串聯(lián)電抗器(下稱串抗)是并聯(lián)電容器裝置(下稱電容裝置或電容器組)的主要組成部分之一,它起著限制電容器組(背靠背)合閘涌流,抑制電力諧波,防止電容器遭受損害,以及避免電容裝置的接入對電網(wǎng)諧波的過度放大和發(fā)生諧振等等重要作用. 然而串抗與電容器不能隨意組合,若不考慮電容裝置接入處電網(wǎng)的實際情況,采用“一刀切”的配置方式(如電容器一律配用電抗率為5%~6%的串抗),往往適得其反,招致某次諧波的嚴重放大甚至發(fā)生諧振,危及裝置與系統(tǒng)的安全.由于電力諧波存在的普遍性,復雜性和隨機性,以及電容裝置所在電網(wǎng)結構與特性的差異,使得電容裝置的諧波響應及其串抗電抗率的選擇成為疑難的問題,也是人們著力研究的課題.雖然現(xiàn)有的成果尚不足為電容裝置工程設計中串抗的選用作出量化的規(guī)定,但是隨著研究工作的深入,實際運行經(jīng)驗的積累,業(yè)已提出許多為人共識的見解,或行之有效的措施,或可供借鑒的教訓。電容器組投入串抗后改變了電路的特性,串抗既有其抑制涌流和諧波的優(yōu)點,又有其額外增加的電能損耗和建設投資與運行費用的缺點.所以對于新擴建的電容裝置,或者已經(jīng)投運的電容裝置中的串抗選用方案,進行技術經(jīng)濟比較是很有必要的.本文著重對部分電容裝置工程設計中沿襲選用6%串抗的問題進行剖析,以期對裝置的建設和運行有所裨益.

 

串抗選用的“誤區(qū)” 20世紀80年代初,為了促進提高國產(chǎn)電容器產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)技術的發(fā)展與進步,國家采用了重大舉措,其中包括由原水利電力部統(tǒng)一從西歐、日本進口一批電容器,分配給東北、華北和華東電網(wǎng)集中裝設在110kV及以上變電所,并效法日本的做法規(guī)定要求一律用6%串抗,一時全國各地(除浙江省等個別省區(qū)外)形成幾乎以此為“主導”的設計模式. 隨著各地大容量電容裝置的相繼投運,通過現(xiàn)場諧波實測,人們逐步發(fā)現(xiàn)和認識到事實不象教科書所說的那樣,3次諧波只有零序分量可被變壓器Δ接法的線圈所環(huán)路,而是到處流通.除了電氣化鐵道,電弧爐負荷是3次諧波源以外,根據(jù)大量測試分析結果證明,變壓器也是電力諧波的一個重要發(fā)生源,其主要成分是3次諧波.由于變壓器的激磁電流加上鐵芯的磁飽和,以及電力系統(tǒng)中普遍存在的3相電路與磁路的不對稱,三相電源電壓不僅在幅值上有差別,而且在相位上不是各差120°,故即使在變壓器三角繞組側的線電壓,線電流中也仍然存在3次諧波分量,它們是正序和負序分量.因此,3次諧波遍及電網(wǎng),尤其是在負荷低谷時,隨著電網(wǎng)運行電壓的升高,變壓器鐵芯飽和程度的加深,其產(chǎn)生的3次諧波含量也隨之增大.根據(jù)浙江電網(wǎng)近年來對10~500kV各級網(wǎng)絡165個測點的諧波普測結果,以3次為主導諧波和3、5次諧波為主導諧波合計占總測點數(shù)的92%據(jù)紹興地區(qū)電網(wǎng)監(jiān)測結果以3次諧波為主占總測點數(shù)的79%,以3次和3、5次為主合計占94%,這樣的背景諧波情況在全國電網(wǎng)是具有普遍性的,事實證明,我國國情與日本國不同,后者電網(wǎng)不存在3次諧波,電容器組串接5%~6%串抗以抑制電網(wǎng)5次及以上諧波是正確的,而我們效法后者,就把串抗選用引入“誤區(qū)”.電網(wǎng)普遍存在3次諧波的狀況,以及曾有過的“誤導”,給電容器裝置及其相連電網(wǎng)的運行所帶來的影響是不容低估的。

電容器裝置盲目采用串接5%~6%的串抗投入電網(wǎng)后,引起3次諧波的放大甚至發(fā)生諧振已成為不爭的事實.眾多的文獻陳述了220kV及以上樞紐變電所中的河南湯陰變、湖南曲河變、湖南寶慶變、廣西玉林變、張家口宣化變的電容裝置投運后,曾先后發(fā)生由于3次諧波諧振引發(fā)的部分電容器和配套器件損毀,甚至全部電容器燒毀的事故北京地區(qū)聶各莊變、呂村變、南苑變、王四營變、浙江紹興的渡東變等等,均發(fā)生3次諧波諧振而被迫停運采取改造措施.至于110kV及以下變電所電容器裝置投運后,通常發(fā)生電網(wǎng)諧波放大超標,引起電容器,電抗器振動、發(fā)熱、保護誤動,甚至設備損壞.

 

 

根據(jù)大量電容器裝置工程實例的計算分析與現(xiàn)場測試驗證,結果證明可以采用簡化的電路模型，來分析估算電容器裝置的接入對電網(wǎng)3次諧波的影響,以及諧振容量的估算.按電容器裝置投入點的情況不同分為兩種類型:

 

1)當電容裝置側有諧波源時,其分析電路模型如圖1所示.圖中,In為諧波源的第n次諧波電流XS為系統(tǒng)等值工頻短路電抗XC為電容器組工頻容抗XL為串抗工頻電抗(XL＝AXC,A為電抗率)n為諧波次數(shù),為了分析電容裝置接入電網(wǎng)后以對某次諧波變化的影響,特定義電容器組投入后與投入 前系統(tǒng)諧波電壓之比為某次諧波電壓放大率(FVn),經(jīng)推導可得:

式中,S＝XS/XC＝QCN/SD其中,SD為電容裝置接入處母線短路容量,QCN為電容裝置容量.當(1)式分母的數(shù)值等于零時,表示電容裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振,并據(jù)此推導出估算電容裝置諧振容量(QCX)的算式:

 

從物理意義上解釋:當電容裝置側存在3次諧波電流源時,串接6%及以下串抗的電容器組在3次諧波下的阻抗呈容性,而系統(tǒng)阻抗為感性,兩者并聯(lián)阻抗增大(比起電容裝置接入前單一的系統(tǒng)阻抗3XS而言),故電容裝置接入后比接入前,其裝置側網(wǎng)絡3次諧波電壓增大(即3次諧波電壓放大),一旦電容器支路與系統(tǒng)等值回路的3次諧波阻抗值相等或接近相等(符號相反),兩者并聯(lián)阻抗為無窮大即進入并聯(lián)諧振,引起電容裝置嚴重過電壓過電流而損毀,同時危及系統(tǒng)安全.

從(2)式可得,當電容裝置選用5%串抗且容量達到或接近系統(tǒng)短路容量的6%時,或者選用6%串抗且其容量達到或接近系統(tǒng)短路容量5%時,就會發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振.上述220kV及以上變電所的電容裝置工程實例證實了從(2)式得出的結果.110kV及以下變電所的電容裝置容量相對較小,(通常S&5%),但會引起3次諧波放大,甚至嚴重放大.從(1)式可以揭示,在同一裝置場所,在選用串抗的電抗率(A)為0．1%~6%范圍內(nèi),隨著A的增大,或者隨著S的增大(即電容裝置投入容量的增大),3次諧波電壓放大程度(FV3)也隨著增大.