变电站并联电容器装置的电抗率配置

值得注意的是，正常运行时系统 3 次谐波电 流不大，一般认为主变 35 kV（ 10 kV） 侧采用三角 形接线，3 次谐波被短接、不会进入 35 kV（ 10 kV）
系统。但只有完全对称的 3 次谐波才不会进人 35 kV（ 10 kV） 系统，而实际的谐波源往往是不对 称的，此时 3 次谐波可通过三角形线圈进入低压 侧。以江苏某电气化铁路系统接入变电站的测试 结果为例，尽管 35 kV 侧为三角形接线，35 kV 侧 仍然有 3 次谐波。当 110 kV 侧的 3 次谐波电流 到达 15 A 左右时，35 kV 侧的谐波电流可 到 达 2. 5 A 左右（ 见图 3） 。
由图 2 可见，当接入点存在 3 次谐波时，6% 的电抗率可能导致 3 次谐波放大，按照江苏的设 备水平，严重时放大倍数可达 90 ～ 120 倍，将导致 电容器损坏。谐波对电容器的影响主要有以下几 个方面：
2082
2011，39（ 12）
图 2 变电站 3 次谐波实测波形
（ 1） 电容器由于谐波电流而过载，因为电容 器的电抗随着频率的升高而减小，使得电容器成 为谐波的吸收点。另外谐波电压产生大电流会引 起电容器熔丝熔断。
Reactance Rate Configuration for Shunt Capacitors in Substation
ZHOU Ting，LI Xue-song （ Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China）
Abstract： Reasonable reactance rate configuration is important for the safe operation of shunt capacitors in substation． This paper illustrates the capacitor damage accidents due to resonance in China，analyzes the actual system operation in Jiangsu Province by means of theoretical calculation，and thereby proposes that 3-harmonic effects be taken into account in the reactance rate configuration for shunt capacitors． In addition，the general principles in reactance rate configuration of series reactors are formulated，emphatically the analysis and economical comparison of the configuration schemes to eliminate the 3-harmonic effects． This research aims to provide reference to the optimization of reactance rate configuration，as well as the reduction of capacitor resonance damage． Key words： harmonic resonance； series reactor； reactance rate
含量不应超过现行的国家标准《电能质量—公用
电网谐波》（ GB-50227-1995 ） 的 有 关 规 定。谐 振
电容器容量
QCX
=
Sd（
X ———发生 n 次谐波谐振的电容器容量，Mvar； Sd ———并联电容器装置安装处的母线短路容量，
MVA；
n———谐波 次 数，即 谐 波 频 率 与 电 网 基 波 频 率 之
江苏某市公司 2006 年出现过电容器 A 相电 抗器烧毁的异常，经查实，在当时的运行方式下， 该电容器接入点短路容量为 493 MVA，电容器实 际电抗率为 6． 5% ，其谐振容量为 22． 7 Mvar，电 容器安装容量为 4 × 9 Mvar，当 2 组电容器投入运 行时，电容器运行容量与谐振容量非常接近，导致 3 次谐波放大，当时的 3 次谐波实测波形如图 2 所示。
图 3 江苏某变电站 3 次谐波电流
另外，在电网设备操作时，3 次谐波电流可能 较大，且不对称程度也较大，此时容易发生因 3 次 谐波放大而造成电容器损坏。在测试过程中，曾 经采集到 3 次谐波突变的情况，3 次谐波电流在 数 min 内可放大到 20 ～ 50 A 左右。
总之，在电容器电抗率设置时，必须考虑 3 次 谐波的影响，在 3 次谐波较大的场合或电网的枢 纽变电站中，应配备电抗率为 12% 的电容器 为 宜。
2） 电网背景谐波为 5 次及以上时，当 5 次谐 波含量超过国家标准规定限值时，电抗率推荐值 为 4． 5% ～ 6% 。当谐波源来自电容器侧时，可采 用 K = 6% （ 或 K = 5% ） ； 当谐波源来自变压器高 压侧时，可采用 K = 4． 5% 。
3 并联电容器串抗率配置原则
并联电容器的电抗率选择应根据电网谐波的 情况，严格按照相关标准，应执行下列规定：
（ 1） 当电容器组接入点的电网谐波很低或当 3 次 谐 波 含 量 小 于 40% 限 值，电 抗 率 K 宜 取 0. 1% ～ 1% ，但对 5 次谐波放大应在允许范围之 内。
（ 2） 对电容器组接入点的电网谐波成份较大 时，应依据谐波性质（ 3 次、5 次以上或含多次谐 波） 分别对待。
（ 2） 谐波往往会使介质损耗增加，其后果是 额外的发热及寿命缩短。
（ 3） 电容器和电源电感结合构成并联谐振电 路，谐振时，谐波被放大，最终的电压会高于额定 电压值并导致电容器损坏或熔丝熔断。
为做到合理选用电抗器，必须了解电容装置 接入处母线的背景谐波，根据实测的结果选取，使 电容器和串联电抗器得到正确的匹配； 分组电容 器在各种容量组合时应能躲开谐振点，初次投运 时应逐组测量系统谐波分量变化，如有谐振现象 产生，应采取对策消除。
近年来，江苏省变电站低压电容器在运行中 出现了较多的损坏情况，究其原因，部分是电容器 制造质量不佳，也有因电容器组的电抗率（ 串联 电抗器容量） 配置不合理导致在谐波下的损坏。
串联电抗器（ 下称串抗） 是并联电容器装置 （ 下称电容装置或电容器组） 的主要组成部分，串 抗的合理配置起着限制电容器组合闸涌流、抑制 电力谐波，避免发生谐振、防止电容器遭受损害等 重要作用。但也存在额外增加的电能损耗和建设 投资与运行费用的缺点。实际应用中，串抗与电 容器不能随意组合，应考虑电容装置接入处电网 的实际情况，不宜采用如电容器组一律配用电抗 率为 5% ～ 6% 的串抗的“一刀切”的配置方式，否 则，可能导致某次谐波的严重放大甚至发生谐振， 危及装置与系统的安全。
量比值发生变化时，3 次谐波放大倍数随之变化，
当电容器容量恰好为系统短路容量 6． 1% 时，3 次
谐波发生谐振，对应谐波放大倍数为 90 ～ 120 倍。
当电容器容量靠近谐振容量附近时，3 次谐波也
会被明显放大。如谐振点 － 10% 时为 7． 6 倍，+
10% 时为 13． 4 倍。图 1 反应了变电站 35 kV 侧
第 39 卷 第 12 期 2011 年 12 月
Vol． 39 No． 12 Dec． 2011
现场经验
变电站并联电容器装置的电抗率配置
周 挺，李雪松
（ 江苏省电力公司，南京 210024）
摘 要：合理的电抗率配置是保证并联电容器安全运行的一个重要因素，结合国内电网中因谐振导致电容器 损坏的事故，通过理论计算分析和江苏省内的实际运行情况，提出并联电容器电抗率的配置必须考虑 3 次谐 波的影响，阐述了并联电容器串抗率配置的一般性原则，重点对消除 3 次谐波影响的电抗率配置方案进行了 分析及经济性比较，对优化电网内电容器电抗率配置、减少电容器谐振损坏有一定的借鉴作用。 关键词：谐波谐振； 串联电抗器； 电抗率 作者简介：周 挺（ 1979-） ，男，工程师，从事电网调度运行管理工作。 中图分类号：TM714． 4 文献标志码：B 文章编号：1001-9529（ 2011） 12-2080-05
ωnlc
－
1 ωnc
＞
0）
，而
系统的等值阻抗也为感性，不可能发生谐振。
当电抗率选择 4% 时，就可以避免发生 5 次
及以上谐波谐振。工程上考虑设备容量的误差
后，应选择适当的可靠系数，一般可靠系数取 1． 2
～ 1． 5，也即 GB-50227-1995 中所述的 K = 4． 5%
～ 6% 。但此时必须注意 3 次谐波的放大问题，以
下比较 5% 和 6% 电抗率的 3 次谐波谐振容量和
放大倍数。
（ 1） 谐振容量
ΔU U
=
QCX Sd
=
（
1 n2
－ K）
（ 2）
式中 ΔUU———电容器投运前后电压变化率。
对于
3
次谐波，n
=
3，则
ΔU U
≈6%
（
K
=
5%
）
或ΔUU≈5% （ K = 6% ） 。
从系统的容量设置来看，电容器投入后，引起
的电压波动一般不会超过 5% ，故电抗率设置为
6% 时，更可能到达谐振容量。
（ 2） 放大倍数
电容器达到谐振容量时，放大倍数 A≈nXs / r。 江苏电网 220 kV 短路阻抗角的水平为 78° ～ 83°，
对应 35 kV 侧 X / R 的水平为 30 ～ 40。对于电抗
率为 5% 的电容器，当电容器容量与系统短路容
2 电容器串抗率配置不合理的案例分析
电容器电抗率 K 为 5% （ 6% ） 时，导致 3 次谐 波放大的案例在国内电网屡有发生。如浙江某电 网曾报道安装于 220 kV 变电所 35 kV 母线上并 联电 容 器 将 3 次 谐 波 严 重 放 大，后 电 抗 器 采 用 12% 左右的大电抗率。湖北某电网 220 kV 变电 站安装有 40 Mvar 的无功补偿电容器组，共分 8 组，一组串联有 12% 的电抗器，其余 7 组串联有 6% 的电抗器，因电气化铁路投运，电容器多次发 生声音异常。在变压器倒闸时，串联有 6% 的电 抗器的电容器过流保护动作跳闸。通过调查分 析，电铁负荷较大时，电铁负荷产生的谐波（ 3 次、 5 次谐波） 和变压器空载投人时产生的谐波（ 主要 是 4 次谐波） 共同作用引起配套电抗器的电抗为 6% 的电容器电流增大引起跳闸。后对电容器组 进行了技术改造，将其中 1 组串联有 6% 的电抗 器改为 12% 的电抗器，异常现象即消失。