6%电抗器 电容器
基波 12% 6% 100%
三次谐波 36% 18% 33.3%
五次谐波 60% 30% 20%
由表1可见,串12%电抗的电容器回路对3次和5次谐波均呈电感性。
而串6%电抗器的电容器回路对5次谐波呈电感性,而对3次谐波却呈电容性。
也就是说,串6%电抗的电容器组会在抑制5次谐波的同时,放大3次谐波,如果此时系统恰有较大的3次谐波分量,谐波电流就会造成电容器组过电流,使电容器过热、振动和发出异音,严重时将造成熔断器熔断甚至烧损电容器。如果该容性回路与系统感抗出现不利组合,还会引发谐振。造成严重后果。
回避上述隐患的办法是:在电容器组投停顺序上作出规定,当母线具有2组以上电容器组时,电容器组的投停顺序应按所串电抗器百分电抗大小匹配进行。即:电抗值大的先投,回避对可能存在的3次谐波的放大效应,使3次、5次谐波均受到抑制后,再投入串小电抗电容器组,停用时相反。在并联电容器组操作规定和并联电容器组保护及VQC装置的整定时,均应遵守这一原则。
6 .并联电容器的保护方式
6.1 保护熔丝
现代电容器组的每台电容器上都装有单独的熔丝保护,这种熔丝结构简单,安装方便,只要配合得当,就能够迅速将故障电容器切除,避免电容器的油箱发生爆炸,使附近的电容器免遭波及损坏。此外,保护熔丝还有明显的标志,动作以后很容易发现,运行人员根据标志便可容易地查出故障的电容器,以便更换。
6.2 过电流保护
过电流保护的任务,主要是保护电容器引线上的相间短路故障或在电容器组过负荷运行时使开关跳闸。电容器过负荷的原因,一是运行电压高于电容器的额定电压,另一种情况是谐波引起的过电流。
为避免合闸涌流引起保护的误动作,过电流保护应有一定的时限,一般将时限整定到0.5s以上就可躲过涌流的影响。
6.3 不平衡电压保护
电容器发生故障后,将引起电容器组三相电容不平衡。电容器组的各种主保护方式都是从这个基本点出发来确定的。
根据这个原理,国内外采用的继电保护方式很多,大致可以分为不平衡电压和不平衡电流保护两种。这两种保护,都是利用故障电容器被切除后,因电容值不平衡而产生的电压和电流不平衡来启动继电器。这些保护方式各有优缺点,我们可以根据需要选择。
单星形接线的电容器组目前国内广泛采用开口三角电压保护。
对于没有放电电阻的电容器,将放电线圈的一次侧与电容器并联,二次侧接成开口三角形,在开口处连接一只低整定值的电压继电器,在正常运行时,三相电压平衡,开口处电压为零,当电容器因故障被切除后,即出现差电压U0,保护采集到差电压后即动作掉闸。
6.4 不平衡电流保护
这种保护方式是利用故障相容抗变化后,电流变化与正常相电流间形成差电流,来启动过电流继电器,以达到保护电容器组的目的。常见的不平衡电流保护的方式有以下两种:
6.4.1双星形中性点间不平衡电流保护
保护所用的低变比TA串接于双星型接线的两组电流器的中性线上,在正常情况下,三相阻抗平衡,中性点间电压差为零,没有电流流过中性线。如果某一台或几台电容器发生故障,故障相的电压下降,中性点出现电压,中性线有不平衡电流I0流过,保护采集到不平衡电流后即动作掉闸。
这种保护方式比较简单,系统电压不平衡,一相接地故障、高次谐波电流及合闸涌流,都不会引起保护误动,所以在国内外得到广泛应用。
6.4.2 桥式差动电流保护
电容器组每相分为两个支路,每相的串联段数为双数,其中部桥接一台电流互感器。正常运行时,桥路中电流为零,任意一台电容器因故障被切除后,桥接电路中将有电流流过,保护采集到该电流后即动作掉闸。
6.5 过电压保护和低电压保护
电容器在过高的电压下运行时,其内部游离增大,可能发生局部放电,使介质损耗增大,局部过热,并可能发展到绝缘被击穿。因此应保持电容器组在不超过最高容许的电压下运行。安装过电压保护就是为了这个目的。过电压保护的整定值一般取电容器额定电压的1.1~1.2倍。
低电压保护主要是防止空载变压器与电容器同时合闸时工频过电压和振荡过电压对电容器的危害。这种情况可能出现变电站事故跳闸、变电站停电、各配电线切除。电容器如果还接在母线上,将使电压升高。变压器和电容器构成的振荡回路也可能产生振荡过电压,危及设备绝缘。因此安装低电压保护,当母线电压降到额定值的60%左右时即动作将电容器切除。
7. 并联电容器的运行
7.1 投运前的检查验收
新装电容器在投入运行前应做如下检查:
•电容器组及附属设备投入运行前应按试验规程进行试验并合格。
•瓷质部分应完整、清洁无裂纹,遮栏应完好加锁,防小动物措施可靠。
•外壳应无鼓肚及渗漏油现象。
•各部分连接严密可靠,不与地绝缘的每个电容器外壳和架构均应有可靠的接地。
•放电线圈回路应完整,接线正确。
•避雷器的额定电压与持续运行电压应符合《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合(DL/T 620-1997)》的规定。
•保护回路和监视回路应完好并全部投入。
•室内电容器组通风应良好。
•熔断器安装角度正确,熔断器熔丝的额定电流为电容器额定电流的1.43~2倍。
•电容器引线采用软连接,电容器安装牢固、螺丝紧固。
7.2 运行监督注意事项
运行中的电容器组,应严格监视其运行情况,并应注意以下几点:
•新投入运行的电容器组第一次充电时,应在额定电压下冲击合闸三次。
•母线具有两组以上电容器组时,电容器组的投切顺序应按所串电抗器百分电抗大小匹配进行,即:电抗值大的先投,电抗值小的后投,停用时相反。
•电容器组的工作电压不得超过电容器额定电压的1.05倍,其电流不得大于电容器额定电流的1.3倍。
•电容器分闸后再次合闸,其间隔时间不应小于五分钟。
•电容器箱体无鼓肚、喷油、渗漏油现象。
•电容器运行中无异常音响,试温蜡片无过热熔化现象。
•放电线圈应完好。
•如电容器安装于室内,还应检查室温,冬季室温不得低于零下25℃,夏季室温不得超过40℃。装有通风装置的,还应检查通风装置各部是否完好。
7.3 故障处理注意事项
发现电容器严重漏油、变形、发热、瓷质破损、内部放电等异常情况应及时将电容器组退出运行。
发现电容器爆炸、起火;接头严重过热或熔化;套管发生严重放电闪络而开关未掉时,应立即将电容器开关拉开。
电容器组开关掉闸后不准强行试送,运行人员必须根据保护动作情况进行分析判断,如系过电流保护动作,则重点检查电容器的外部回路:
电流互感器、电力电缆、引线上有无接地短路现象,有无异物落在上面。如系不平衡保护动作,则有可能是某个或某几个电容器出现内部损坏。这时检查的重点是电容器本身。
电容器事故后进行处理时,必须对每台电容器逐台放电,装在绝缘支架上的电容器外皮亦应对地放电。放电时先将接地端固定好,再用接地棒多次对电容器极间和极对地放电,直至无火花及放电声为止。由于故障电容器可能发生引线接触不良、内部断线或熔断器熔断等,因此有部分电荷可能未放出来,所以检修人员在接触故障电容器以前,还应戴上绝缘手套,用短路线将故障电容器两极短线,然后方可动手拆卸。
更换电容器要做到各相电容值平衡,双星接线的两组同相电容值应平衡,并尽量做到两组三相台数一致,不一致的不应相差太多。
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网友评论
 以下是对 [电力系统电压与无功补偿] 的评论,总共:1条评论
sdzqzdr 游客:sdzqzdr  2012-11-28 1
很好,读后感到很有受益

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