40’ 201第32卷 1年12月第6期 Power Capaci电力电容器与无功补偿 tor&Reactive Power Compensation Vo1.32 No.6 。Dee.2011 谐波对10 kV电容器补偿回路合闸影响的分析 陈洋 ,李兰 ,陈红光 ,凌兆伟。,李新。,席世友 (1.綦南供电局,重庆401420;2.潼南供电公司,重庆402660;3.重庆大学,重庆4OOO44) 摘要:文章建立了含有谐波源的变电站10 kV无功补偿电容器回路模型,研究谐波源参数三 要素对电力电容器回路合闸过渡过程的影响。文中利用ATP—EM rP电磁暂态仿真软件,代入 实际参数对该模型进行建模仿真,得出一系列过电压和过电流仿真波形,对不同谐波参数下合 闸过渡过程中的过电压和过电流作出比较。理论分析和建模仿真结果表明,谐波参数对过渡 过程的过电压和过电流影响较大,具体影响程度取决于回路参数和谐波情况。 关键词:无功补偿电容器;谐波源;过电压;过电流;ATP—EMrI1P;仿真 中图分类号:TM13l 文献标识码:A文章编号:1674—1757(2011)064)040-07 Analysis on Influence of Harmonic on the Closing Operation of 10 kV Reactive Power Compensation Circuit CHEN Yang ,LI Lan ,CHEN Hong.guang ,LING Zhao.wei ,LI Xin ,XI Shi—you (1.Qi’nan Power Supply,Chongqing 401420,China;2.Tong'nan Power Supply, Chongqing 402660,China;3.Chongqing University,Chongqing 400044,China) Abstract:A circuit model of 10 kV reactive power compensation circuit of substation containing har- monic sources is established to study influence of three factors of ratings of harmonic sources on tran— sition process of closing of power capacitor circuit.The model is estbalished and simulated by the use of ATP—EMTP electromagnetic transit simulation software and by actual ratings to obtian a series of simulation oscillogram of overvohage and overcurrent and make comparison of overvohage and oVer_ current of transition procedure of closing operation at different harmonic ratings.It is shown through theoretical analysis and simulation that harmonic ratings have big ilfnuence on overvohage and over- current of trnasition procedure and the speciifc ilfnuence extent is depended on artings of circuit nad harmonic. Keywords:reactive compensatir、n capacitors;harmonic source;overvoltage;overcurrent;ATP— EMTP;simulation. 0引言 主变压器增容改造时应合理确定无功补偿装置容 量以保证35—220 kV变电站在主变压器最大负 近年来,随着电力工业的发展,电能传输的距 荷时,其高压侧功率因数应不低于0.95,低谷负 离和容量日益增大,用户对电能质量的要求越来 荷时功率因数应不高于0.95,且不应低于0.92。 越高。国家先后颁发了一系列的国家标准 ,中 因此电网各变电站在l0 kV侧母线均装设有数组 国网生 ̄2oo93 133号《电力系统电压质量和无功 电力电容器作为无功补偿装置,单组容量配置在 电力管理规定》第二十一条规定:新建变电站和 1 000—12 000 kvar。上世纪90年代以后因系统 收稿日期:2011-11-05 作者简介:陈洋(1982一),男,工程硕士,主要从事电力工程与营销工作。 第6期 ・无功补偿・ 陈洋,等谐波对10 kV电容器补偿回路合闸影响的分析 ・4l・ 容量的扩大,合闸涌流不断增大。为限制合闸涌 流需要在回路中按照(1—12)%X 的电抗值串联 有电抗器_3 J。近年来经常出现断路器柜和电容 器在合闸后短路炸裂事件,分析其原因,主要是串 抗与谐波共同作用的结果 J。 谐波来源于电网供电系统的负载侧,主要是 由电弧炉、中频炉、电解、非线性负荷等产生,给电 c= dt - +朐 dt ㈤=“ )… 这是一个常系数二阶微分方程,根据R数值 的不同, (t)解析表达式形式不同,实际的电力 电容器回路电阻很小,是一种振荡衰减电路,求解 二阶电路的微分方程可得电路的完全响应为 (t)=(K1sintodt+ COStOdt)e一 + 网带来“谐波污染”。在电容器的投切操作过程 中,往往会产生较高的过电压和过电流,在电容器 补偿回路会产生“谐波放大”现象,使断路器柜和 电容器损坏或降低其使用寿命 ]。 本文通过对变电站10 kV无功补偿电容器回 路进行分析,研究谐波作用于电力电容器回路时 合闸过渡过程中的电压电流变化情况,并利用 ATP-EMTP仿真程序建立含谐波源的合闸电路模 型,对此进行研究。 1基波作用下的合闸过渡过程分析 在基波作用下投1组电容器合闸的电路如图 1所示, 、£,b和 为三相基波电源;R 、 分别 为系统内电阻、内电抗,R 为电容器回路等效电 阻;C、 分别为电容器回路成套装置等值电容量 和电感量。为便于分析,不考虑断路器的合闸时 间,假定在收到合闸命令后零秒断路器合闸,可用 理想开关S 、S 和S。模拟断路器;开关后是电容 器负载成套装置,c为电容,L为电感;负载电阻 已被归人前面的R中。 图1空载情况下投电容器合闸电路图 Fig.1 Circuit diagram of dosing capacitors at n0 load 这是一组三相RLC回路,为简化分析,假定 零初始状态、三相参数完全对称且三相断路器同 时合闸。此时,可按单相进行分析,这是一个 RLC二阶电路回路,总电阻为R=R +R ,总电感 =L。+£c。设基波电源电压 (t)= sin(tot+ 0 ),在t=0时合闸后的电路微分方程为 sin(tot+ ) (1) £(t)=( sinwdt+/(4COStOdt)e一 + sin(tot+0 ) (2) 其中,Z: , : , 。 ’ = √∞。一 ~Ucm= √cm =-2 -,’ …tan ,Oc= 詈 : GO) , :一 msin , =一aCKl一∞dCK2,K4 ∞dCK1一ctCK2。 2 n次谐波作用下的过渡过程分析 变电站1O kV母线谐波取决于所供负荷特 性,对于电容器回路合闸过程的影响随着谐波频 率、幅值和初相角不同影响度不同 】。将谐波源 视为频率、幅值、初相角变化的正弦电压源。谐波 电压源作用时, 、 和 为三相谐波电源,电 路和数学模型与基波情况下相似。单相分析,设 n次谐波电压源为Uns(t)= sin(ntot+0 ),在 谐波作用下响应为 “ (t)=(K ̄sintodt+ COStOdt)e一 + sin(ntot+ ) (3) i础(f)=( sintodt+ COSO)dt)e一 + ,n COS(no)t+ ) (4) 其中,z = +[nwL一1/(noC)] , …tan = , = 。 , =0 詈一 , , 一 co ̄O:一 c£, sinO ——— —~, ・42・ K =一 sin0 , 电力电容器与无功补偿 第32卷 以使过电流明显减小,而过电压略有增加。 2.2谐波次数对合闸过渡过程分析 =一otCK 一∞dC , iq= dCK:一otCK ̄。 根据叠加原理可得基波和各次谐波共同作用 下的响应。 取某10 kV线路实际参数,单相电源电压峰 值为8 165 V,运行在短路电流25 kA的10 kV母 线系统下(电源等效电阻、电感分别为0.038 2 Q、 0.69 mL),补偿装置容量5 000 kvar,电容、3%串 抗(C=159.235 7 F,L=1.91 mH)。回路谐振 2.1 回路参数对合闸过渡过程影响分析 在并补装置中,为降低合闸涌流,改善电网电 压,需加装1组特定电抗百分率的串联电感器。 由于电抗器的串入,谐波的作用就显现出来。 《高压并联电容器用串联电抗器使用技术条件》 6.2条规定了串联电抗器的优选值为≤1%、5%、 12%,如电容器电流超过1.30倍额定电流时,应 调整电抗率,以保证电流≤1.301 ;5.2条又规定 了运行系统条件为:电源频率5O Hz,系统谐波: 谐波电流与基波电流所构成的方均根值不大于 1.301.(,n为电抗器额定电流)。变电站10 kV系 统大多数都是直接对外供电的,母线电压波形受 到负荷特性的影响,由于负荷谐波影响导致母线 电压波形畸变的变电站为数不少。这样当参数配 置和谐波频率选择巧遇时,回路将产生谐波串联 谐振,由于回路R较小,大大危及补偿回路元件 的安全。 1 在n次谐波电源作用时,当toL= 时,在 n to乙 无功补偿回路中将产生n次谐波谐振,在电容器 和电抗器上产生较大的过电压和过电流。据此, 可以得出为了避开系统中常见的高次谐波分量的 谐振点,补偿装置回路中配置的电抗器的电抗率应 避开表1数值。电抗率配置与谐波关系见表1。 表1电抗率配置与谐波关系表 Tab.1 Reactance rate selection grid harmonic relationship table 谐波次数/次2 4 5 6 7 8 9 11 电抗率/%25 6.3 4 2.8 2 1.6 1.2 0.826 因此在无功补偿回路中,尽量避开所在变电 站10 kV母线电压波形所含主要谐波次数才能起 到设计功能作用,否则会出现危险情况。在满足 涌流水平限制和容量补偿的前提下,电抗率的取 值一定要避开谐振点。随着谐波次数的增加,谐 振电抗率减小越慢,即可能发生谐振情况越来越 密集,适当提高电抗率,从式(3)、(4)可知,还可 ,'一 频率为fo= 兰二=247 Hz,即接近5次谐波谐 ,/Lc 振,设谐波含量为4%,均在峰值处合闸,即0 = 0 =90。。根据上式,将合闸时间t和谐波次数 作为变量,得到电流 (t,n)和电压 (t,,1)。图2 是各次谐波对合闸过渡过程的影响。 图2各次谐波对合闸过渡过程的影响 Fig.2 Influenee ofeach harmonic Oil transitional process of dosing operation 从图2中看出:基波作用下过渡过程最大电 流为2 271 A,最大电压为15 840 V,当同时含有 4%的5次谐波,回路电流猛增至3 822 A,电容器 端电压为21 200 V。含有谐波源时过渡过程时长 并没有发生变化,但过渡过程最大值差异很大。 当谐振频率与谐波电源频率接近时,此时式 ・44・ 电力电容器与无功补偿 第32卷 谐振时,谐波对过渡过程最大值影响较小,当n次 谐波频率等于谐振频率时,合闸初相角对电流已 经没有影响。 2.4谐波含量对过渡过程的影响 系统谐波含量不高,但由上面可以知道:少量 的谐波对合闸过渡过程影响较大。 由式(3)、(4)可知:各次谐波作用情况下电 流、电压随着谐波幅值线性增加。以上述线路参 数为例,根据系统常见的谐波情况,谐波含量从 1%~20%变化时,得到各次谐波在不同含量时对 合闸电压电流的影响。各次谐波含量对电流影响 如图4所示。不同谐波含量对电容器端电压的影 响与对电流的影响类似。从图4可以看出,各次 谐波对过渡过程中的电流电压最大值的影响均随 着谐波含量的增大而线性增大,尤其是当谐波含 > 量越靠近谐振频率,其线性增幅越大。 -}J—J…,……・}……{……・十……{……・{~…・ . m 5 0 ¨¨UⅢ 督Ⅲ皿I●+ m 0.2 f/s 0 3 基于ArI’P.EMTP的过渡过程电压及电 流仿真 利用电磁暂态计算程序ATP.EMTP建立含有 谐波源的10 kV系统电容器组合装置合闸的仿真 模型,对上例电路过渡过程中的电压电流关系进 行仿真研究。 1)仅在基波相电压8 165 V幅值作用下,此 (h) 图S基波作用下回路电流及电容器两端电压 tag.S Circuit current and voltage on both ends of capacitor at action offundamentalharmonic 时电路自由振荡频率与电源频率比较为甚高,即 ∞ 》 ,若 = "iT,则会在电路中产生较高的过电 二 流倍数,而过电压倍数很低,如图5所示。 2)当电路仅在含有4%的4次谐波作用时, 即电路自由振荡频率和电源频率略有差别时,自 由分量按W=I∞一∞d I一297 rad/s(如图5、6所 示)交替地与强制分量同号和异号,由谐波引起 的过电压和过电流的值都不超过强制分量幅值的 2倍。当基波和含量为4%的4次谐波共同作用 时,电压和电流波形如图7所示。此时改变谐波 含量,电压和电流就会陡增,图8为基波和15% 的4次谐波共同作用时的电压和电流波形图。 3)当电路仅在含有4%的5次谐波作用时, 此时电路发生谐振,电流幅值达到3 735 A,电压 (b) 图6 4次谐波作用时回路电流及电容器两端电压 Fig.6 Circuit current and voltage on both ends of capacitor at action ofthe4th harmonic 幅值高达15 kV,加上基波作用将对电容器造成 极大的损害 圳。 第6期 ・无功补偿・ 陈洋,等谐波对10 kV电容器补偿回路合闸影响的分析 。45・ I 《 一l l5 …. ……・ ……一}……- …… ・…… -…… ・ l0 }……・}……{……{…一‘{ 5 > 0 -5 一10 一l5 >)I1 l (}・0 o・l I)・2 f/0.3 0.4 0.5 s (}}1 图7基波和4%4次谐波作用时 回路电流和端电压 .7 Circuit current and end voltage at action of fundamental harmonic and4%ofthe4th harmonic l l 9 I 。删靶珊唧 。1I —Ir 191=j!l=f 唧 :● ‘● ’0.’1 ‘o.2 t/ so3 ’o.4 0.: 、(aJ 图8基波和15%4次谐波作用时 回路电流和端电压 Fig.8 Circuit current and end voltage at action of fundamental harmonic and 15%ofthe4th harmonic 一 一 — l l 图9 5次谐振时回路电流及电容器两端电压 Fig.9 Circuit current and volatge On both ends of capacitor at the 5th resonance 4结论 本文通过理论分析和A仰一EMTP仿真验证, 得到如下结论。 1)在基波作用下串人电抗器能够起到限制 合闸涌流幅值的作用。但是,其电抗率的选择需 要结合安装位置处谐波源的情况。在满足补偿容 量的前提下,补偿回路参数选取时电抗率尽量远 离谐振点。 2)谐波频率越接近电路谐振频率,过电流和 过电压增幅越大,当等于谐振频率时,过电流和过 电压达到最大值。 3)谐波初相角对过渡过程的影响决定于谐 波频率与谐振频率的靠近度,越接近影响越小,反 之则大。 4)谐波含量(幅值)直接影响合闸过渡过程 中的电流电压最大值,随幅值线性增大,尤其是当 谐波频率越接近谐振频率时增幅越大。 参考文献: [1]林海雪,徐静.电能质量国家标准介绍[J].上海电 力,2005(3):221-227. 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