正確認識與應用阻尼式限流器2009-05-0614:42:13來源:網上搜集作者:佚名摘

要：針對在高壓并聯電容器用阻尼式限流器應用方面存在的疑慮與問題，采用結合電容裝置工程實例加以解答與剖析，以利于對限流技術的正確認識和應用。

關鍵詞：阻尼式限流器；電容裝置；合閘涌流；諧波響應

0前言

高壓并聯電容器用阻尼式限流器（簡稱限流器），自研制成功至推廣迄今有20多年，在6～35kV大中小型并聯電容器裝置（簡稱電容裝置或電容器組）已有較多的應用。隨著國內外對限流器技術研究的不斷深入，尤其是限流器的國家電力行業標準的制定與實施，將進一步規范限流器的設計制造、檢驗鑒定和驗收使用，也勢必引起更廣泛的關注與應用。

然而，由于對限流器應用認識的不全面，會產生一些疑慮：其一，限流器中電抗器的電抗率小（通常≤0．1％～0．5％），電容器組合閘涌流大，是否安全；其二，火花間隙的電極間隙過大（未進行正確的整定調試），致使阻尼電阻不起作用；其三，阻尼電阻如被長期接入（火花間隙偶為異物短接），是否危及裝置安全；其四，電容裝置配用限流器，疑會引起電網5、7次諧波的嚴重放大或諧振。本文以限流器的技術性能和電容裝置工程實例分別對上述問題加以解答與剖析。1限流器具有安全可靠的限流作用

1．1限流器的限流作用

文獻［1］介紹了限流器的原理與構成。著重闡述限流器由低值電感空芯電抗器、火花間隙與阻尼電阻等3部分組成（原理接線如圖1所示）；其工作原理系綜合利用電抗器元件對高頻涌流呈現出高阻抗，限制涌流的幅值，以阻尼電阻元件加速涌流衰減等兩方面作用。加裝火花間隙使得阻尼電阻僅在電容器組投入電網的瞬間接入電路（此時電抗器相當于開路，而尚未充電的電容器相當于短路，火花間隙在相電壓的作用下擊穿），隨著涌流的迅速衰減，電抗器兩端電壓下降，間隙自動熄弧，阻尼電

阻撤出，從而避免了阻尼電阻長期通電所引起的損耗。

限流器首先保證限制電容器組合閘涌流在允許的范圍內。盡管合閘涌流倍數的安全限值是頗有爭議的問題，但現行國家標準GB50227－95《并聯電容器裝置設計規范》機械、電力行業標準《高壓并聯電容器裝置》既以人們普遍能接受的經驗數值—20倍作為標準規定限值，故限流器參數設計選擇亦以此為限。然而筆者認為不論電容裝置容量大小取同一限值是不科學的，應采取對小容量裝置（如對應于10kV與35kV電壓等級電容裝置，其容量分別小于3與6Mvar）選取較大倍數如20倍左右；對大容量裝置（10Mvar及以上）則取較小倍數如10～15倍。因為前者即使20倍或更大些倍數，其涌流數值遠小于斷路器（關合電流）、電流互感器（動熱穩定的I2·t值）等設備的承受能力，而對于電容器及其單臺保護用熔斷器的耐受能力（能耐受70倍額定電流峰值的涌流）留有足夠裕度；后者鑒于裝置容量大，如取較大倍數，則涌流將達到很大數值，考慮到斷路器等配套設備的承受能力，并留有足夠裕度，故應選取較小倍數。這一設計思路，恰好與要求限流器參數配置在滿足電容裝置整體安全的前提下，簡化產品型號規格的規劃設計原則相吻合。

通常電容器組追加投入時涌流比單組投入時大得多，尤其是多組并列運行時最后一組投入的涌流最大。因為除了電源對新電容的充電電流以外，還有相鄰已運行電容的放電電流，且后者隨著已投電容容量的增大而增大。因此，限流器的主參數和主要技術性能指標的設計選擇首先要滿足抑制追加合閘涌流。按照文獻［1］提供的電路模型與算式，經理論計算分析和現場實際測試得出如下結果：

（1）電容器組配用限流器時（限流器中電抗器的電抗率為0．1％～0．5％），計算追加合閘涌流的幅值，可忽略電源的影響，而僅計相鄰帶電電容的放電電流。

（2）當阻尼電阻適當配置時（如按優化配置選擇），接入與不接入阻尼電阻（前者為串接限流器，后者為僅串接電抗器），其電容器組追加合閘涌流幅值是相近或相等的。

1．2限流器電抗值選用的計算

鑒于上述理由，電抗器的電感值（Le）與涌流倍數（Kc）、電容器組額定容量（Qcn）、電容器組額定（線）電壓（Un）、電容器組組數（N）和工頻角頻率（ω）的關系，可簡化為按式（1）計算選擇。經過規劃設計，在6、10、35、66kV并聯電容器用限流器中的電抗器的電感值分別采用100、200、800、1500μH。它們在相應的電壓等級電容裝置的實用容量系列范圍內，以及實用的電容器組組數范圍內（通常小容量裝置在同一母線上以1～2組配置，大容量裝置可有4組及以上配置），均能可靠保證限制合閘涌流在允許的限值20倍以內。

隨著電容器組容量的增大，相應的電抗器的電抗率增大，涌流倍數遞減。可用式（2）驗算追加合閘涌流的倍數。例，當選取Le＝200μH，如Un＝10．5kV，Qcn＝2Mvar，N＝3時Kc＝19．7倍；如Un＝10．5kV，Qcn＝10Mvar，N＝8時Kc＝11．6倍。其余電壓等級的電容裝置可同樣驗證限流器能安全可靠限制涌流，在電網中已安全投運的數千組限流器是最充分的證明。

2限流器對暫態過程有良好的阻尼作用

2．1限流器在暫態過程中的阻尼作用分析

理論研究與現場測試結果證明限流器對暫態過程有良好的阻尼作用。在電容器組合閘時，或在斷路器斷開電容器組發生重擊穿時，或在鄰近電容裝置處發生短路時，即在發生電磁暫態過程中，火花間隙動作接入阻尼電阻，加速電流和電壓自由分量的衰減（其實質是電阻接入電路后加速消耗引起電磁振蕩的能量），從而使通過電容器及其配套設備的涌流I2·t值大為減小［1］，或者消除電容器組放電電流對系統短路電流的助增影響［1］［2］；同時在上述過程中使在電容器和母線上出現的電壓強制分量與自由分量之和明顯地減小，亦即使電容器、母線以及其它相連設備上的過電壓顯著地降低。前蘇聯在80年代，法國在90年代都采用相同原理的裝置來限制電容器組的操作過電壓。

為了驗證阻尼作用，曾經多次現場投切電容器組試驗。現將部分測試數據處理結果列于表1（方

差分析本文略）。從對接入與不接入阻尼電阻、不同的投入方式，以及同一工況下的電容器與母線的過電壓進行比較后可見：

（1）在串接相同電抗率的電抗器和在同一投入方式下，接入比不接入阻尼電阻時電容器和母線的合閘過電壓低，最大降壓幅度可達20％左右。

（2）由于阻尼效應，使電容器合閘過電壓一般低于母線過電壓或相近，而接阻尼電阻時則相反。鑒于限流器中電抗器的電抗率只有0．1％～0．5％，其正常運行電壓很低，如10kV等級該電壓為7～35V（對應于電容器組容量為2～10Mvar），而間隙整定動作電壓為2kV左右，故間隙接入電阻的持續時間一般不超過10ms。此外，限制涌流的要求系按電源電壓處于峰值時投入電容器組設計的，即使間隙動作電壓有較大分散性亦無妨。運行經驗證明，間隙與電阻使用簡便可靠，不是可有可無，而是作用顯著。

2．2正確整定火花間隙動作電壓是發揮限流器阻尼作用的前提

在現場時有發現某些用戶由于對火花間隙和阻尼電阻的作用認識不清，任意加大電極的間距或不

加調試，使火花間隙無法動作或動作電壓過高，以致阻尼電阻不起作用或不能充分發揮作用。火花間隙作為接入與撤出阻尼電阻的“開關”，其動作電壓應適當整定，考慮到間隙動作電壓的分散性（經不同環境條件試驗，其分散性為±20％），以及保證在穩態時可靠地撤出阻尼電阻（在穩態運行時，間隙電壓即電抗器的端電壓，其值隨電抗率的增大而增大，為電容器組端電壓的0．1％～0．5％），一般推薦6～10kV電容裝置中火花間隙動作電壓取1．4～1．8kV，35kV電容裝置取3．0～4．0kV。

阻尼電阻允許長期持續接入運行。按理電阻只在電容器組合閘瞬時接入，設計具有承受涌流沖擊的能力；但為確保裝置的安全可靠，電阻的額定電流（IRn）按長期接入電路來設計選擇，并滿足式（3）的要求：式中ILn—電抗器額定電流；

XL—電坑器電抗值;

R—阻尼電阻阻值；

3應用限流器的電容裝置的諧波響應

文獻[3]以充分實例證明用簡化電路模型（如圖2所示）計算分析電容裝置對電網3次諧波響慶是適用的；由此導出的電容裝置的諧振容量（Qck）的算式（4），對于3次諧波亦同樣適用于工程實際。

即：

式中，Sd為電容裝置接入處電網短路容量，h為電網諧波次數。當h=3,A=5%、電容裝置容量Qc=Qck=6%Sd時，發生3次諧波揩振；當A=6%、Qc=Qck=5%Sd時亦同樣發生諧振。這種現象在國內許多220KV及以上變電所中裝設的大容量電容裝置（串接電抗率為5％～6％的電抗器）屢屢發生，造成設備損壞或停運。為了避免電容裝置對電網3次諧波的放大或諧振，在河南省的湯陰變等5個變電所和湖南省的寶慶變等3個變電所曾先后采取短接全部或部分電抗器，取得了良好的效果。同樣的道理，由于限流器與不同容量的電容器組合后，通常電抗率在0．1％～0．5％范圍內，就使電容諧振容量上升到（10．5％～11．0％）Sd，其為現場實際裝置容量1倍以上，不可能發生3次諧波諧振。

根據理論分析與實際測試證明，圖2所示的簡化電路模型，對于5次及以上諧波是不適用的。假如按式（4）計算使用限流器的電容裝置的5次和7次諧波的諧振容量分別為（3．4％～3．9％）Sd和（1．4％～1．9％）Sd，它們意味著這些電容裝置在多數場合會發生5次或7次諧波過度放大甚至諧振，這是與實際情況不相符的。我們曾分別對浙江和福建應用限流器—電容器組的各級變電所的諧波情況進行監測，測試結果表明：電容裝置投入后對電網3次諧波有所放大，且隨著投入容量的增大逐漸增大，但放大程度遠小于串接5％～6％電抗器—電容器組的狀況；而對于電網5次及以上諧波變化影響相對較小，在某些場所由于電容支路的分流作用，使5、7或更高次諧波電壓含量還有所降低。但在電容裝置接入處如存在較大的諧波源，則將諧波嚴重放大（有浙江省110kV景寧變、35kV甲村變等例），需要對諧波源（許多小電爐煉鋼）采取治理措施。現以浙江省220kV躍新變為例觀察應用限流器的電容裝置接入電網后諧波變化情況（詳見表2）。躍新變裝有150MVA主變壓器1臺，其三側電壓為220／110／35kV，在35kV側裝有4組8．4Mvar電容器，每組串接限流器，其電抗器的電抗率為0．15％。諧波測試結果符合上述論斷。躍新變電容裝置是在測算串接6％電抗器將引起3次諧波嚴重放大后，更改設計采用限流器的。事實證明此舉取得顯著的技術經濟效益。

對于已投運變電所的新建或擴建電容裝置工程，可通過電網諧波實測和諧波分析程序對5次及以上諧波潮流進行仿真計算，因地制宜地優選電抗器參數；對于新建變電所的大容量電容裝置工程，情況不明無從測算，若采用所有的電容裝置都串接12％～13％電抗器的做法雖屬穩妥，但既造成大量損耗有功與無功電能，又顯著提高了工程造價，是不可取的。文獻［4］闡述了各種抑制諧波的對策，其中最經濟的方案是：串接0．5％及以下電抗器電容器組＋濾波器。具體說，可先用限流器，個別電容器組預留有更換濾波電抗器的場地，投產后視諧波實測情況決定是否更換。至于撤換下來的限流器，由于它與電容器組沒有固定的電抗率配合問題可另外使用。

4結語

（1）由于限流器中電抗器和阻尼電阻的綜合作用，可取得限制電容器的操作過電壓與過電流的良

好效果。間隙動作電壓應加調試和電極表面適當維護（一年一