高压并联电容器组放电线圈的选用

第 31卷 第 4期 电力电容器与无功补偿 2010年8月 Power Capacitor＆Reactive Power Compensation V01．31 No．4 Aug．2010 高压并联电容器组放电线圈的选用 张化良，黄晓明，吴怡敏 (西南电力设计院，四川 成都 610021) 摘 要：介绍了工程实践中选择高压并联电容器组放电线圈所涉及的诸多方面，详细论述了放 电线圈的产品型式、额定电压、放电容量、接线方式、安装布置、二次线圈设置、产品参数和技术 特点等，并结合相关要求，对选择高压并联电容器组放电线圈的原则和方法进行 了探讨， 为相关技术人员提供了参考依据。 关键词：高压并联电容器组； 放电线圈； 放电容量； 接线方式； 二次绕组； 选择 中图分类号：TM551 文献标识码：A 文章编号：1674-1757(2010)04-0026-04 Selection of Discharging Coil for High Voltage Shunt Capacitor Bank ZHANG Hua·liang，HUANG Xiao—ming，WU Yi-min (Southwest Electric Power Design Institute，Chengdu 610021，China) Abstract：In this paper，many aspects related to the selection of discharging coil for hi gh voltage (HV)capacitor bank in projects are introduced，such as type of discharging coil，rated voltage， discharge capacity，type of connection，erection layout，setting of the secondary coil，parameter and characteristic of discharging coil．The main principles and methods related to the selection of dis— charging coil for HV shunt capacitor banks aYe discussed with consideration of the requirements of relative standards which call be as the references for certain applications． Keywords：high voltage shunt capacitor bank；discharging coil；discharge capacity；connection mode；secondary winding；selection O 引言 高压并联电容器装置是电网中重要的无功补 偿设备，放电线圈虽小，但他是保证高压并联电容 器装置安全运行必不可少的重要配套设备。但 是，据我们了解，无论是厂家做的装置设备配套， 还是设计院的设备选择，均存在较多的技术经济 性问题。在选择产品型式、额定一次电压、放电容 量、接线方式、安装布置、二次线圈设置等技术内 容上，都发现过有不正确的使用例子。放电线圈 的参数选择不当，不但影响设备本身的安全，特别 还会影响并联电容器装置的运行安全。有很多工 程使用的放电线圈经济性极差，多花冤枉钱，所 以，必须引起重视。GB 50227--2008《并联电容 器装置》已于 2009年的6月 1日实施， 西南电力设计院作为本项标准的主编单位，因此， 有责任和义务关注标准的执行情况，宣传标准规 定，为电网的安全经济运行做好工作。笔者从工 程中实际存在的问题着手分析，结合标准规定的 要求，说明放电线圈选择的原则、方法，供工程设 计和厂家设备配套作参考 ¨。 1 放电线圈的作用和选择 1．1 放电线圈作用 收稿 日期：2010-05-24 作者简介：张化良(1940一)，男，教授级高工，长期从事变电工程设计和无功补偿标准4E-Z-作。 第4期 赵新卫 调压型无功自动补偿装置在许北变电站的应用 并联电容器装置停电后，电容器仍然有残存 电荷，如果仅仅靠他 自身的电阻进行缓慢放电，放 电时间太长，不能满足再次投人运行或者停电检 修的要求。因为，电容器组再次合闸时，如果电容 器仍带有残余电荷，将产生危及设备安全的合闸 过电压和过电流，残余电荷形成的高电位会造成 检修人员的触电事故。因此，装设与电容器组直 接并联的放电线圈，是加快放电速度而采取的必 要的技术安全措施。国家标准《并联电容器装置 设计规范》第 5．6．4条规定：“⋯⋯放电线圈的放 电时间应能满足电容器组脱开电源后，在 5 S内 将电容器组的剩余电压降至 50 V及 以下。”_2 J， 标准规定的放电时间和残压完全可以满足自动投 切电容器组停电后再次投入的要求。 1．2 放电线圈选择 1．2．1 设备型式 国家标准《并联电容器装置设计规范》第 5．6．1条规定：“放电线圈选型时，应采用电容器组 专用的油浸式或干式放电线圈产品。油浸式放电 线圈应为全密封结构，产品内部压力应满足使用环 境温度变化的要求，在最低环境温度下运行时不得 出现负压。” J。上个世纪 80年代初，没有放电线 圈产品，用电压互感器作为代用品。现在，已有了 放电线圈系列化定型产品，设备型式有：油浸式、干 式、户内型与户外型，并且，制定了行业技术标准 (产品标准、用户使用标准)。但是，仍然有极少数 工程还在用电压互感器，这就是缺乏对设备制造发 展了解造成的。需要注意：早期的非全密封型的油 浸式产品，在运行时吸进潮气引发绝缘故障而损坏 的事例很多。针对这种隋况，国网公司反事故措施 规定，放电线圈必须采用全密封型产品，设备订货 采购时应明确提出要求，不是全密封型不能采用。 河北省电力公司反事故措施也作出明确规定：“停 止使用油浸非全密封放电线圈，防止放电线圈因受 潮而发生爆炸事故” ]。干式放电线圈的材料处 理和外绝缘爬电距离，可以适用于户外运行条件， 并已积累了运行经验，可以选用。当然，也不是所 有干式产品都可以在户外使用，使用条件必须得到 厂家确认和承诺。 1．2．2 额 定 一 次 电压 放电线圈与电容器组构成并联的放电回路， 因此，他的一次电压应与电容器组电压相配合。 国家标准《并联电容器装置设计规范》第 5．6．2 条中规定：“放电线圈的额定一次电压应与所并 联的电容器组的额定电压一致”。10 kV电容器 组，可以选择 10 kV级放电线圈产品。对于35 kV 电容器组 的放电线 圈，可以有多种选择：采用 10 kV级产品，额定电压有6 kV和 10 kV两种；或 采用 35 kV产品，在结构型式上又有双套管与三 套管两种。原则上，上述各种产品都可以采用，但 不同的使用情况必须区分采用不同产品。例如： 35 kV常规电容器组，容量 60 Mvar，每相4个串联 段，采用星形桥差接线与桥差不平衡电流保护，电 容器组安装在绝缘框架上，从额定一次电压考虑， 上述所有型式的放电线圈产品均可采用，可以分 4种。 方案 1：采用 10 kV级产 品，额定 电压取 6 kV，每 台放 电线 圈 的 放 电容 量 不 应 小 于 2 500 kvar，每相需要放电线圈多达 8台，如图 1 所示。 第1台 第2台 第3台 第4台 图1 方案 1接线图 第5台 第6台 第7台 第8台 方案 2：采用 10 kV级 产品，额定 电压取 12 kV，每 台放 电线 圈 的放 电容 量 不应 小 于 5 000 kvar，每相需要 4台，如图2所示，如果放电 容量可以达到 10 000 kvar，则可减少为2台。 第1台 第2台 图2 方案 2接 线图 第3台 第4台 电力电容器与无功补偿 第3l卷 方案 3：采用 35 kV级产 品，额定 电压取 12 kV，每 台放 电线 圈的放 电容量 不应 小 于 10 000 kvar，双套管引出，每相仅需要2台，如图3 所示。 第l台 第2台 图3 方案3接线图 方案4：采用 35 kV级产品，额定电压(12+ 12)kV，每台放电线圈的放电容量不应小于 20 000 kvar，三套管引出，每相仅需要 1台，如图4 所示。 第l台 图4 方案 4接线图 据初步了解，10 kV级放电线圈(额定电压 6 kV、10 kV)，单台价格约 2 000元(不考虑小的 差价，下同)；35 kV级(双套管、三套管)，单台价 格约 1万元，对上述4个方案的经济分析如下： ① 方案 1：1组电容器的放电线圈，数量为 24台，价格为4．8万元； ② 方案 2：1组电容器的放电线圈，数量为 12台，价格为2．4万元(如果每相可选2台，价格 为 1．2万元)； ③ 方案3：1组电容器的放电线圈，数量为 6台，价格为 6万元； ④ 方案 4：1组电容器的放电线圈，数量为 3台，价格为3万元； 通过以上比较可以看出：方案 2的经济性最 好，采用 10 kV级产品，把放电线圈安装于绝缘框 架上，放在电容器旁边，不占用电容器组框架以外 的地面面积，连接线最短；方案3的经济性最差， 投资最多，放在地面的设备最多，连接线复杂，很 不可取。35 kV级产品，有双套管与三套管之分， 2台双套管产品串联连接后只等于1台三套管产 品的作用。没有特殊原因，不能采用2台双套管 产品串联连接，多花冤枉钱。 1．2．3 二次绕组 放电线圈有带有二次绕组和不带二次绕组两 种产品，二次绕组供保护用(开口三角电压保护、 相电压差动保护)，也可用于不平衡电压的监测。 带二次绕组的产品都应该是全绝缘并在地面安 装，装设在电容器组绝缘框架上的产品，如果带二 次绕组，因为没法使用而造成浪费，所以，工程设 计时必须明确不要二次绕组。 2 放电线圈接线与安装布置 2．1 接线方式 国家标准《并联 电容器装置设计规范》第 4．2．6条中规定：“放电线圈与电容器宜采用直接 并联接线”、“严禁放电线圈一次绕组中性点接 地”。为什么要作出这样的规定?曾经在工程中 使用过的放电设备有 4种接线方式：V形、星形、 星形中性点接地和与电容器直接并联，如图5所 示。 ： ：璃t t~TV (a)V型接线 (b)星形接线 一 三 (c)星形中性点接地 (d)与电容器并联 图中符号C代电容器；TV代表放电线圈 图5 放电设备的4种接线方式 第4期 赵新卫 调压型无功 自动补偿装置在许北变电站的应用 29 其中，星形中性点接地是 1种错误的接线方 式，极少在工程中出现。东北电力试验研究院，曾 对不同接线方式放电设备的放电性能进行过研 究，标准条文说明引用了他们研究中的数据。 在同等条件下(电容器组为星形接线，容量相同) 电容器组断电 1 S后 ，电容器上的剩余电压值见 表 1[ 。 表 1 放电线圈不同接线方式时的剩余电压 图序 图5(a)2 014 2 997 2 728 559 404 155 图5(b)2 014 2 997 2 728 559 404 155 图5(C) 一 一 一 一 一 一 图5(d) 1 116 2 977 5 857 3 688 404 3 284 备注 禁止使用 不宜采用 从表 1中可以看出，当放电线圈采用图5(a) 和图5(b)两种接线方式时放电效果较好，虽然两 种接线方式的剩余电压数值都一样，但两种接线 方式有着实质性的差别：当这两种接线方式的二 次线圈为开口三角形接线时，图5(a)的开 口三角 电压，能准确反 映三相 电容器的不平衡情况； 图5(b)的开口三角电压反映的是三相母线电压 不平衡，不能用于电容器组的不平衡保护。因此， 当放电线圈配合继电保护使用时，应采用图5(a) 接线。图5(e)接线方式，由于形成了 一C串联 回路，在断路器分闸时，将产生过电压，可能导致 断路器重击穿。东北地区某变电站的66 kV电容 器组，错误采用了中性点接地的电压互感器作放 电线圈使用，投产试验时，检测到过电压。即使断 路器没有发生重击穿，对地过电压也可达 2．4倍， 如断路器发生重击穿，过电压倍数更高，这对电容 器是非常危险的。产生这种过电压的原因是 三一 C串联回路产生的谐振，因此，图5(C)接线方式 禁止采用。国网公司在《高压并联电容器预防事 故措施》中也作出了同样的规定：“禁止使用放电 线圈中性点接地的接线方式。” J，在修订2008年 新版标 准 中，已经 确定 为强 制性 条 文规 定。 图5(d)接线方式，虽然这种接线只用两相设备， 可以节省投资，但安全性差(当产生放电回路断 线时，将造成其中一相电容器不能放电)，放电效 果差，不宜采用。 需要说明：放电回路必须为完整通路，不允许 在放电回路中串接开关或外熔断器(单台电容器 保护用外熔断器不在此例)。为了保证人身和设 备安全，不能因某种原因使放电回路断开而终止 放电，所以，标准规定强调要直接并联。 另外，还有 1种接线，如图6所示，把6 kV的 放电线圈串联后当 12 kV产品使用，这种接线也 是错误的。 第1台 第2台 第3台 第4台 图6 方案5接线图 第5台 第6台 第7台 第8台 图6是一种很少见的错误接线方式，不仅仅 是不经济，更主要是放电线圈的自身安全性得不 到保证，已经 出现过事故。这种连接方式要求 2台放电线圈参数完全一致 ，运行中承担相等的 电压才能安全无事，实际上，产品很难达到要求。 当其中 1台发生匝间短路故障，完好的 1台放电 线圈就要承受过电压，因过电压而发生损坏事故 也是必然的结果。 2．2 安装布置 根据放电线圈与电容器组配合选取的额定一 次电压和绝缘水平情况，有两种安装方式：地面安 装或在绝缘框架上安装。不需要用放电线圈二次 绕组作保护时，如：双星形中性线差流保护和桥差 不平衡电流保护，采用与单台电容器配合一致的 绝缘水平，不带二次线圈，在绝缘框架上安装，连 接线短，又简化产品结构，不占用地面位置，检修 时地面通行方便。当采用电压差动保护时，放电 线圈必须在地面安装，才能将二次信号引出，同 时，尽量考虑到连接线要短，不阻挡检修通行。 3 结语 放电线圈在并联电容器装置中虽然是一个小 的配套设备，他的选型同样关系到并联电容器装 置的安全运行。要想获得技术经 (下转第41页) 第 4期 吴 鹏，等 换流站交流滤波电容器外壳振动研究 41 图 l1 电容器各面同时性振动相位比较 3．5 各面振动能量分布 对电容器不同面的振动能量分布进行测量。 实验结果显示电容器底面振动幅值最大，其它侧 面振动相对较小，该特征主要由电容器的结构决 定。电容器心子为纵向受力，产生纵向振动，从而 主要在电容器顶部和底部产生作用力。而电容器 外壳其它侧面上的受力主要来源于电容器心子侧 面的振动及电容器内底部和顶部油的振动传递扩 散。电容器各面振动如图 12所示。底面振动远 大于侧面振动，而侧面振动幅值相差不大。 I 们 ● 吕 幽 口 R 奄 一 - - - _ ? f 7 宽侧 面 窄侧面 另窄侧面 底 面 图12 电容器各面平均振动加速度数据 4 结语 通过实验研究 了电容器外壳振动的特性规 律。电容器底面振动形式为中间高四周低的缩涨 振动；侧面振动形式为平面缩涨振动。四个侧面 振动相位一致，并与底面等主振面振动相位相反。 底面振动幅值远大于侧面振动幅值，侧面振动幅 值基本一致。 电容器外壳振动形式基本都是平面振动，外 壳面的可听噪声辐射比接近 1。 参考文献： [1]CIGRE Technical Report．HVDC Stations Audible Noise [HI．France，2002． [2]Cox M．D，Guan H．H．Vibration and Audible Noise of Capacitors Subjected to Non—sinusoidal Waveforms[J]． IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9(2)：856— 862． [3]中国电力科学研究院．三峡——常州 ±500 kV直流 输电工程可听噪声测试报告[R]．2003． [4]中国电力科学研究院．三峡——广州 ±500 kV直流 输电工程可听噪声测试报告[R]．2004． [5]河南电力试验研究院．灵宝换流站可听噪声测试报 告[R]．2005， [6]汲胜昌，寇小括 ，李彦明．换流站中电容器装置噪声 水平计算方法的研究[J]．中国电机工程学报，2006， 21(3)：112—118． [7]Natarajan 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