高低压电容补偿柜各元器件地作用及其选型.doc

1、-_高低压电容补偿柜各元器件的作用及选型概述高压断路器短路电流的开合并联电容器的保护并联电容器的运行与维护1.接线类型及优缺点：目前在系统中运行的电力电容器组的接线有两种：即星形接线和三角形接线。电力企业变电所采用星形居多，工矿企业变电所采用三角形居多。三角形接线优点：可以滤过 3 倍次谐波电流，利于消除电网中的 3 倍次谐波电流的影响。三角形接线缺点：当电容器组发生全击穿短路时，故障点的电流不仅有故障相健全电容器的放电涌流，还有其他两相电容器的放电涌一、并联电力电容器的接线 流和系统短路电流。故障电流的能量往往超过电容器油箱能耐受的爆裂能量，因而常会造成电容器的油箱爆裂，扩大事故。星形接线优

2、点：当电容器发生全击穿短路时，故障电流受到健全相容抗的限制，来自系统的工频短路电流将大大降低，最大不超过电容器额定电流的 3 倍，并没有其他两相电容器的放电涌流，只有故障相健全电容器的放电电流。故障电流能量小，因而故障不容易造成电容器的油箱爆裂。在电容器质量相同的情况下，星形接线的电容器组可靠性较高。并联电力电容器的接线与电容器的额定电压、容量，以及单台电容器的容量、所连接系统的中性点接地方式等因素有关。-_220500kV 变电所，并联电力电容器组常用的接线方式：（1）中性点不接地的单星形接线。（2）中性点接地的单星形接线。（3）中性点不接地的双星形接线。（4）中性点接地的双星形接线。666

3、kV 为非直接接地系统时，采用星形接线的电容器中性点不接地方式2.电容器的内部接线（1）先并联后串联：此种接线应优先选用，当一台电容器出现击穿故障，故障电流由来自系统的工频故障电流和健全电容器的放电电流组成。流过故障电容器的保护熔断器故障电流较大，熔断器能快速熔断，切除故障电容器，健全电容器可继续运行。（2）先串联后并联：当一台电容器出现击穿故障时，故障电流因受与故障电容器串联的健全电容器容抗限制，流过故障电容器的保护熔断器故障电流较小，熔断器不能快速熔断切除故障电容器，故障持续时间长，健全电容器可能因长时间过电压而损坏，扩大事故。3.并联电容器的接线及各元件基本要求：（1）电容器1）型式的选

4、择可由单台电容器组成或采用集合式电容器组。单台电容器组合灵活、方便，更换容易，故障切除的电容器少，剩余电容器只要过电压允许可继续运行。但电容器组占地面积大布置不方便。集合式电容器组和大容量箱式电容器组，占地面积小、施工方便、维护工作少，但电容器故障要整组切除，更换故障电容器不方便，有时甚至要返厂检修，运行的可靠性不如单台电容器组。在具体工-_程中可根据实际情况选择电容器组的型式。2）额定电压的选择电容器的额定电压应能承受正常运行可能出现的工频过电压，其值不大于电容器额定电压的 1.1 倍。当电容器回路接有串联限流电抗器时，应计及因串联电抗器引起的电压升高，电容器的端电压将高于接入处电网电压，其

5、升高的电压与电抗器的电抗率有关，可按以下电抗率确定电容器的额定电压：当电抗率 K1%时，取每相电容器的额定电压当电抗率 4.5%K6%时，取当电抗率 K=12%时，取当电抗率 12%K13%时，取式中 为电网额定电压。3）容量的选择应根据电容器组的容量、允许的并联台数、串联的段数以及标准电容器产品的额定值等因素优化确定。在条件允许的情况下应首先选用单台容量大的电容器，可方便布置，减少占地，有利于运行维护。在有串联电抗器的情况下，整组电容器的实际输出容量应等于整组电容器的额定容量减去电抗器的额定容量。（2）断路器用于电容器组回路的断路器的环境特点是，电容器是一个储能元件，在操作过程中容易产生操作

6、过电压，而电容器本身又容易因过电压而损坏，因此除满足一般断路器标准要求外，断路器性能还应满足一些特殊要求。电容器上的过电压主要是重复充电产生的，断路器合闸过程中的弹跳和分闸过程触头间的重燃是产生操作过电压的根本原因。断路器合闸过程中的弹跳时间越短，产-_生的操作过电压越小，一般要求断路器合闸过程中的弹跳时间小于 2ms，分闸过程触头不重燃。此外，对于多组电容器的总回路断路器还能承受关合涌流、工频短路电流的联合作用。对于经常投切的电容器组，断路器应具有频繁操作的性能。另外，当电容器组与供电线路接在同一母线上，线路断路器的投切也能引起电容器的过电压，危及电容器的安全。所以，与电容器接在同一母线的线

7、路断路器也应与电容器回路断路器具有相同的性能。（3）串联电抗器1）串联电抗器的选择用作限制充电涌流和谐波电流。用作限制充电涌流时，涌流值通常按电容器额定电流的 20 倍计算，电抗率一般为 0.1%1%。用作限制谐波电流时，与接入电网的谐波有关。如电网的谐波为 5 次以上时，电抗率宜取 4.4%6% ，如电网的谐波为 3 次及以上时，电抗率宜取 12%。电抗器的额定电流应大于或等于电容器组的额度电流。一般选用空芯或半芯干式串联电抗器。2）串联电抗器的连接 串联电抗器可接在电容器组的中性点或电源侧，对限制合闸涌流和抑制谐波电流的作用都是一样的。接在中性点侧，正常运行时电抗器所承受的电压低。可不受短

8、路电流的冲击，可减少事故，运行安全，电抗器的价格也较低。串联电抗器接在电源侧，对承受电压和短路电流能力的要求就较高，电抗器的价格也较贵。因此，一般情况下推荐串联电抗器接在电容器的中性点侧。接在大容量降压变压器 10kV 的电容器组，还应考虑变压器 10kV 侧主回路限流电抗器的影响，电容电流流过电抗器时将引起电压升高。（4）放电器为了安全和防止合闸时因剩余电荷产生过电压，要求放电器能在电容器组-_脱离电源后，在 5s 内将电容器上的剩余电压降至 50V 以下。通常选用同一电压等级的电压互感器作为放电器，其二次还可作检测电压用。为提高安全性，放电器回路不应接任何保护熔断器和刀开关。（5）避雷器用

9、于限制电容器组的操作过电压，通常选用无间隙的氧化锌避雷器。（6）熔断器对熔断器的要求见后面“并联电容器组的熔断器保护”。高压断路器在电力系统中开断电路时，总会出现电弧。开断的电流愈大，电弧愈难熄灭，其工作条件也愈严酷。在电力系统发生故障时，短路电流比正常负荷电流大得多，因此关合短路故障是断路器最基本也是最困难的任务。电弧现象1电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。如 10KV 少油断路器开断 20KA 的电流时，电弧功率高达 10000KW 以上，造成电弧及其附近区域的介质及其强烈的物理化学变化，可能烧坏触头及触头附近的其他部件。如果电弧长期不灭，将会引起电器被烧毁甚至爆炸，危机电

10、力系统的安全运行，造成重大损失。所以，切断电路时，必须尽快熄灭电弧。2开关电器的触头虽然已经分开，但是触头间如有电弧存在，电路就还没有断开，电流仍然存在。3电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。如，大气中 1cm 长的直流电弧的弧柱电压只有 1530V，在变压器油中也不过 100200V。4电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形，在外力作用下（如气体、液-_体的流动或电动力作用）会迅速移动、伸长或弯曲，对敞露在大气中的电弧尤为明显。如，在大气中开断交流 110KV、5A 的电流时，电弧长度超过 7m。电弧移动速度可达每秒几十米至几百米。电弧的产生与维持1强电场

11、发射开关电器的触头分离时，动静触头间的压力不断下降，接触面积减小，因而接触电阻增大，温度剧升。另一方面，触头开始分离时，触头间距很小，即使电压很低，只有几百伏甚至几十伏，但是电场强度却很大。由于上述原因，阴极表面可能向外发射电子，这种现象称为强电场发射。2热电子发射触头是由金属材料制成的，在常温下，金属内部就存在大量的自由电子，当开关开断电路时，在触头分离的瞬间，由于大电流被切断，在阴极上出现强烈的炽热点，从而有电子从阴极表面向四周发射，这种现象称为热电子发射。发射电子的多少与阴极材料及表面温度有关。3碰撞游离从阴极表面发射出来的电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动。并不断与中性质点碰撞，如

12、果电场足够强，电子所受的力足够大，且两次碰撞间的自由行程足够大，电子积累的能量足够多，则发生碰撞时就可能使中性质点发生游离，产生新的自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。新产生的自由电子在电场中作加速运动又可能与中性质点发生碰撞而产生碰撞游离。结果使触头间充满大量自由电子和正离子。使触头间电阻很小，在外加电压作用下，带电粒子作定向运动形成电流，使介质击穿而形成电弧。4热游离-_处于高温下的中性质点由于高温而产生强烈的热运动。相互碰撞的结果而发生的游离称为热游离。作用：维持电弧的燃烧。一般气体发生热游离的温度为900010000 ，而金属蒸汽约为 40005000。因为电弧中总有一些金属蒸汽，

13、而弧柱温度在 5000以上，所以，热游离足以维持电弧的燃烧。高压断路器在系统中关合有两种情况：一是正常关合；另一种是故障关合，指关合前线路或电气设备已存在绝缘故障，甚至处于短路状态的情况。后一种关合大部分出现在线路发生短路故障，断路器由继电保护控制跳闸后，进行自动重关合而短路故障并未消除时；也可能出现在电力系统投入运行前已存在未被发现的“预伏故障”时。由于在各种关合中短路故障的关合最困难，因此具有足够的关合短路故障的能力是对断路器的一项基本要求，也是国家标准中规定的型式试验考核项目。标志这一能力的参数是断路器的额定关合电流。一、短路故障的关合 二、恢复电压的基本概念 交流电弧的熄灭与弧隙介质恢

14、复过程和电压恢复过程有关。图中，Ud 代表弧隙介质恢复曲线，当恢复电压按 Utr1 变化时，在时间 t1 后，电弧复燃，而当按 Utr2 变化时，电弧就熄灭。短路故障大多数是电感性电路，图中，u 为工频电压。当断路器触头 S 闭合时，电流 i 落后于电压 u 角度 ，电压与电流的波形如右图。在 t0 时，触头 S 分开，产生电弧，由于电弧电压很小，电源电压大部分降落在电阻和电感上，电流仍按正弦变化。电流过零时电路中断，电源电压加在触头两端，弧隙电压将由 Ua 上升到电源电压 U 的这样一个过渡过程。在实际电路中，弧隙间总有电容存在，弧隙电压不可能突变，电-_压恢复过程是带有周期性分量的振荡过程

15、，也可以是非周期性过程。电压恢复过程中，首先出现在弧隙两端的是具有瞬态特性的电压，称为瞬态恢复电压Utr。时间很短，只有几十微秒至几毫秒。瞬态恢复电压消失后，弧隙两端出现的是由工频电源决定的电压，称为工频恢复电压。瞬态恢复电压与工频恢复电压统称为恢复电压。瞬态恢复电压具有决定性的意义，因此是分析研究的主要方面。而且许多场合提到的恢复电压往往就是指瞬态恢复电压。（1）工频恢复电压的大小。（2）电路中电感、电容和电阻的数值以及它们的分布情况。实际电网中，这些参数的差别很大，因此瞬态恢复电压的波形也会有很大的差别。（3）断路器的电弧特性。断路器的开断性能不同，电流过零时弧隙电阻值的差别很大。对瞬态恢

16、复电压会带来很大的影响。 电流过零时，弧隙电阻能立即变成无限大的断路器称为理想断路器。理想断路器的瞬态恢复电压只取决于电网参数，而与断路器的开断性能无关。三、单相电路开断时的恢复电压 时，断路器 CB 的触头分开产生电弧，弧隙两端的电压为电弧电压 。 时，电流过零电弧熄灭，出现电压恢复过程。电源出口处发生短路时，电源侧的对地电容 C 恰好与断路器弧隙并联，因此弧隙的电压恢复过程就是在 时电源电压 u 通过 R 与 L 对电容 C 的充电过程。这个过程相当于在下图中开关 S 突然关合时，电容 C 两端的电压变化过程。式中：电源电压幅值；按上式画出的恢复电压波形如下图：从图中可以看出，瞬态恢复电压

17、中含有高频振荡，其振荡频率 f0 与 L，C 有关，-_但衰减很快。当 t 接近 1/2f0 时，瞬态恢复电压达到最大值 Utrm，Utrm 一般为工频恢复电压 U0 的 1.41.5 倍。短路电流中有时含有非周期分量，从图中可以看出，不管电弧是在 t1（电流大半波过零）时，还是在 t2（电流小半波过零）时熄弧，电源电压瞬时值 U01 与 U02 都比 Um 要小。（一）中性点非直接接地系统的三相短路故障我国 60kV 以及下和部分 110kV 系统都采用中性点非直接接地方式。这种系统可能出现三相不接地短路和三相接地短路两种情况。三相不接地短路故障：四、三相电路开断时的恢复电压 三相电路中，三

18、相短路电流不同时过零，因此三相电弧也不会同时熄灭。假定断路器 CB 开断后，A 相短路电流先过零，A 相电弧先熄灭。此时，B、C 两相形成两相短路。A 相断路器触头两端的工频恢复电压为：经计算可得：由此可见，A 相断开后，工频恢复电压为相电压的 1.5 倍，或称首开极（相）系数为 1.5。A 相过零电弧熄灭后，B、C 两相的短路电流经过 5ms（900 电角度）也过零。电源电压将加在 B、C 两相的触头上。如果电压分配均匀，B、C 两相触头上的工频恢复电压为：通过上面分析可知，开断三相短路故障的困难和关键在于首相。首相如能灭弧，后两相一般均能顺利熄灭，但燃弧时间比首开相延长 5ms，电弧能量较

19、大，因此触头烧损、喷气等情况比首相要严重些。三相短路故障开断时的工频恢复电压、短路电流的变化曲线见左图。-_对于中性点非直接接地系统中发生三相接地短路故障时，短路电流与恢复电压情况与三相不接地短路故障相同。（二）中性点直接接地系统的三相短路故障我国 220kV 及以上，包括大部分 110kV 系统采用中性点直接接地方式。中性点直接接地系统发生三相接地短路故障时的电路如下图。设 A 相电流先过零，电弧熄灭，应用对称分量法，可得首开相得工频恢复电压。经计算可得：即在中性点直接接地系统中发生三相接地短路故障时的首开极（相）系数为1.3。即 C 相工频恢复电压为相电压的 1.25 倍，较首开相的 1.3 倍略小。B 相熄灭后，由于三相接地短路故障已全部切除，显然 B 相得工频恢复电压即为相电压，比先开断的两相都低。A 相恢复电压：C 相恢复电压：B 相恢复电压：五、关合和开断电容器组 我国的电容器组一般用于 63kV 以下，在这些电压中，设备的绝缘水平高，电容器组投入时的合闸过电压通常不会给设备造成危害。电容器投入的主要问题是涌流。波形如上图，涌流的频率较高，可达几百到几千赫；幅值比电容器正常工作电流大几倍至几十倍，但衰减很快，持续时间小于 20ms。涌流过大可能造成断路器触头熔焊、烧损，涌流产生的电动力可能会使零件损坏，还可能