正确认识与应用阻尼式限流器

正确认识与应用阻尼式限流器

2009-05-06 14:42:13来源: 网上搜集作者:佚名

摘要：针对在高压并联电容器用阻尼式限流器应用方面存在的疑虑与问题，采用结合电容装置工程实例加以解答与剖析，以利于对限流技术的正确认识和应用。

关键词：阻尼式限流器；电容装置；合闸涌流；谐波响应

0前言

高压并联电容器用阻尼式限流器（简称限流器），自研制成功至推广迄今有20多年，

在6～35kV大中小型并联电容器装置（简称电容装置或电容器组）已有较多的应用。随着国内外对限流器技术研究的不断深入，尤其是限流器的国家电力行业标准的制定与实施，将进一步规范限流器的设计制造、检验鉴定和验收使用，也势必引起更广泛的关注与应用。

然而，由于对限流器应用认识的不全面，会产生一些疑虑：其一，限流器中电抗器的电抗率小（通常≤0．1％～0．5％），电容器组合闸涌流大，是否安全；其二，火花间隙的

电极间隙过大（未进行正确的整定调试），致使阻尼电阻不起作用；其三，阻尼电阻如被长期接入（火花间隙偶为异物短接），是否危及装置安全；其四，电容装置配用限流器，疑会引起电网5、7次谐波的严重放大或谐振。本文以限流器的技术性能和电容装置工程实例分别对上述问题加以解答与剖析。

1限流器具有安全可靠的限流作用

1．1限流器的限流作用

文献［1］介绍了限流器的原理与构成。着重阐述限流器由低值电感空芯电抗器、火花间隙与阻尼电阻等3部分组成（原理接线如图1所示）；其工作原理系综合利用电抗器元

件对高频涌流呈现出高阻抗，限制涌流的幅值，以阻尼电阻元件加速涌流衰减等两方面作用。加装火花间隙使得阻尼电阻仅在电容器组投入电网的瞬间接入电路（此时电抗器相当于开路，而尚未充电的电容器相当于短路，火花间隙在相电压的作用下击穿），随着涌流的迅速衰减，电抗器两端电压下降，间隙自动熄弧，阻尼电

阻撤出，从而避免了阻尼电阻长期通电所引起的损耗。

限流器首先保证限制电容器组合闸涌流在允许的范围内。尽管合闸涌流倍数的安全限值是颇有争议的问题，但现行国家标准GB50227－95《并联电容器装置设计规范》机械、电力行业标准《高压并联电容器装置》既以人们普遍能接受的经验数值—20倍作为标准规定限值，故限流器参数设计选择亦以此为限。然而笔者认为不论电容装置容量大小取同一限值是不科学的，应采取对小容量装置（如对应于10 kV与35 kV电压等级电容装置，其容量分别小于3与6 Mvar）选取较大倍数如20倍左右；对大容量装置（10 Mvar及以上）则取较小倍数如10～15倍。因为前者即使20倍或更大些倍数，其涌流数值远小于断路器（关合电流）、电流互感器（动热稳定的I2·t值）等设备的承受能力，而对于电容器及其单台保护用熔断器的耐受能力（能耐受70倍额定电流峰值的涌流）留有足够裕度；后者鉴于装置容量大，如取较大倍数，则涌流将达到很大数值，考虑到断路器等配套设备的承受能力，并留有足够裕度，故应选取较小倍数。这一设计思路，恰好与要求限流器参数配置在满足电容装置整体安全的前提下，简化产品型号规格的规划设计原则相吻合。

通常电容器组追加投入时涌流比单组投入时大得多，尤其是多组并列运行时最后一组投入的涌流最大。因为除了电源对新电容的充电电流以外，还有相邻已运行电容的放电电流，且后者随着已投电容容量的增大而增大。因此，限流器的主参数和主要技术性能指标的设计选择首先要满足抑制追加合闸涌流。按照文献［1］提供的电路模型与算式，经理论计算分析和现场实际测试得出如下结果：

（1）电容器组配用限流器时（限流器中电抗器的电抗率为0．1％～0．5％），计算追加合闸涌流的幅值，可忽略电源的影响，而仅计相邻带电电容的放电电流。

（2）当阻尼电阻适当配置时（如按优化配置选择），接入与不接入阻尼电阻（前者为串接限流器，后者为仅串接电抗器），其电容器组追加合闸涌流幅值是相近或相等的。1．2限流器电抗值选用的计算

鉴于上述理由，电抗器的电感值（Le）与涌流倍数（Kc）、电容器组额定容量（Qcn）、电容器组额定（线）电压（Un）、电容器组组数（N）和工频角频率（ω）的关系，可简化为按式（1）计算选择。

经过规划设计，在6、10、35、66 kV并联电容器用限流器中的电抗器的电感值分别采用100、200、800、1500μH。它们在相应的电压等级电容装置的实用容量系列范围内，以及实用的电容器组组数范围内（通常小容量装置在同一母线上以1～2组配置，大容量装置可有4组及以上配置），均能可靠保证限制合闸涌流在允许的限值20倍以内。

随着电容器组容量的增大，相应的电抗器的电抗率增大，涌流倍数递减。可用式（2）验算追加合闸涌流的倍数。

例，当选取Le＝200μH，如Un＝10．5 kV，Qcn＝2Mvar，N＝3时Kc＝19．7倍；如Un＝10．5 kV，Qcn＝10 Mvar，N＝8时Kc＝11．6倍。其余电压等级的电容装置可同样验证限流器能安全可靠限制涌流，在电网中已安全投运的数千组限流器是最充分的证明。

2限流器对暂态过程有良好的阻尼作用

2．1限流器在暂态过程中的阻尼作用分析

理论研究与现场测试结果证明限流器对暂态过程有良好的阻尼作用。在电容器组合闸时，或在断路器断开电容器组发生重击穿时，或在邻近电容装置处发生短路时，即在发生电磁暂态过程中，火花间隙动作接入阻尼电阻，加速电流和电压自由分量的衰减（其实质是电阻接入电路后加速消耗引起电磁振荡的能量），从而使通过电容器及其配套设备的涌流I2·t值

大为减小［1］，或者消除电容器组放电电流对系统短路电流的助增影响［1］［2］；同时在上述过程中使在电容器和母线上出现的电压强制分量与自由分量之和明显地减小，亦即使电容器、母线以及其它相连设备上的过电压显著地降低。前苏联在80年代，法国在90年代都采用相同原理的装置来限制电容器组的操作过电压。

为了验证阻尼作用，曾经多次现场投切电容器组试验。现将部分测试数据处理结果列于表1（方

差分析本文略）。从对接入与不接入阻尼电阻、不同的投入方式，以及同一工况下的电容器与母线的过电压进行比较后可见：

（1）在串接相同电抗率的电抗器和在同一投入方式下，接入比不接入阻尼电阻时电容器和母线的合闸过电压低，最大降压幅度可达20％左右。

（2）由于阻尼效应，使电容器合闸过电压一般低于母线过电压或相近，而接阻尼电阻时则相反。鉴于限流器中电抗器的电抗率只有0．1％～0．5％，其正常运行电压很低，如10 kV等级该电压为7～35 V（对应于电容器组容量为2～10Mvar），而间隙整定动作电压为2 kV左右，故间隙接入电阻的持续时间一般不超过10 ms。此外，限制涌流的要求系按电源电压处于峰值时投入电容器组设计的，即使间隙动作电压有较大分散性亦无妨。运行经验证明，间隙与电阻使用简便可靠，不是可有可无，而是作用显著。

2．2正确整定火花间隙动作电压是发挥限流器阻尼作用的前提

在现场时有发现某些用户由于对火花间隙和阻尼电阻的作用认识不清，任意加大电极的间距或不

加调试，使火花间隙无法动作或动作电压过高，以致阻尼电阻不起作用或不能充分发挥作用。火花间隙作为接入与撤出阻尼电阻的“开关”，其动作电压应适当整定，考虑到间隙动作电压的分散性（经不同环境条件试验，其分散性为±20％），以及保证在稳态时可靠地撤出阻尼电阻（在稳态运行时，间隙电压即电抗器的端电压，其值随电抗率的增大而增大，为电容器组端电压的0．1％～0．5％），一般推荐6～10 kV电容装置中火花间隙动作电压取1．4～1．8 kV，35 kV电容装置取3．0～4．0 kV。

阻尼电阻允许长期持续接入运行。按理电阻只在电容器组合闸瞬时接入，设计具有承受涌流冲击的能力；但为确保装置的安全可靠，电阻的额定电流（IRn）按长期接入电路来设计选择，并满足式（3）的要求：

式中ILn—电抗器额定电流；

XL—电坑器电抗值;

R—阻尼电阻阻值；

3 应用限流器的电容装置的谐波响应

文献[3]以充分实例证明用简化电路模型（如图2所示）计算分析电容装置对电网3次谐波响庆是适用的；由此导出的电容装置的谐振容量（Qck）的算式（4），对于3次谐波亦同样适用于工程实际。

即：

式中，Sd为电容装置接入处电网短路容量，h为电网谐波次数。当h=3,A=5%、电容装置容量Qc=Qck=6%Sd时，发生3次谐波揩振；当A=6%、Qc=Qck=5%Sd时亦同样发生谐振。这种现象在国内许多220KV及以上变电所中装设的大容量电容装置（串接电抗率为5％～6％的电抗器）屡屡发生，造成设备损坏或停运。为了避免电容装置对电网3次谐波的放大或谐振，在河南省的汤阴变等5个变电所和湖南省的宝庆变等3个变电所曾先后采取短接全部或部分电抗器，取得了良好的效果。同样的道理，由于限流器与不同容量的电容器组合后，通常电抗率在0．1％～0．5％范围内，就使电容谐振容量上升到（1 0．5％～11．0％）Sd，其为现场实际装置容量1倍以上，不可能发生3次谐波谐振。

根据理论分析与实际测试证明，图2所示的简化电路模型，对于5次及以上谐波是不适用的。假如按式（4）计算使用限流器的电容装置的5次和7次谐波的谐振容量分别为（3．4％～3．9％）Sd和（1．4％～1．9％）Sd，它们意味着这些电容装置在多数场合会发生5次或7次谐波过度放大甚至谐振，这是与实际情况不相符的。我们曾分别对浙江和福建应用限流器—电容器组的各级变电所的谐波情况进行监测，测试结果表明：电容装置投入后对电网3次谐波有所放大，且随着投入容量的增大逐渐增大，但放大程度远小于串

接5％～6％电抗器—电容器组的状况；而对于电网5次及以上谐波变化影响相对较小，在某些场所由于电容支路的分流作用，使5、7或更高次谐波电压含量还有所降低。但在电容装置接入处如存在较大的谐波源，则将谐波严重放大（有浙江省110 kV景宁变、35 kV 甲村变等例），需要对谐波源（许多小电炉炼钢）采取治理措施。现以浙江省220 kV跃新变为例观察应用限流器的电容装置接入电网后谐波变化情况（详见表2）。跃新变装有1 50 MVA主变压器1台，其三侧电压为220／110／35 kV，在35 kV侧装有4组8．4 Mvar

电容器，每组串接限流器，其电抗器的电抗率为0．15％。谐波测试结果符合上述论断。跃新变电容装置是在测算串接6％电抗器将引起3次谐波严重放大后，更改设计采用限流器的。事实证明此举取得显著的技术经济效益。

对于已投运变电所的新建或扩建电容装置工程，可通过电网谐波实测和谐波分析程序对5次及以上谐波潮流进行仿真计算，因地制宜地优选电抗器参数；对于新建变电所的大容量电容装置工程，情况不明无从测算，若采用所有的电容装置都串接12％～13％电抗器的做法虽属稳妥，但既造成大量损耗有功与无功电能，又显著提高了工程造价，是不可取的。文献［4］阐述了各种抑制谐波的对策，其中最经济的方案是：串接0．5％及以下电抗器电容器组＋滤波器。具体说，可先用限流器，个别电容器组预留有更换滤波电抗器的场地，投产后视谐波实测情况决定是否更换。至于撤换下来的限流器，由于它与电容器组没有固定的电抗率配合问题可另外使用。

4结语

（1）由于限流器中电抗器和阻尼电阻的综合作用，可取得限制电容器的操作过电压与过电流的良

好效果。间隙动作电压应加调试和电极表面适当维护（一年一次）。

（2）电容装置使用限流器可避免对电网3次谐波的过度放大与谐振。在电容装置处若存在5次和7次谐波源时忌用限流器。

（3）从简化电路模型导出的电容装置谐振容量算式通常只适用于3次谐波。

参考文献

[1]杨昌兴，王敏．在大容量并联电容器装置中应用阻尼式限流器［J］．中国电力，1996，29（5）：5－6．

[2]杨昌兴，史班，等．大容量并联电容器装置中短路状态的模拟试验研究［J］．浙江电力，1985，（5）：31－33．

[3]GB50227－95，并联电容器装置设计规范［S］．