无功补偿装置讲义

1无功补偿装置讲义一、无功补偿装置在系统中的作用电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户处的电压在额定范围内是电力系统运行调整的基本任务之一，也是降低电力系统能量损耗，保持系统稳定的需要。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功输出应满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。而在电力系统的实际运行中，由于事故的发生或运行方式的改变，常常会出现系统中无功过剩或无功不足的现象，导致系统电压的偏移，这就需要进行无功补偿，使电压恢复到额定电压水平。由于 500KV 线路输送距离较远，其分布电容对无功功率的平衡有较大影响，利用发电厂无功设备输出和吸收无功功率，不仅降低线路输送有功功率，也加大了电压损耗，因此无功功率不宜长距离输送。一般在 500KV 枢纽变电站的主变压器低压侧安装无功补偿装置，满足无功功率就地平衡的要求，使 500KV 系统电压运行在额定电压水平。因此，无功补偿装置在平衡 500KV 电网中的无功功率，提高输电线路的静态稳定水平起着非常重要的作用。二、无功补偿装置的原理利用并联电容器产生无功功率，并联电抗器吸收无功2功率。三、 无功补偿装置分类目前在 500KV 变电站中广泛采用的无功补偿装置主要有并联电容器、并联电抗器、静止补偿装置和同步调相机等四种，而前三种在 500KV 变电站应用最广泛。1、 开关控制投切无功补偿装置基本接线图如下：500kV220kV 35kV它是利用断路器来实现电容器、电抗器的投切，特别是对于电容器，由于其投切时的静态过程比较严重，为限制投入产生的涌流，一般在电容器前面串联一个比较小的电抗器，同时此电抗器与电容器组成串联谐振滤波器，达3到消除系统特征谐波的目的。为防止在投切时断路器重燃，要求断路器有较强的灭弧能力，一般多采用电压等级相对额定电压高的 SF6 或真空断路器。另外，由于 Qc=U/Xc，当连接点电压下降时，它所产生的无功功率将减少，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降，说明了断路器投切无功补偿装置的调节性能比较差，为此，一般采用多组容量相等的电容器来安装的方式改善其调节性能。2、 无功静止补偿装置我国从上世纪 80 年代初建成 500KV 超高压线路时，就从国外成套引进了这种装置。它主要是利用可控硅元件同步控制电容器和电抗器的投切，向系统发出或吸收连续可变的无功功率，其响应速度比同步调相机和断路器控制的电容器电抗器要快得多，但对于维持系统动态稳定方面其性能不及同步调相机。无功静止补偿装置的接线图如下。4500kV220kVTSC TCR5它主要由降压变压器 T、固定电容器组 FC、晶闸管投切电容器 TSC 和晶闸管控制的电抗器 TCR 组成。其中降压变压器的作用是为了满足晶闸管的电气参数优化的要求而设置，以减少设备费用。固定电容器组 FC 既可以安装在变压器 T 的高压侧，也可以安装在其低压侧，其中串联电抗器的作用与断路器投切无功补偿装置中的串联电卡电抗器相同。晶闸管投切电容器 TSC 与晶闸管控制电抗器 TSC 是无功静止补偿装置的主要设备，并决定其性能和运行特性。（1） 晶闸管控制投切电抗器（TCR） 。它由两个电抗器和一个双向晶闸管组成，其中 L1 主要用来限制晶闸管与L2 之间故障时的通过晶闸管的电流。工程上利用控制晶闸管的导通角来控制电抗器 L2 的电流大小，达到控制无功输出的目的。显然，晶闸管全导通和完全截止，会导致 L2 的投入和退出。6（单相晶闸管控制投切电抗器）（2）晶闸管控制投切电容器（TSC） 。其中电抗器 L 的作用有三：一是降低电容器投入时的涌流变化率，二是与电容器组成串联谐振滤波器，滤除系统的主要特征谐波，三是限制故障电流，保护晶闸管和电容器等元件。同样，工程上利用控制晶闸管的导通角来控制电容器组的投切，从而达到控制无功输出的目的。（单相晶闸管控制投切电抗器）7四、无功补偿装置的运行与维护1、根据无功静止补偿装置的基本结构，其运行方式一般有以下几种选择：第一，TSC+TCR：这种运行方式适用于动态补偿且在正常情况下并不需要向系统提供太多的无功功率的情况下运行。第二， FC+TCR 或 FC 单独运行方式：适用于向系统输出较大无功的情形。第三， FC+TCR+ TSC：这种方式具有较大的适应范围，也是静止补偿装置最基本的运行方式。第四， 一般不单独使用 TCR 或 TSC 运行方式。第五， 对于安装了两台静止补偿装置的变电站，要求两台装置的运行方式尽量一致。2、正常运行时，一般要求静止补偿装置的无功出力控制在其额定容量的 50%至 60%范围内，保证其有一定的无功储备来抑制系统的动态扰动。3、为了保证其快速调压功能，运行中必须采用逆调压方式来调节参考电压，即当系统处于高峰负荷时，应上调参考电压以端电压升高；当系统处于低谷负荷时，则下调参考电压，使端电压降低。但必须注意参考电压的调节应使其运行容量维持在原定的调压范围内，以防止补偿装置超出出力运行而误跳闸。84、对于 FC 和 TSC 支路，在断路器分闸后 5 分钟之后才能操作其隔离刀闸。5、运行中注意巡视检查电容器外壳有无鼓胀变形和渗油现象，套管有无闪络放电，电容器有无放电声，电容器外熔丝有无熔断掉牌，环境温度是否超过电容器允许的工作温度。6、电抗器引线接头有无裂纹，本体有无异常响声和放电声，周围有无其他杂物或铁磁物质。7、由于晶闸管在运行时产生大量热能，因此对于静止补偿装置还为其配置了冷却系统，运行中必须检查冷却系统运行情况。晶闸管的冷却系统主要有水冷和空气冷却两种形式，其中水冷却系统冷却效率高，燥声小，但维护比较复杂，空气冷却效率稍低，容易引起燥声，但简单可靠。水冷却系统必须在静止补偿装置投运前半小时启动，待内冷却水的含氧量、电导率、水位均正常后才能投入静止补偿装置，停运时，也必须在断路器分闸后半小时再停水系统。五 、 无 功 补 偿 装 置 的 操 作 管 理1、运行人员应按系统电压的变化趋势对本站低压电抗器、电容器组进行操作。在满足 500kV 母线电压要求的条件下，尽量减少操作次数。92、运行人员应严密监视母线电压，控制 500kV 母线电压运行在网调下达的季度电压曲线允许范围内。3、500kV 母线电压超过网调下达的季度电压曲线上下限值时，运行人员应及时依次投入或退出相应组数的无功补偿装置。操作完毕后及时将操作前后的电压情况记录在单项操作记录本中。4、运行人员也可根据网调值班调度员的命令对低压无功设备进行投退操作。5、尽量使各组无功补偿装置轮换运行。6、若所有无功补偿装置均已投入或退出运行仍然不能满足电压要求时，运行人员应及时向网调值班调度员汇报。7、35KV 电抗器和电容器不允许同时投入运行。8、系统事故造成 500KV 母线电压大副下降时，应迅速退出 35KV 电抗器或投入 35KV 电容器，尽量提高 500KV 母线电压，但不得超过电压曲线的上限值。9、无功补偿装置发生异常或故障时，运行人员应立即向网调汇报，由网调值班调度员指挥处理，同时按有关规定填报缺陷。 六、评价开关投切无功补偿装置无须配置辅助设备，较晶闸管10控制投切电抗器和电容器投资小，但其动态补偿性能差，而晶闸管控制投切电抗器和电容器，必须配置大量的辅助设备，控制系统复杂，维护和检修成本大，但其动态补偿性好，对冲击负荷有较强的适应性。系统中开关投切无功补偿装置有逐步增大趋势。站 用 电 源变电站的所用电负荷主要是变压器的冷却装置、蓄电池的充电装置、全站照明、检修用电及站内供水消防设备用电。对于 500KV 变电站，还包括高压断路器、隔离刀闸的操作机构电源，经管这些负荷的容量不是很大，但由于500KV 变电站在系统中的枢纽地位，出于运行安全性考虑，其所用电系统必须具有高度的可靠性。一、 所用电源数量及接线方式500KV 变电站必须装设两台或以上的所用变压器，站内的主要负荷，如主变的冷却器、直流系统充电设备和高压断路器、刀闸的操作机构电源等都应配置双套电源，分别接在不同的所用变压器上，并且根据其重要程度设置成11自动切换或手动切换的运行方式。每台所用变的容量应按全站负荷计算来选择，也就是每一台所用变的容量均按暗备用设置，以保证在建设初期或紧急情况下一台所用变就能担负起全站的用电负荷。当有可靠的外接电源时，一般设置一台与工作所用变容量相同的备用变压器作为备用电源；当无可靠的外接电源时，可以设置一台自动启动的柴油发电机组作为全站备用电源，但其容量至少应满足一台主变冷却负荷和断路器与隔离刀闸操作机构电源的需要。另外，当变电站设置有备用所用变时，一般均需要装设备用电源自动投入装置，以保证工作变压器因故障跳闸时备用变压器能迅速自动投入。所用电源的接线方式一般有以下几种：第一、当站内有较低电压母线时，一般从这类母线上引接两个所用电源，这种引接方式具有经济性和可靠性高的特点。若能从不同电压等级的母线上分别引接两个所用电源，则更能保证所用电的不间断供电，当低压母线设有旁路母线时，还可以将一台所用变压器通过旁路隔离开关接到旁路母线上。正常运行时由工作母线供电，当工作母线停电检修或试验时，则倒换到旁路母线上供电。第二、从变压器第三绕组引接，由于 500KV 主变几乎都是自偶变压器，且都增设了第三绕组，电压等级也都是126KV 至 35KV，并且都是三角形接线（这些都是我国电力系统的实际决定的） ，这就为我们引接所用变提供了条件。第三、500KV 变电站的外接所用电源多由附近的发电厂或变电站的低压母线引接。二、所用变压器低压侧接线方式变电站的所用电负荷一般不是很大，但很重要，因此所用电系统大多采用 380/220V 中性点直接接地的三相四线制，动力与照明合用一个电源。所用变压器的低压侧多采用单母线接线方式。当有两台以上的所用变压器时，就采用单母线分段接线方式，但正常时是分段运行的，以限制故障范围，提高供电的可靠性。 500KV 变电站设置了不间断供电装置（UPS） ，主要对通信设备、计量设备、事故照明、监控系统等重要负荷进行不间断供电，而对其它负荷允许停电一段时间，因此可不考虑装设失压启动的备用电源自投装置，避免备用电源投入到故障母线上扩大为全站停电事故。备用电源自动投入装置（BZT）13讲 义为了保证重要用户或负荷在各种故障情况下不间断供电，发电厂的厂用电系统和变电站所用电系统均设计了备用电源自动投入装置，当重要用户或负荷的工作电源因故障消失时，能自动而迅速地将备用电源投入或将重要用户切换到备用电源上去，使用户不至于被停电的一种自动装置，简称 BZT 装置。二、 装置动作原理在下图中，低电压启动机构包括两个低电压继电器，过电压继电器 2，时间继电器 3 和中间继电器 4 与 7。在正常情况下，工作母线及备用电源母线均有电压，低电压继电器的接点断开，继电器 2 的接点闭合， 为装置的启动作好了准备。自动合闸机构包括时间继电器 5 和中间继电器 6，时间继电器 5 是瞬时动作延时返回的，正常时继电器 5 处于励磁状态，其接点闭合。当其线圈失电后，接点延时 0.5 至0.8 秒的时限才能断开。三、 对 BZT 装置的基本要求：2、 BZT 装置必须在工作母线因任何原因失去电压时动作。以下图为例，根据实际运行分析，使母线 1 失去电压的原因有 ：第一，工作变压器 B1 故障；第二，母线上有短路故障；第三，由母线 1 供电的出线上有故障，没有14被出线的保护装置动作断开；第四，1DL 或 2DL 错误断开，（人为误操作或继电保护误动作） ；第五，由于给母线 1 供电的电源故障，使母线上的电压消失，母线 1 也跟着失去电压。在所有上述情况下，BZT 装置都因该动作。3、 BZT 装置应该保证停电时间最短，使电动机的自启动容易一些（启动电流是正常电流的 5 至 8 倍） 。4、 BZT 装置只应动作一次，以免在母线或引出线上发生持续性故障时，备用电源多次投入到故障元件上，造成严重损失。5、 BZT 装置应在工作电源确已断开后，再将备用电源投入。这是考虑到在工作电源发生故障的情况下，不致在备用电源投入后，由备用电源经过母线来供给故障点的电流。6、 当电压互感器的熔断器熔断时，BZT 装置不应该动作。7、 当备用电源无电压时，BZT 装置不应动作，因为动作是无效的。15图 1：备用电源原理图 上图 BZT 装置的动作过程：当母线 1 因任何原因失去电压时，工作变压器的保护动作或低压启动机构动作，即低压继电器的接点闭合，启动时间继电器 3，经一定时限后启动中间继电器 4，其接点闭合去断开工作变压器的 1DL及 2DL2。 2DL 断开后其辅助接点 2-2 打开，使时间继电器5 失电，在其接点打开前（延时断开） ，通过 2DL 的辅助接点 3-3 启动重合装置的中间继电器 6，其常开接点闭合，使备用变压器两侧的开关 3DL 和 4DL 合闸。该 BZT 装置的接线是怎样满足基本要求的呢？第一个要求是靠低压启动机构满足的。如果没有低压16启动机构，当低压母线 1 因高压母线 1 失压而紧跟着失压下，BZT 装置就不能动作了。为了满足第二、三个要求该装置在 2DL 一断开立即通过其辅助接点 3-3 启动中间继电器 6 去合闸，没有延时。2DL 断开后，时间继电器 5 断电，其接点延时断开，这一时限即保证可靠启动中间继电器 6，从而使 3DL、4DL 合闸，又限制了 BZT 装置，使它只动作一次。因为超过时限后，中间继电器 5 的接点已经断开了，使装置不会进行第二次动作。第四个要求是利用断路器2DL 的辅助接点 3-3 实现的，2DL 不断开，辅助接点 3-3 不会闭合，备用电源不会投入，也就不会重复投入故障。在接线图中，两个低中压继电器按 V 形接线，而其接点相互串联，保证了当一个熔断器熔断时，BZT 装置不会误动作，保证第五要求的实现 。最后一个要求是用过电压继电器 2实现的，当备用电源无电压时，过电压继电器接点打开，中间继电器 7 失磁其接点打开，低电压启动机构不会动作。此外，当 1DL 误断开时，通过其辅助接点 2-2 使 2DL 断开，合闸机构将备用电源自动投入。四、 为了满足上述要求，BZT 装置必须由两个机构 组成：1、 低电压启动机构。当工作母线上因任何原因失去电压后断开工作变压器的开关。172、 合闸机构。用来在工作变压器断开以后，立刻将备用变压器的开关合上。直 流 系 统在变电站中，要求向控制、信号、保护、自动装置、事故照明等装置或负荷供电的直流电源有高度的可靠性和稳定性，且直流电源的电源容量和电压质量应在最严重的事故情况下都应保证重要直流负荷的可靠工作。18一、 直流系统电压等级的确定一般来说，我国直流系统分为 220V、110V、48V 三个电压等级。500KV 变电站由于控制对象多，信号和测量回路复杂，常常使用 48V 电压作为弱电控制、弱电信号和弱电测量的电源，弱电技术作为一种先进技术正在被国内越来越多的超高压变电站所采用。220V 和 110V 直流系统均有采用，但相比 220V 来说，110V 直流系统要求的绝缘水平较低，提高了运行的安全性，减少了中间继电器线圈断线和接地故障，当采用微机保护时，110V 继电器的触点断开时的干扰电压副值较低，可提高设备工作的安全性，另外，蓄电池的个数和蓄电池室的占地面积减小，简化了安装和维护。但是，当 110V 直流作为控制电源时，由于电压较 220V 低，因此控制电流大，控制电缆截面也大，增