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摘要:无功补偿装置对于保障电网安全、优质、经济运行具有十分重要的意义，因此，无功补偿装置的可靠稳定运行受到广泛关注。笔者结合实践经验，以10kV配电网无功补偿装置故障为例，在详细阐述故障现象的基础上，采取了切实可行的处理措施，使得无功补偿装置运行的可靠性、安全性有了保证。
关键词:无功补偿装置；故障现象；熔断器爆裂；处理措施
中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：
随着我国经济的迅速发展,我国的电力系统在逐步的完善,社会对电力的需求也不断上升，同时对电能的质量有了越来越高的要求。为了保障电网能够安全,稳定的运行,提高电力系统电能的质量，就要运用无功补偿技术。无功补偿对提高系统电压水平、降低线路损耗、改善功率因数、增强系统稳定起着十分重要的作用。在面临电力短缺的局面下，配网无功补偿无疑是一项投资少，收效快的措施。但无功补偿装置在实际运行中，由于种种原因，导致产生较多运行故障。因此，处理好无功补偿装置故障问题，确保补偿装置的安全可靠运行有着极为重要的意义。
1故障实例分析
1.1 故障实例
我们安装投运数台10kV输电线路户外柱上式无功自动补偿装置如图1所示。
图110kV线路补偿系统图
项目设计为长距离10kV支线用户的线路无功补偿，线路谐波电流含量较小，电压畸变率可以忽略，负荷运行规律平稳，自然功平均率因数为0.66，故设计无串联电抗器的2组补偿电容器，固定补偿容量设计为50kvar，主要补偿变压器的空载无功，自动补偿容量设计为300kvar，投切开关选用电容器专用JCZ5－12型真空交流接触器，每台电容器均安装外熔断器进行过流保护。装置投运后，出现故障为:300kvar电容器组在投入瞬间，正常运行的50kvar电容器的保护熔断器迅速熔断，并且部分装置的熔断器出现爆裂。针对该现象，工程技术人员感到非常困惑，不知是何原因导致正常运行电容器的熔断器出现熔断，而且现象比较剧烈。现象说明，大组投入瞬间使正在运行的小组产生了较大的涌流，但该涌流因何产生且如何解决成为困扰工程技术人员较长一段时间的问题。为解决该问题，对电路原理进行以下分析。
1.2故障现象分析
两组电容器补偿电路如图2所示，L1及L2是两组电容器之间各自导线或串联电抗器的电感，因为导线较短，一般每米按1～1.64μH计，与系统的电感LS比较时，可忽略不计。
图2两组电容器补偿电路
图2中电容器组C1已投入运行，充满电荷，当电容器组C2投入瞬间，C1首先对C2充电，同时还对电感L1及L2放电。假设C1、C2合成电容为C，即串联后C=(C1·C2)/(C1+C2)，电压为UC，L1、L2合成电感为L，即串联L=L1+L2，电感電压为UL。因此，若电容器组C1、C2无串联电抗器，由于回路自身的感抗远小于容抗，即XL≤XC，所以电容器组C1产生的瞬间放电涌流IS将相当大，又因为此放电涌流是由其他电容器组投入时产生，在电容器并联补偿装置的相关规范中，定义为电容器合闸涌流，合闸涌流计算如(1)式:
(1)
式(1)中，Im为涌流的最大值；UN为电网的额定相电压有效值。
电容器组之间产生的合闸涌流电路可简化等效为不考虑系统电源及阻抗，将已投入的电容器组等效为距离最近的电源。
电容器组连接导线按每米电感值取1.64μH。因补偿装置内部2台电容器并列安装，至装置与输电线路连接的穿墙套管公共结点的导线长度取1m，则2台电容器至公共结点的导线感抗值均为:
XL1=XL2=ωL·l=314×1.64×10－6×1=5.15×10－4Ω
式中XL1、XL2为电容器串联导线感抗值，Ω；l为导线长度，m。
由于补偿点在线路末端，传输距离约9km，系统的阻抗较大，因此可忽略系统上级变电站变压器的影响。当电容器组C2自动投入时，瞬间产生的合闸涌流峰值IS计算为:
单相电容器参数:
50kvar:1.316μF；300kvar:7.896μF。放
电回路等效电容值:C=(C1·C2)(C1+C2)=(1.316×7.896)(1.316+7.896)=1.128μF
回路等效容抗值:XC=1/ωC=2823.3Ω
回路等效感抗值:
XL=XL1+XL2=1.03×10－3Ω
按式(1)计算最大合闸涌流值:
=4787.7A
50kvar电容器的额定电流为:IN=2.62A，则Is=1827.4×2.62A=1827.4IN，最大合闸涌流为额定电流的1827.4倍。
熔断器选用XR系列瓷管熔断器，50kvar电容器的熔断器额定电流是6A，根据熔断器的熔丝安—秒特性曲线提供数据，50kvar电容器的熔断器因300kvar投入瞬间产生的合闸涌流必然被迅速熔断，由于投入系统电压时刻的不同，瞬间产生的合闸涌流大小不同，产生涌流最大时，致使熔断器过流倍数很大，释放较大能量，导致熔断器爆裂。
2 故障处理措施
2.1项目优化处理措施
针对工程项目中出现的故障现象，采取处理措施如下:
1)无串联电抗器，改变投切顺序。固定组改为开关控制，投入大组时，固定组先退出，大组投入后，再投入固定组，熔断器无动作；
2)2组电容器分别安装6%串联电抗器。固定组运行时，再投入大组，仍会使固定补偿电容器的保护熔丝熔断，改变投切顺序后，熔断器无动作；
3)2组电容器都取消熔断器保护，无串联电抗器，其他不变，运行一段时间后，固定补偿组侧壁出现略鼓起，底部有漏油现象。
在尝试的各种改进措施中，措施(1)为最佳确定方案。可以看出，按原投切逻辑:50kvar组电容器正常运行，当投入300kvar电容器，在合闸的瞬间将会产生很大的追加合闸涌流。当追加组与运行的电容器组之间的距离很近，无串联电抗器时，线路电感非常小(近似为零)，投入瞬间追加电容器组似短路状态，运行中的电容器组向它大量充电，全部冲击合闸涌流都流入追加组，因而运行的50kvar电容器因瞬间大量放电而导致过载，其保护熔断器必然迅速熔断。实验证明:多组电容器组的追加合闸涌流通常可达电容器组额定电流的20～250倍，在极端情况下的振荡频率可达15kHz。
从该工程案例可看出，在10kV线路补偿装置的设计中，固定补偿组的设计应合理，其设计容量与自动投切电容器组的容量相差不宜较大，最好等于或略大于自动控制补偿组，或者固定补偿组应由相应开关控制，避免自动控制组投入瞬间产生较大的涌流冲击。项目用户通常为节约项目资金，固定补偿组不采用真空交流接触器控制，并且取消了每组电容器的熔断器保护，所有补偿电容器组共用1组跌落式熔断器与电网连接，表面上虽消除了上述故障现象，但实质却是将该故障现象进行了隐藏，短期内使装置运行无异常现象，而当装置长期运行，尤其当固定补偿组容量较小时，若控制组频繁投切，固定补偿组很容易出现鼓胀、漏油而损坏。JB/T7111—1993《高压并联电容器装置》中对电容器的过电流冲击次数作出规定，保障高压电容器的安全可靠运行。
2.2PSCAD/EMTDC系统仿真
根据工程案例中出现的故障现象，可通过PSCAD/EMTDC软件进行系统仿真来验证。PSCAD/EMTDC软件由加拿大的Manitoba HVDC Research Centre Inc开发，是为电力系统和电力电子研究领域设计的专用大型仿真软件，在世界上很多科研和教育机构有广泛应用。
1)状态1。系统额定电压:10kV，电容器组:50kvar+300kvar；运行条件:电压零点投入，50kvar先投，300kvar后投，无串联电抗器。50kvar在0.1s时刻投入，300kvar在0.3s时刻投入。不同时刻2组电容器仿真运行电流波形如图3所示。
图3 50kvar电容器电压零点投入及运行的电流波形
从状态1看出，电压零点投入大组电容器瞬间，正常运行的小组电容器电流出现较小的突变。
2)状态2。运行条件:电压峰值投入，50kvar先投，300kvar后投，无串联电抗器。50kvar在0.105s时刻投入，300kvar在0.305s时刻投入。不同时刻2组电容器仿真运行电流波形如图4所示。
图4 50kvar电容器峰值投入及运行的电流波形
状态2说明，在电压峰值时刻投入300kvar电容器时，正在运行的50kvar电容器当300kvar电容器投入瞬间，50kvar电容器的电流出现较大突变。
3)状态3。运行条件:电压零点投入，300kvar先投，50kvar后投，无串联电抗器。50kvar在0.3s时刻投入，300kvar在0.1s时刻投入。不同时刻2组电容器仿真运行电流波形如图5所示。
圖5 300kvar电容器电压零点瞬间投入及运行的电流波形
状态3说明，改变投入顺序后，电压零点时刻投入50kvar电容器，对已运行的300kvar电容器产生的合闸涌流最小。
4)状态4。运行条件:电压峰值投入，300kvar先投，50kvar后投，无串联电抗器。50kvar在0.305s时刻投入，300kvar在0.105s时刻投入。不同时刻2组电容器仿真运行电流波形如图6所示。
图6 50kvar电容器电压峰值投入电流波形
状态4说明，改变投入顺序，在电压峰值时刻投入50kvar电容器，正常运行的300kvar电容器产生的合闸涌流较小。
通过以上仿真电流波形说明，改变电容器组的投切顺序，可以有效减小电容器合闸涌流，保障电容器组的安全可靠运行，这对我们在进行实际产品设计时具有较好的指导意义。
3结语
总之，无功补偿装置对于10kV配电网的重要性不言而喻，它的应用使得无功功率大大减少，不仅节约企业自身的电费开支，而且提高了电网的安全性能和供电质量。因此，无功补偿装置一旦发生故障问题，必须尽快找出原因所在，同时采取切实可行的处理措施，只有这样才实现无功补偿装置安全可靠运行，以发挥其应有的作用。
参考文献
[1] 彭雨轩.10kV配电无功补偿技术研究[J].经营管理者,2012年16期
[2] 廉国巍;耿雪冰.无功补偿装置运行中易出现的问题及对策[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2009年03期
关键词:无功补偿装置；故障现象；熔断器爆裂；处理措施
中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：
随着我国经济的迅速发展,我国的电力系统在逐步的完善,社会对电力的需求也不断上升，同时对电能的质量有了越来越高的要求。为了保障电网能够安全,稳定的运行,提高电力系统电能的质量，就要运用无功补偿技术。无功补偿对提高系统电压水平、降低线路损耗、改善功率因数、增强系统稳定起着十分重要的作用。在面临电力短缺的局面下，配网无功补偿无疑是一项投资少，收效快的措施。但无功补偿装置在实际运行中，由于种种原因，导致产生较多运行故障。因此，处理好无功补偿装置故障问题，确保补偿装置的安全可靠运行有着极为重要的意义。
1故障实例分析
1.1 故障实例
我们安装投运数台10kV输电线路户外柱上式无功自动补偿装置如图1所示。
图110kV线路补偿系统图
项目设计为长距离10kV支线用户的线路无功补偿，线路谐波电流含量较小，电压畸变率可以忽略，负荷运行规律平稳，自然功平均率因数为0.66，故设计无串联电抗器的2组补偿电容器，固定补偿容量设计为50kvar，主要补偿变压器的空载无功，自动补偿容量设计为300kvar，投切开关选用电容器专用JCZ5－12型真空交流接触器，每台电容器均安装外熔断器进行过流保护。装置投运后，出现故障为:300kvar电容器组在投入瞬间，正常运行的50kvar电容器的保护熔断器迅速熔断，并且部分装置的熔断器出现爆裂。针对该现象，工程技术人员感到非常困惑，不知是何原因导致正常运行电容器的熔断器出现熔断，而且现象比较剧烈。现象说明，大组投入瞬间使正在运行的小组产生了较大的涌流，但该涌流因何产生且如何解决成为困扰工程技术人员较长一段时间的问题。为解决该问题，对电路原理进行以下分析。
1.2故障现象分析
两组电容器补偿电路如图2所示，L1及L2是两组电容器之间各自导线或串联电抗器的电感，因为导线较短，一般每米按1～1.64μH计，与系统的电感LS比较时，可忽略不计。
图2两组电容器补偿电路
图2中电容器组C1已投入运行，充满电荷，当电容器组C2投入瞬间，C1首先对C2充电，同时还对电感L1及L2放电。假设C1、C2合成电容为C，即串联后C=(C1·C2)/(C1+C2)，电压为UC，L1、L2合成电感为L，即串联L=L1+L2，电感電压为UL。因此，若电容器组C1、C2无串联电抗器，由于回路自身的感抗远小于容抗，即XL≤XC，所以电容器组C1产生的瞬间放电涌流IS将相当大，又因为此放电涌流是由其他电容器组投入时产生，在电容器并联补偿装置的相关规范中，定义为电容器合闸涌流，合闸涌流计算如(1)式:
(1)
式(1)中，Im为涌流的最大值；UN为电网的额定相电压有效值。
电容器组之间产生的合闸涌流电路可简化等效为不考虑系统电源及阻抗，将已投入的电容器组等效为距离最近的电源。
电容器组连接导线按每米电感值取1.64μH。因补偿装置内部2台电容器并列安装，至装置与输电线路连接的穿墙套管公共结点的导线长度取1m，则2台电容器至公共结点的导线感抗值均为:
XL1=XL2=ωL·l=314×1.64×10－6×1=5.15×10－4Ω
式中XL1、XL2为电容器串联导线感抗值，Ω；l为导线长度，m。
由于补偿点在线路末端，传输距离约9km，系统的阻抗较大，因此可忽略系统上级变电站变压器的影响。当电容器组C2自动投入时，瞬间产生的合闸涌流峰值IS计算为:
单相电容器参数:
50kvar:1.316μF；300kvar:7.896μF。放
电回路等效电容值:C=(C1·C2)(C1+C2)=(1.316×7.896)(1.316+7.896)=1.128μF
回路等效容抗值:XC=1/ωC=2823.3Ω
回路等效感抗值:
XL=XL1+XL2=1.03×10－3Ω
按式(1)计算最大合闸涌流值:
=4787.7A
50kvar电容器的额定电流为:IN=2.62A，则Is=1827.4×2.62A=1827.4IN，最大合闸涌流为额定电流的1827.4倍。
熔断器选用XR系列瓷管熔断器，50kvar电容器的熔断器额定电流是6A，根据熔断器的熔丝安—秒特性曲线提供数据，50kvar电容器的熔断器因300kvar投入瞬间产生的合闸涌流必然被迅速熔断，由于投入系统电压时刻的不同，瞬间产生的合闸涌流大小不同，产生涌流最大时，致使熔断器过流倍数很大，释放较大能量，导致熔断器爆裂。
2 故障处理措施
2.1项目优化处理措施
针对工程项目中出现的故障现象，采取处理措施如下:
1)无串联电抗器，改变投切顺序。固定组改为开关控制，投入大组时，固定组先退出，大组投入后，再投入固定组，熔断器无动作；
2)2组电容器分别安装6%串联电抗器。固定组运行时，再投入大组，仍会使固定补偿电容器的保护熔丝熔断，改变投切顺序后，熔断器无动作；
3)2组电容器都取消熔断器保护，无串联电抗器，其他不变，运行一段时间后，固定补偿组侧壁出现略鼓起，底部有漏油现象。
在尝试的各种改进措施中，措施(1)为最佳确定方案。可以看出，按原投切逻辑:50kvar组电容器正常运行，当投入300kvar电容器，在合闸的瞬间将会产生很大的追加合闸涌流。当追加组与运行的电容器组之间的距离很近，无串联电抗器时，线路电感非常小(近似为零)，投入瞬间追加电容器组似短路状态，运行中的电容器组向它大量充电，全部冲击合闸涌流都流入追加组，因而运行的50kvar电容器因瞬间大量放电而导致过载，其保护熔断器必然迅速熔断。实验证明:多组电容器组的追加合闸涌流通常可达电容器组额定电流的20～250倍，在极端情况下的振荡频率可达15kHz。
从该工程案例可看出，在10kV线路补偿装置的设计中，固定补偿组的设计应合理，其设计容量与自动投切电容器组的容量相差不宜较大，最好等于或略大于自动控制补偿组，或者固定补偿组应由相应开关控制，避免自动控制组投入瞬间产生较大的涌流冲击。项目用户通常为节约项目资金，固定补偿组不采用真空交流接触器控制，并且取消了每组电容器的熔断器保护，所有补偿电容器组共用1组跌落式熔断器与电网连接，表面上虽消除了上述故障现象，但实质却是将该故障现象进行了隐藏，短期内使装置运行无异常现象，而当装置长期运行，尤其当固定补偿组容量较小时，若控制组频繁投切，固定补偿组很容易出现鼓胀、漏油而损坏。JB/T7111—1993《高压并联电容器装置》中对电容器的过电流冲击次数作出规定，保障高压电容器的安全可靠运行。
2.2PSCAD/EMTDC系统仿真
根据工程案例中出现的故障现象，可通过PSCAD/EMTDC软件进行系统仿真来验证。PSCAD/EMTDC软件由加拿大的Manitoba HVDC Research Centre Inc开发，是为电力系统和电力电子研究领域设计的专用大型仿真软件，在世界上很多科研和教育机构有广泛应用。
1)状态1。系统额定电压:10kV，电容器组:50kvar+300kvar；运行条件:电压零点投入，50kvar先投，300kvar后投，无串联电抗器。50kvar在0.1s时刻投入，300kvar在0.3s时刻投入。不同时刻2组电容器仿真运行电流波形如图3所示。
图3 50kvar电容器电压零点投入及运行的电流波形
从状态1看出，电压零点投入大组电容器瞬间，正常运行的小组电容器电流出现较小的突变。
2)状态2。运行条件:电压峰值投入，50kvar先投，300kvar后投，无串联电抗器。50kvar在0.105s时刻投入，300kvar在0.305s时刻投入。不同时刻2组电容器仿真运行电流波形如图4所示。
图4 50kvar电容器峰值投入及运行的电流波形
状态2说明，在电压峰值时刻投入300kvar电容器时，正在运行的50kvar电容器当300kvar电容器投入瞬间，50kvar电容器的电流出现较大突变。
3)状态3。运行条件:电压零点投入，300kvar先投，50kvar后投，无串联电抗器。50kvar在0.3s时刻投入，300kvar在0.1s时刻投入。不同时刻2组电容器仿真运行电流波形如图5所示。
圖5 300kvar电容器电压零点瞬间投入及运行的电流波形
状态3说明，改变投入顺序后，电压零点时刻投入50kvar电容器，对已运行的300kvar电容器产生的合闸涌流最小。
4)状态4。运行条件:电压峰值投入，300kvar先投，50kvar后投，无串联电抗器。50kvar在0.305s时刻投入，300kvar在0.105s时刻投入。不同时刻2组电容器仿真运行电流波形如图6所示。
图6 50kvar电容器电压峰值投入电流波形
状态4说明，改变投入顺序，在电压峰值时刻投入50kvar电容器，正常运行的300kvar电容器产生的合闸涌流较小。
通过以上仿真电流波形说明，改变电容器组的投切顺序，可以有效减小电容器合闸涌流，保障电容器组的安全可靠运行，这对我们在进行实际产品设计时具有较好的指导意义。
3结语
总之，无功补偿装置对于10kV配电网的重要性不言而喻，它的应用使得无功功率大大减少，不仅节约企业自身的电费开支，而且提高了电网的安全性能和供电质量。因此，无功补偿装置一旦发生故障问题，必须尽快找出原因所在，同时采取切实可行的处理措施，只有这样才实现无功补偿装置安全可靠运行，以发挥其应有的作用。
参考文献
[1] 彭雨轩.10kV配电无功补偿技术研究[J].经营管理者,2012年16期
[2] 廉国巍;耿雪冰.无功补偿装置运行中易出现的问题及对策[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2009年03期