特高压变电站110 kV并联电容器接线方式与耐爆能量分析

张 航，马卫华，段 纲，罗荣钧，信 珂

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250010；2.国家电网公司交流建设分公司，北京 100052；3.国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 250001）

0 引言

并联电容器是电力系统中重要的无功补偿装置之一，主要用于向电网提供可阶梯调节的无功，提高功率因数，减小无功的远距离传送，从而降低电网有功损耗，增加输送容量，减少线路压降，改善电压水平。

目前在特高压变电站中仍然采用在主变压器第三绕组侧并联电容器、并联电抗器分组投切的无功补偿方式。与传统并联电容器相比，特高压变电站110 kV侧并联电容器组具有台数多、单台容量大等特点［1］。因此对电容器组的安全运行提出了更高的要求。

电容器上出现幅值较高的过电压和电容器绝缘受损劣化，可能造成电容器绝缘击穿，当一台电容器发生极间或极对壳绝缘击穿时，与之并联的电容器要向它迅速放电。如果电容器组的接线方式不合理则会造成故障电容器接收的放电能量超过他们能承受的最大放电能量，从而引起电容器的外壳爆裂、起火，使故障进一步扩大，产生严重后果。因此在确定接线方式时，耐爆能量的计算是非常重要的。

单星形双桥差接线方式不但有效提高电容器组不平衡保护的整定值，而且使不平衡保护的抗干扰能力得到提高［2］，因此在特高压变电站中得到了广泛应用。以单星形双桥差接线方式为例，建立电容器组发生极间短路和极对外壳短路故障时的计算模型，对桥臂采用不同串并联方式时的耐爆能量进行了分析计算，以确定最优的桥臂接线方式。

1 电容器爆破能量分析

1.1 电容器耐爆能量的定义

耐爆能量是电容器的一项重要的安全性指标，它表示单台电容器在故障时，外部电路注入故障点而其外壳能耐受住不发生爆裂的能量限值，是对电容器外壳强度的一个安全要求。按照标准规定：单台电容器的耐爆能量应不小于15 kJ。对于电容器组而言，在某台电容器发生故障时，注入故障点的能量，这个能量称为电容器组的爆破能量。标准规定：对于全膜介质电容器，要求在电压1.1U n下，电容器组的爆破能量不大于15 kJ。相当于一个串联段的电容器并联容量应控制在3 900 kvar以内。

1.2 引起电容器爆破能量来源

电容器发生故障时注入故障点的能量主要有3个部分。

第一部分：故障电容器自身的储能（WC）。

第二部分：电容器组完好的电容器向故障电容器提供的能量（Wr）。这部分能量的大小与电容器组的接线方式有关，是注入能量的主要部分。

第三部分：工频故障电流流过故障电容器产生的能量（WS）。这部分能量取决于故障电流的大小以及故障电流持续的时间，如果快速切断故障电容器和电源的联系。假设从击穿到切断的时间为t，如果t很小（例如在20ms内），那么工频故障电流流过故障电容器产生的能量要比电容器组中完好电容器向故障电容器提供的能量小得多，可忽略不计［3］。

1.3 限制放电能量的措施

根据分析可知，主要是限制WC和Wr的大小，限制上述两部分能量的措施主要是合理选取并联电容器组的接线方式，直接控制串联段内的电容器单元并联台数，以降低直接向故障电容器释放的能量。

2 故障电容器放电能量的计算

2.1 计算条件

计算考虑最恶劣的故障情况即并联支路电容器发生极间击穿损坏时又发生极对壳击穿故障。

计算假定电容器运行于1.1Un过电压条件下发生故障。

计算考虑第一部分及第二部分的放电能量。

2.2 故障时电容器组等效简化模型

单星型双桥差接线方式如图1所示。其中C1表示每个桥臂的等效总电容。

以图1中的任意一个桥臂为例分析，如图2所示。每个桥臂由n个串联臂并联组成，串联臂的串联段数为N，每个串联段的并联电容器台数为m，单台电容器的额定电容C0。U1为桥臂总电压，U2为单串联段电压，U3为剩余串联段总电压。

当不接平台的桥臂上某台电容器同时发生极间和极对壳击穿故障时，等效电路如图3所示。其中C2为故障电容器的总电容，C3为故障串联臂除故障电容器以外其他完好串联段的总电容，C4为单桥臂除故障串联臂外的其他完好串联臂的总电容。R为短路时故障通道阻抗。

图1 双桥差接线方式原理

图2 桥臂接线示意

图3 发生极间及极对壳短路故障桥臂等效简化模型

图4 单星形双桥差接线故障相等效简化接线

根据上述分析可以得出单星形双桥差接线方式电容器组故障等效模型，如图4所示。图中，C′1为故障臂总电容，C1为每个完好臂总电容。

故障串联段电容C2，其容量为

故障串联段电容器释放的能量WC为

完好桥臂的总电容C1为

故障后，C3、C5的电荷、电压重新分配而平衡后，分配后C3、C5的电压相等，均为

平衡前后C3与C5上的总能量之差，即为故障桥臂除故障串联段外其他完好电容器向故障电容器释放的能量

所以，整相电容器组向故障电容器释放的能量为

3 算例

特高压变电站110 kV并联电容器组采用双桥差接线方式，根据电容器组容量配置不同，每个桥臂的电容器的数量也有所差别。根据系统电压波动计算，在1 000 kV特高压变电站中，为满足主变500 kV、110 kV侧的电压波动水平分别控制在2.5%和5%以内的要求，单组电容器的最大容量不超过240Mvar［6］，过去由于受断路器投切能力的限制，单组电容器容量不超过210Mvar，现在由于新型投切电容器负荷开关的全面应用，电容器单组容量可达到240Mvar。

以潍坊1 000 kV变电站110 kV侧并联电容器组为例分析。潍坊站本器新建2组（2号变压器、4号变压器）3 000MVA变压器，每台主变110 kV侧配置TBB110-240000/556AQW （12%）型电容器组2组，每组电容器由432台BAM6.56-556-1W型电容器组成，每相144只，单台电容器的额定容量为556 kvar，计算时考虑1.1倍的过电压取单台电容器的容量为672.76 kvar，每相采用单星形双桥差接线方式，每相由上下8个桥臂，每个桥臂由18台电容器构成。

在已经投运的特高压工程中，单个桥臂的串并联方式主要有以下3种方式：“三并三串”、“两并三串”、“三并两串”，如图 5所示。

图5 三种连接方式结构

按照2.2节推导的计算公式对上述3种接线方式下，电容器同时发生极间故障和极对壳击穿故障时，整相电容器组向故障电容器释放的能量计算结果如表1所示。

表1 不同接线方式下的计算结果 kJ

从上述的计算结果可以看出，在考虑过电压倍数为1.1倍的情况下，每个桥臂分别采用上述3种接线方式时，在同时发生极间和极对壳短路故障时，电容器组的放电能量均不大于15 kJ，且采用“两并三串”的方式时放电能量最小。

工程实例中单台电容器的容量为556 kvar，每两串电容器组放在一个绝缘台架上，只有一个串联臂的两串联段之间一点接台架，电容器外壳接台架。当采用“两并三串”的接线方式时，若不接台架的串联臂上某台电容器同时发生极间和极对壳短路，则相当于该串联段的2台电容器和接台架的串联臂相应串联段的2台电容器一起向故障电容器放电，故障串联段电容器并联总容量为2 224 kvar≤3 900 kvar。当桥臂采用“三并三串”、“三并两串”的接线方式时，若不接台架的串联臂上某台电容器同时发生极间和极对壳短路，则相当于该串联段的3台电容器和接台架的串联臂相应串联段的3台电容器一起向故障电容器放电，故障串联段电容器并联总容量为3 336 kvar≤3 900 kvar。

通过上述分析可知，在电容器组采用单星形双桥差接线方式下，每个桥臂采用“三并三串”、“三并两串、两并三串”三种接线方式均能够满足耐爆能量的要求，但是考虑到接线简便和最大安全系数，推荐桥臂采用“两并三串”的串并联方式

4 结语

通过建立单星形双桥差接线方式电容器组的故障分析模型，推导出电容器发生极间故障和极对壳击穿故障时的能量释放计算公式，并对桥臂采用“三并三串”、“三并两串、两并三串”3种接线方式下的电容器组耐爆能量进行了计算分析，工程中设计桥臂接线方式时，推荐采用两并三串的接线方式。