输配电工程与技术  >> Vol. 8 No. 4 (December 2019)

一起110 kV变电站并联电容器装置谐波放大的分析与对策
The Analysis and Solutions for the Harmonic Amplification Occurred from Shunt Capacitor Devices in the 110 kV Substation

DOI: 10.12677/TDET.2019.84016, PDF, HTML, XML, 下载: 168  浏览: 457 

作者: 顾明星, 张 曦:国网江苏省电力公司常熟市供电分公司,江苏 常熟;张小莲:南京工程学院电力工程学院,江苏 南京

关键词: 变电站并联电容器谐波放大电抗率Substation Shunt Capacitor Harmonic Amplification Reactance Rate

摘要: 本文通过对谐波放大现象的机理分析,定量分析计算了某110 KV变电所并联电容器投入后对现有电网产生的谐波放大影响,对其电容器串联电抗率合理性进行探究,并结合现场测试数据进行了验证。针对现有并联电容器装置串联电抗器配置不合理的问题提出了改进的措施,为实际应用中如何合理选择电抗率提供了参考。
Abstract: Based on the analysis of the harmonic amplification phenomena, after the shunt capacitors of a 110 kV substation been turned into operation, the effect of harmonics amplification on the current power system is analyzed quantitatively. The paper investigates the rationality of capacitor reac-tance in series, and verifies with the field test data. The improved measures are put forward, which provide reference for how to select the reactance rate of shunt capacitor reasonably in practical application.

文章引用: 顾明星, 张曦, 张小莲. 一起110 kV变电站并联电容器装置谐波放大的分析与对策[J]. 输配电工程与技术, 2019, 8(4): 131-140. https://doi.org/10.12677/TDET.2019.84016

1. 引言

在变电站中装设并联补偿电容器,并进行分组投切,已经成为变电站无功补偿、调整功率因数和调整电压的重要手段,在电力系统中得到了广泛的应用 [1]。但是,在有谐波污染的情况下,变电站的并联电容器补偿容量大小、串联电抗值等参数的选择,是一个需要认真对待的问题。不同的电网谐波背景要求电容器装置采用不同的电抗率配置 [2]。文献 [3] [4] [5] [6] [7] 指出电容器参数及电抗率选择不合理,在某种系统运行方式和特定的谐波次数下,可能发生谐波放大,甚至发生并联谐振现象,导致电压畸变的异常增大和污染扩大,以及电力设备(包括电容器)因过电压、过电流而损坏,有时甚至造成系统性恶性事故,危及系统安全。

2. 某110 kV变电站谐波超标问题

2.1. 用户运行中的电能质量问题

2019年9月2日,供电公司收到江苏省太湖地区水利工程管理所相关材料,客户反映在投入10 kV高压电容补偿柜后有异常,怀疑电网背景谐波注入影响。

该用户现有3台高压电机,容量均为500 kW,另有100 kVA、400 kVA变压器各一台,总协议容量为2 MVA。由某110 kV变电站#1主变供电,挂接于10 kV Ⅰ段母线112走马线89#杆。

2.2. 变电站运行概况

2.2.1. 变电站主接线

某110 kV变电站,双线双主变,110 kV侧采用内桥接线方式,35 kV采用单母分段带旁母接线方式,10 kV侧采用分列接线方式,其一次主接线图见图1。#1、#2变压器型号为SSZ11-80000/110,高–低负载损耗为304.2 kW,高–低短路阻抗为21.6%,空载损耗为39.64 kW,空载电流0.06%。主变低压侧出口电压10.5 kV,10 kV母线最小短路容量256 MVA。

2.2.2. 并联电容器配置

变电站配置4组电容器装置。10 kV I母上配置1K1 I电容器组和1K2 II电容器组,型号分别为TBB10-4800/200-AY和TBB10-6000/200-AY,额定电流分别为252 A和315 A,单台容量200 kvar,额定电压 11 / 3 kV 。1K1、1K2所串电抗器参数一致,型号为CKK-10,单相额定容量10 kvar,额定电流400 A,额定电感0.2 mH。

Figure 1. The primary wiring diagram of a 110 kV substation

图1. 某110 kV变电站一次主接线图

2.3. 现场谐波测试情况

为此,根据电能质量技术监督规程 [8],采用美国电力士公司DRANETZ PV440电能质量分析仪对101#1主变开关开展了谐波测试工作,测量间隔时间及取值按GB/T 14549执行 [9],测量仪器和测量方法符合GB/T 17626.7的要求 [10]。测试表明,1K1、1K2电容器组均切除时,10 kV I母电压总畸变率及各次特征谐波电压含有率均符合国家标准。当投入1K1电容器装置时,10 kV I母电压畸变率增大约1.8倍;当投入1K2电容器装置时,10 kV I母电压畸变率增大约1.5倍,电压总畸变率均超过了国家标准4%的要求。各相畸变率变化情况如表1所示。

Table 1. The table of distortion rate and main characteristics harmonic voltage containing rate on 10 kV I bus

表1. 10 kV I母总畸变率及主要特征谐波电压含有率情况表

1K1、1K2电容器组均切除时,101#1主变开关侧5次谐波电流超过国标限值(查明为115大义线上华宇针织印染和昌盛印染5次谐波电流严重超标导致,已请营销督促用户进行谐波治理)。当投入1K1或1K2电容器装置时,101#1主变开关侧5次、7次谐波电流均出现放大现象。101#1主变开关侧各相谐波电流变化情况如表2所示。

Table 2. The table of main characteristics harmonic current in 101#1 switch side of transformer

表2. 101#1主变开关侧主要特征谐波电流情况表

同时,对1K1、1K2电容器回路进行了谐波测试,其谐波电压和谐波电流情况如表3表4所示。

Table 3. The table of main characteristics harmonic voltage on the capacitor circuit

表3. 电容器回路主要特征谐波电压情况表

Table 4. The table of main characteristics harmonic current in the capacitor circuit

表4. 电容器回路主要特征谐波电流情况表

根据以上测试数据,初步判断该变电站并联电容器串联电抗率选择不合理,引起某一频率下谐波源注入系统和电容器组谐波电流的放大。

3. 谐波放大的成因分析

3.1. 谐波电流放大的基本原理

电容器并不产生谐波电流,但对系统的阻频特性影响很大,系统阻抗在某一频率下可能与并联补偿电容器发生谐振,从而引起谐波源注入系统和电容器组谐波的放大 [11]。

供电系统的谐波源主要是电流源。电容器引起的谐波电流放大原理可用图2所示的简化接线图和等值电路图进行分析。图中, I h 为谐波源的h次谐波电流, I s h 为其注入到主系统的电流, I C h 为注入到电容器的电流。 Z s h 为主系统的h次谐波阻抗(由于电抗远大于电阻,因此一般忽略电阻, Z s h X s h ), X C h X K h 分别为电容器、电抗器的h次谐波电抗。

Figure 2. Simplified analysis diagram of power supply system

图2. 系统简化分析图

s = X s / X C k = X K / X C 分别为以 X C 为基值的系统电抗率和电抗器电抗率,则主系统和电容器的谐波电流可以表示为

I C h = X s h X s h + X K h X C h I h = h X s h X s + h X K X C / h I h = s s + k 1 / h 2 I h (1)

I s h = X K h X C h X s h + X K h X C h I h = h X K X C / h h X s + h X K X C / h I h = k 1 / h 2 s + k 1 / h 2 I h (2)

可以看出:

1) 在 h 0 = 1 / s + k 时, I C h = I s h = ,主系统和电容器的谐波电流均被无限放大(实际上由于电阻的存在, I C h I s h 是有限大值),为谐振状态;

2) 在 h k = 1 / k 时, I C h = I h I s h = 0 ,电容器完全吸收谐波,为全滤波状态;

3) 在 h 1 = 1 / 2 s + k 时, I C h = I h I s h = 2 I h ,为谐波严重放大的第一临界状态;

4) 在 h 2 = 1 / s / 2 + k 时, I C h = 2 I h I s h = I h ,为谐波严重放大的第二临界状态;

谐波电流的典型状况如表5所示。

3.2. 参数计算和验证

根据变电站相关运行参数可知,系统相基波阻抗为:

X s = U c 2 S o c = 10.5 2 256 = 0.43 Ω

Table 5. Typical conditions of harmonic current amplification

表5. 谐波电流放大典型状况

电容器组每相基波容抗:

X C 1 = U 2 × 1000 S N 1 / 3 = ( 11 / 3 ) 2 × 1000 4800 / 3 = 25.21 Ω

X C 2 = U 2 × 1000 S N 2 / 3 = ( 11 / 3 ) 2 × 1000 6000 / 3 = 20.17 Ω

电抗器每相基波感抗:

X K = Q K I K 2 = 10 × 10 3 400 2 = 0.063 Ω

系统电抗率和电抗器电抗率分别为:

s 1 = X s / X C 1 = 0.43 / 25.21 = 1.7 % k 1 = X K / X C 1 = 0.063 / 25.21 = 0.25 %

s 2 = X s / X C 2 = 0.43 / 20.17 = 2.13 % k 2 = X K / X C 2 = 0.063 / 20.17 = 0.31 %

可以计算得到,分别投入1K1、1K2电容器装置时谐波电流典型状况下对应的谐波次数如表6所示,对应的主要特征谐波放大情况如表7所示。

Table 6. Typical conditions of harmonic current correspond to harmonic number

表6. 谐波电流典型状况对应谐波次数

Table 7. The main characteristic harmonic amplification in theory

表7. 理论计算下主要特征谐波放大情况

实际测试下主要特征谐波放大情况如表8所示。由此可见,理论计算的结果和工程实际测试基本一致(由于电阻的存在,理论上谐波放大倍数大于实际谐波放大倍数),投入1K1或1K2电容器装置时,对系统3、5、7、9次主要特征谐波均有不同程度的放大。

Table 8. The main characteristic harmonic amplification under actual test

表8. 实际测试下主要特征谐波放大情况

4. 对策与措施

变电站电容器装置电抗率的配置应从电网的背景谐波状况出发,充分收集相关资料,根据电网的发展规划,了解系统谐波水平、谐波源特性,综合考虑系统谐波阻抗特性、系统主接线及设备参数、无功补偿要求等,进行电容器装置及电抗器参数的工程设计 [12] [13] [14] [15]。并在变电站设备投运后组织现场实测,进行必要的校验计算,对于电抗率选择不合理的电容器装置必须及时更换匹配的串联电抗器。

4.1. 并联电容器装置串联电抗率的调整

根据该变电站负荷谐波特性,为避免3次谐振及5次以上主要谐波的放大,电容器串联电抗率应满足

h 0 = 1 s + k > 3 , h k = 1 k < 5 (3)

由此可得 0.04 < k 1 < 0.09 0.04 < k 2 < 0.09 ,考虑到6%电抗率对3次谐波的放大作用比5%大,且容量大、经济性差,因此建议将串联电抗率优化调整为5%。此时,分别投入1K1、1K2电容器装置时谐波电流典型状况下对应的谐波次数如表9所示。对5次及以上谐波,电容器支路的综合谐波阻抗呈感性,避免了谐振及谐波放大的可能。

Table 9. When k = 5%, typical conditions of harmonic current correspond to harmonic number

表9. k = 5%时,谐波电流典型状况对应谐波次数

4.2. 谐波电压的放大校验

实际串联电抗率k的取值应满足投入电容器时对系统谐波电压放大率不大于1.5倍(如投运后谐波电压低于标准的50%,且电容器组不发生谐波过电压,则放大率可适当放宽到2.0倍)的要求,进行相关校验计算。

由于谐波源为电流源,谐波电压放大率与谐波电流放大率相等,故由式(2)整理推导可得10 kV母线谐波电压放大率为

| F s h | = | k h 2 1 h 2 ( s + k ) 1 | (4)

将串联电抗率 k = 5 % 和电网相关参数代入公式(4),计算分别投入1K1电容器和1K2电容器时,主要特征谐波所对应的谐波电压放大倍数如表10所示。

Table 10. The check table of harmonic voltage amplification times on 10 kV bus

表10. 10 kV母线谐波电压放大倍数校核表

由计算结果可以看出,选择5%的串联电抗器对5次谐波电压放大率仅为0.37和0.32,满足要求。

4.3. 电容器过电流与过电压校验

由式(1)可推导得电容器谐波放大倍数

| F C h | = | h 2 s h 2 ( s + k ) 1 | (5)

电容器谐波电流

I C h = | F C h | I h

电容器谐波电压

U C h = I C h X C / h

电容器过电流校验

I C 1 2 + I C h 2 1.15 I C N (6)

电容器过电压校验

U C 1 + U C h 1.2 U C N (7)

以上公式适合谐波源负荷和电容器组同在变压器的低压侧。当电容器安装在变压器低压侧,而谐波来自变压器高压侧时,用 ( t + k ) 取代以上各式中的k值(t为变压器基波电抗与电容器基波电抗之比)。

选择5%的串联电抗器时,电容器基波电压

U C 1 = U C 2 = 1.05 U c 3 S ( 1 k ) = 1.05 × 10.5 × 1000 3 × 1 × ( 1 0.05 ) = 6700 V

X C 1 = 25.21 Ω X C 2 = 20.17 Ω ,可得1K1、1K2电容器基波电流分别为:

I C 1 = U C 1 X C 1 = 6700 25.21 = 266 A I C 2 = U C 2 X C 2 = 6700 20.17 = 332 A

流经电容器支路的各次主要特征谐波分量电流和电压值如表11所示。

Table 11. The main characteristics harmonic component of the capacitor circuit

表11. 电容器支路主要特征谐波分量

由2.2.2节变电站电容器配置可知 I C N 1 = 252 A I C N 2 = 315 A U C N 1 = U C N 2 = 11 / 3 。因此, I C 1 2 + I C h 2 = 269.19 A = 1.07 I C N 1 I C 2 2 + I C h 2 = 334.99 A = 1.06 I C N 2 ,其值均小于 1.15 I C N ,满足要求; U C 1 + U C h = 6933 V = 1.09 U C N 1 U C 2 + U C h = 6904 V = 1.09 U C N 2 ,其值均小于 1.2 U C N ,满足要求。

5. 结语

本文就客户反映的电能质量问题,对其上级变电站背景谐波情况进行了现场测试,实测和理论分析表明,由于变电站10 kV并联电容器组串联电抗器参数配置不合理,导致电容器投入后产生了谐波放大。根据系统谐波水平和系统谐波阻抗特性,对该变电站的串联电抗器参数设定提出了改进措施。经计算论证,将电容器串联电抗器更换为5%的电抗率,可有效抑制谐波放大。

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