关于GB 50227《并联电容器装置设计规范》的专题研究

关于GB50227-1995《并联电容器装置设计规范》的专题研究为了给修订国家标准GB50227--1995《并联电容器装置设计规范》提供依据，有关单位先后对谐波抑制对策、操作过电压保护、电客器和电客器组保护3项专题进行了课题研究，文章对3项专题研究的概况、主要内客、研究结论，以及研究成果在工程中的推广应用等作了简要介绍，并对此3项专题进行的深入研究提出了建议。西南电力设计院是国家标准GB50227-1995《并联电容器装置设计规范》的主编单位，为了解决该标准送审稿审查时遗留的抑制谐波措施、操作过电压保护、电客器和电客器组故障保护3个问题，并为标准修订时补充和完善标准条文，由西南电力设计院牵头组织了专题研究，并分别委托3个科研单位进行专题研究。第一个专题“并联电容器装置的谐波响应与抑制对策研究”由中国电力科学研究院承担；第二个专题“并联电容器组操作过电压及其保护研究”由武汉高压研究所承担；第三个专题“并联电容器内部故障保护的研究”由浙江省电力试验研究所承担。现分别对3个专题的研究情况作一介绍。1谐波抑制对策1.1专题概况该专题研究从国家现行标准和现有研究成果着手，对电容器组谐波电压、谐波电流进行了计算和校验，对电容器组投入引起的电源侧谐波电压放大和谐振容量进行了计算，对不同电抗率配置抑制谐波放大效果进行了计算，同时，对一些特殊情况（可变电抗率串联电抗器、电抗器退出运行、电容器组缺台运行）进行了计算分析。1.2主要内容电容器组的谐波电压的谐波电流计算、电源侧的谐波电压放大和谐振容量计算，都是为了合理地配置电抗器，达到有效地抑制刘东淑放大，使电容器组安全运行。计算分析主要考虑3、5、7、11次含量较高的谐波，将谐波电流放大等于2时的轻度放大作为安全线，电抗率K取值为0%、0.1%、0.5%、1%、4.5%、5%、6%、12%、13%，电容器组投入运行后反映的是s=QC/Sd的变化，其中Qc为投入运行的电容器组总容量；Sd为电容器组母线短路容量。s值的变化范围为0.5%~5%。分析计算结果可以看出：（1）对于3次谐波。当电抗率K为2%、3%、4%、4.5%、5%、6%时的放大更为严重。当s逐渐变大时，谐波电流的放大倍数也逐渐变大。当K为6%，s接近5%时，放大倍数已经大于25；而当K为0%、0.1%、0.5%、1%、12%、13%时，则不会出现3次谐波电流的严重放大。（2）对于5次谐波。当电抗率K≥4%时，不会出现谐波电流严重放大的情况；当K＜4%且s变化时，下列范围内会出现谐波电流严重放大现象：①K=0，s在2%~8%时；②K=0.5%，s在1.75%~7%时；③K=2%，s在1%~4%时；④K=3%，s在0.5%~2%时。（3）对于7次、11次幅值较小的谐波。当电抗率K值很小时会发生谐波电流放大，危险区如下:①7次谐波，K=0，s在1.02%~4.08%时；K=0.5%，s在0.77%~3.08%时。②11次谐波，K=0，s在0.5%~1.65%时。对几种特殊情况的分析如下:①退出电抗器运行。这种情况相当于K=0，流入系统的谐波电流被放大了，对于3次谐波放大不严重；对7次、11次谐波虽然也被放大了，但一般都能够被接受；对于5次谐波放大严重，必须注意。在5次谐波含量较大的系统，电抗器不能退出运行。②具有可变电抗率的电抗器（有中间抽头）。采用这种电抗器的可能性是存在的，但具体情况要具体分析，如查明电网的背景谐波次数、s值范围。总之，调节电抗器抽头，改变K值，应基于对电网背景谐波含量和系统阻抗的分析测试，改变后也要对安全性进行测试。增加电抗器抽头，会增加设备投资，而可用率并不高，实施时应慎重。③电容器组的缺台运行。电容器组缺台运行的可能性是存在的，也要具体情况具体分析，因类缺台运行引起缺台相的谐波放大，谐波放大的影响因素与电抗率值、电网背景谐波含量、缺台数量有关，应避开谐波放大的危险范围。1.3主要结论（1）电网背景谐波含量有加大趋势：①当3次谐波含量超过国家标准规定40%的限值时，电抗率K宜选取12%或12%与4.5%~5%2种电抗率混装的方式。采用2种电抗率混装的方式可抑制2个以上的主谐波。其好处是可节约工程投资、减少电抗器自身消耗的容性无功；其缺点是设备和零配件多1个品种、不同电抗率的电容器组有投切顺序要求。采用这种方式时，在准备电容顺备品和熔丝备品，以及运行操作时均较麻烦。②当3次谐波含量小于40%限值时，K值可选取0.1%~1%，但对5次谐波放大应在允许范围之内。（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的40%限值时，电抗率推荐值为4.5%~5%，不采用K为6%的电抗器。当谐波源来自电容器侧时，则采用K=5%；当谐波源来自变压器高压侧时，则采用K=4.5%。（3）在电网有谐波的情况下，电抗率K≤4%时，对于5次谐波存在谐波电流严重放大的s区段应于避免；5次谐波含量较大时，采用K≤4%的电抗率应特别慎重。（4）由于集肤效应的作用，电网有谐波时电容器的实际过载能力会下降。影响过载能力的因素包括电容器结构和谐波参数。建议：过电流能力按额定电流的1.15倍（未考虑电容值偏差），过电压能力按基波电压和各次谐波电压的算术和小于1.2倍电压考虑。（5）电容器组缺台运行会引起该支路3次、5次、7次谐波电流的放大，因此对3次、5次背景谐波较大的电网，应尽量避免缺台运行。（6）退出电抗器运行，可能会产生5次、7次、11次谐波电流的严重放大，并产生合闸涌流加大和频率增高的现象，将危及电容器组的安全运行，因此最好不采用。（7）当电网背景谐波较大时，可考虑并联电容器组与滤波器混装的方式。2操作过电压保护2.1专题情况并联电容器组需根据电网无功的变化情况进行投切。由于L-C电路会产生复杂的操作过电压现象，导致电容器和电容器组设备发生故障或事故，给电容器组的运行带来麻烦。该课题针对各种过电压现象进行了分析，就避雷器的接线方式、适用范围、保护效果、吸收能量等问题进行了研究，涉及的电压等级有10、35、66kV,按照断路器、串联电抗器、电容器的不同连接顺序，不同的电抗率，采用暂态网络分析（TNA）试验和电磁暂态仿真程序（EMTP）计算方法，分析各种状态下的过电压值以及防护措施。并对阻容限压器的作用作了分析，提出了电容器组放电能量的计算，给出了电容器组最大并联台数的计算公式。2.2主要内容（1）等值电路和基本条件。如比较严格的考虑，投切电容器组，取母线上多组电容器组中的最后一组，对电源、电源阻抗、电容器组的电容量、串联电感、对地杂散电容、断路器前后的杂散电容、断路器前后的要散电感、低压侧负荷等进行了等值规化，每个电压等级的电抗率K取3个值（1%、5%、12%），为了研究电容器组容量对过电压和避雷器吸收能量的影响，对应于每个电抗率又取了3组电容量和电感量数值。（2）合闸过电压。合闸过电压与合闸相角有关，它可能对电容器极间绝缘构成威胁，合闸过电压幅值分布概率（电容器极间）见表1.为了安全，电容器极间绝缘操作波耐受水平应大于表1中的合闸过电压最大值。表1合闸过电压幅值分布概率（电容器极间）K/%平均值/pu标准偏差/pu最大值/pu51.6230.2442.162121.6220.2592.260注：1pu=√2UCN；UCN为电容器组额定电压，kV；对于35kV电容器组K=5%时，1pu=√2x22=31.11kV；K=12%时，1pu=√2x24=33.94kV；下同。（3）分闸过电压。SF6和真空断路器的截流过电压很小，不予考虑。主要考虑分闸时重击穿产生的过电压，又有单相和两相之分，单相重击穿又有带接地故障和不带接地故障两种情况。1）单相重击穿过电压：①无接地故障情况。以TNA模拟试验和EMTP计算结果所反应的规律是一致的：电容器极间电压基本维持不变；最大的相对地过电压在非重击穿相，是由重击穿相经过中性点，传递到非重击穿相的。这种过电压最大可达4.4~5.2pu，显然，已经超过了标准规定要求（4pu），故应采取措施予以限制。②有接地故障情况。10、35、66kV为不接地系统，允许单相接地时可持续运行2h，如在这段时间内切除电容器组，而断路器又发生单相重击穿，其产生的过电压比没有接地故障的情况更高。过电压随着电抗率K值的增大而增大，过电压值还与电容、电感和断路器三者的连接顺序有关，最大过电压可达5.75~7.65pu，远大于标准规定值，危险性较大，因此要设法避免在有单相接地故障时切除电容器组或是采取措施限制过电压。2）两相重击穿过电压。此类过电压产生在电容器极间，过电压幅值主要由主回路参数决定，电容、电感和断路器的连接顺序以及对地杂散电容的影响甚微，过电压值及其分布概率详见表2和表3。表2两相重击穿电容器极间过电压K/%512设备连接顺序BCLLBCBLCBCLLBCBLCUO/kV87.0186.9987.0092.8292.8592.83UC/kV2.7972.7962.7962.7352.7362.735注：B为断路器；C为电容器；L为串联电抗器；BLC为表示的设备连接顺序为母线→断路器→串联电抗器→电容器，其它以此类推。表3两相重击穿过电压分布概率K/%平均值/pu标准偏差/pu最大值/pu52.4180.29952。796122.2390.33202.736（4）关于电容器绝缘水平。该项专题分析认为：电容器组对地绝缘的操作波耐压水平可按4x1.15=4.6pu考虑（其中4为操作过电压位数，1.15为配合系数）；电容器极间绝缘的操作波耐压水平应如何取值，现行标准中无明确规定，专题分析认为可取2.58√2UCN，大于过电压允许水平2.243√2UCN。（5）重击穿过电压出现概率。该项专题分析认为；真空断路器经“老炼”后，单相重击穿概率可控制在1%以内。两相重击穿概率为3x10-4，大大低于单相重击穿概率。SF6断路器重击穿概率极低，单相重击穿概率在10-3以下，两相重击穿概率约为3x10-6，因此可以忽略。由以上数据可见，两相重击穿保护的实用意义不大，可不设置。（6）抑制电容器组过电压的措施：①采用无重击穿的断路器。采用质量好的开关，是降低过电压出现概率的有效措施。②采用无间隙金属氧化物避雷器（MOA），限制过电压幅值，这是目前采用的主要措施。③断路器加并联电阻。这是曾经采用过的措施，它对限制合分电容器组和远方操作过电压有一定作用。随着性能优良的断路器的出现，已不再用这种方法。④阻容限压器。它是限制重击穿过电压的有效措施，国内很少采用。2.3主要结论（1）电容器组对地绝缘允许的过电压水平可按4pu考虑，电容器极间绝缘上的允许过电压可按2.243√2UCN考虑。（2）并联电容器装置的预期最大过电压见表4，重击穿过电压可对设备绝缘构成威胁。表4投入电容器组预期最大过电压过电压类型K=5%K=12%合闸过电压（极间）/pu2.1622.260分闸过电压/pu无故障单相重击穿过电压（相地）4.400~4.7075.061~5.206带故障单相重击穿过电压（相地）5.751~6.3806.975~7.648两相重击穿过电压（极间）2.796~2.7972.735~2.736（3）MOA限制单相重击穿过电压，可采用相对地或中性点对地接线方式。当设备连接为LBCC时，优先采用中性点对地方式；当为BCL时，优先采用相对地避雷器。（4）带接地故障单相重击穿过电压幅值较高，向MOA释放的能量大，应尽量避免出现这类过电压。在选择MOA参数时，应考虑这类过电压。两相重击穿过电压将对电容器的极间绝缘构成威胁，可采用与电容器并联MOA或与串联电抗器并联MOA的方式予以限制，但这种过电压极少出现；抑制两相重击穿过电压的MOA接线方式与电抗率K值有关，而且，MOA吸收能量过大，设备难于解决。如前所述，这种过电压保护，可考虑不设置。（5）用MOA抑制单相重击穿过电压，其1mA电压（U1mA）和额定电压（Ur）的建议值列于表5。表5MOA参数建议值电压等级/kVMOA接线方式U1mA/kVUr/kV10相对地252110中性点对地18935相对地82或775435中性点对地543866相对地15511066中性点对地9064注：表中建议值仅对应于设备连接顺序为BLC方式（6）阻容限压器对带故障单相重击穿过电压的限制效果不佳。（7）计算并联电容器组向故障电容器的放电容量时，电容器的充电电压建议以1.5pu考虑。（8）为了减少注入故障电容器的能量，应减少直接并联的电容器台数，电容器组的并联台数不应超过按电容器外壳所能承受的爆破能量计算的允许最大并联台数。3电容器的电容器组保护3.1专题概况该专题研究，从目前国内并联电容器装置的保护配置和保护整定原则着手，研究了现阶段电容器和电容器组的保护配置及整定计算，并对计算式进行了验证推导，提出了“一步到位”的保护配合整完计算式；研究了外熔丝的功能与性能，以及保护灵敏系数的取值，并对影响保护动作灵敏度的因素进行了分析；研究了工程建设标准、国家有关标准和新颁布的IEC标准，从中找出保护整定计算和灵敏系数取值的不足之处，专题研究还对若干值得关注的问题提出了看法。3.2主要结论（1）工程设计时可不考虑故障相电抗率变化对保护计算的影响，采用“简化算式”进行保护整定计算；并对保护方式适用范围和制约因素进行了研究，从而提出了电容器组接线和保护方式设计选择建议。（2）按照不平衡保护工作原理和保护整定原则，推导出的单台电容器或电容器内部元件过电压允许值计算式，使保护整定计算明确方便，即所谓“一步到位”。按照这种方式，将原来需要分3个步骤或2个步骤计算的保护整定值，1次就计算出来了。而且，按照这个整定值，能使健全电容器或健全电容器元件的过电压不超过允许值，又能保证保护整定值有足够的灵敏度，这种方法简便实用。（3）为了解决双星形接线电容器组的中性点电流互感器容易损坏的问题，经研究认为，采用开口三角电压保护是可行的。（4）外熔丝应进行技术创新和技术改造，加强行业监管、加强型式试验与抽检把关，强调对外熔丝要正确使用和维护。4研究成果的应用推广及建议4.1成果应用推广4.1.1抑制谐波专题的应用推广该项目的研究成果在工程中推广应用，将会使并联电容器装置设计更加科学合理和完善，能够提高并联电容器装置本身和电力系统的安全性，提高电容器的投运率，充分发挥电容器的补偿作用，从而改善电能质量，提高电网的输送能力并达到降损节能的效果。4.1.2操作过电压专题的应用推广通过该项研究，对电容器组操作过电压有了进一步的了解，如操作过电压类型、过电压幅值、采用MOA抑制过电压的效果、避雷器配置和接线方式以及对避雷器参数值的要求，使工程设计有了依据，按照要求配置避雷器可提高电容器组运行的安全性。4.1.3电容器和电容器组保护专题的应用推广该专题研究中提出以电容器组容量、串联段数等参数来确定电容