变电站无功补偿装置故障分析及其改进措施
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国网安徽省电力公司芜湖供电公司的研究人员乔向阳、刘赟等，在2018年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，无功补偿装置在变电站得到大力推广及应用，效果显著。然而，由于系统谐波因素、操作过电压影响以及本地使用的无功补偿装置保护定值设计不当，装置损坏故障时有发生，严重影响了电网的安全运行，如果处理不当，事故范围就将进一步扩大。
本文通过变电站运行过程中出现的故障问题，深入分析了无功补偿装置故障的原因并对无功补偿装置进行改进，使之能充分发挥作用，安全并可靠运行。
随着国民经济的发展和现代化技术的进步，电力网负荷急剧增大，对电网感性无功要求也与日俱增，为保证电力系统的稳定运行，其安全性、可靠性、经济性以及输送电能的质量是最根本的问题[1-3]。无功功率补偿是降低功率损耗、保障电网安全运行必不可少的措施，具有重要的意义[4-6]。
然而受设计不当、系统谐波因素、操作过电压影响，无功补偿装置损坏事故时有发生，严重影响了电网运行安全[7-8]。如果处理不当，事故范围将进一步扩大。分析无功补偿装置故障的原因，保证无功补偿装置的可靠运行，改进无功补偿装置，对于保证电网的安全稳定运行具有重要意义[9-16]。
1 无功补偿装置故障原因分析
近年来，芜湖地区发生多起无功补偿装置损坏事故，严重影响了本地区电网运行的安全。经过研究分析，我们发现系统谐波因素、操作过电压影响以及本地使用的无功补偿装置保护定值设计不当是导致装置损坏事故的原因。以芜湖地区220kV YQ变电站35kV无功补偿系统典型故障为例，本文详细分析系统谐波因素、操作过电压影响以及保护定值设计不当对无功补偿装置的影响。
1.1 系统谐波的影响
220kV YQ变电站地处芜湖经济开发区，为多家汽车厂、造船厂、空调厂企业供电，非线性负载比较多。厂家启动大型整流器和电弧炉等“谐波源”时，电力系统中将含有较大的高次谐波，对电流的影响很大。这种谐波电流非常容易引起电容器击穿，引发相间短路及内部击穿。
经过现场测试发现该地区电力系统中存在3、5、7次谐波，谐波电流统计报表见表1。
表1 谐波电流统计报表
从表1中可以看出，3、5、7次谐波严重超标。谐波电流引起的附加绝缘介质损耗将加快电力电容器绝缘的老化速度。此外，经统计分析发现芜湖地区FN变等三座变电站无功补偿装置损坏故障时均出现了3、5、7次谐波严重超标现象。
1.2 操作过电压的影响
220kV YQ变电站无功补偿装置故障，断路器分闸后电弧重燃产生了操作过电压，导致电容器组整体受损，内部单元击穿，现场主变低压侧故障录波图如图1所示。
图1 故障录波图
电容器组断路器在AVC控制下合闸成功，其合闸故障滤波图如图2所示。
图2 合闸故障录波图
从图2中可以看出，电容器组整体受损，内部单元击穿后无法承受正常额定电压，致使A相4只电容器直接击穿，C相3只电容器套管断裂，引起大面积渗油。
断路器在断开并联电容器组时引起的操作过电压幅值与电力系统的参数，特别是断路器特性以及关合的相角有很大关系。在某些情况下会概率引起很大的操作过电压，严重时容易造成电容器组整体受损，内部单元击穿。此外，当多组电容器并联运行时，如果其中某个电容器发生击穿，其余电容器就会通过这个电容器放电，该电容器在短时间内将产生巨大的热能使得电容器内的油分解并产生大量气体，造成壳体损坏甚至爆炸。
1.3 保护定值的影响
经现场检测，220kV YQ变电站电容器差压保护定值的整定值为6V，未按照最新版电容器差压保护定值计算方法进行核算，保护装置没有可靠动作，导致事故范围扩大。
2 无功补偿装置的改进措施
通过对芜湖地区220kV YQ变电站35kV无功补偿系统典型故障进行分析后，对其进行了相应的无功补偿装置改进措施，并取得了良好的效果。
2.1 串联电抗器
经过分析计算后，发现采用基波感抗为容抗的12%的电抗器串联时，可有效抑制3次谐波电流。采用基波感抗为容抗的4.5%～6%的电抗器串联时，可有效抑制5次以上的谐波电流。当3次以上谐波含量较大时，选择12%与4.5%～6%的混合电抗器串联可有效抑制高次谐波电流。
经过研究分析，220kV YQ变更换无功补偿装置时，将损坏的电容器组电抗器由原来的5%电抗率更换为12%电抗率，取得了良好的效果，有效地抑制了3次谐波电流。
2.2 降低断路器开断重燃率
质量较好的断路器可以避免断路器出现触头抖动或分闸电弧重燃现象，可以有效地降低投退电容器组时产生的操作过电压。
目前，无论是国产品牌，还是进口施耐德、ABB等品牌真空断路器，都会出现分闸重燃的现象。因此，解决该问题最好的办法，是选用灭弧效果更好、重燃率极低的SF6断路器。
2.3 整定保护定值（略）
根据电容器组的设备参数，对差压保护定值进行重新计算整定，经过整定计算，差压保护定值整定为2.5V，动作延时调整为0.1s。
2.4 其他措施
1）确保并联电容器组的质量。投入运行前，对电容器组进行严格的检测试验，及时发现缺陷并进行处理，严防劣质电容器组投入运行。
2）采用可调串联电抗器，限制无功补偿电容器组的合闸涌流和短路电流，降低操作过电压并有效抑制高次谐波。
3）采用定值合适的电容器护装置及其他保护措施，有效限制电容器组的过电压和过电流。
受系统谐波因素、操作过电压以及本地使用的无功补偿装置保护定值设计不当的影响，装置损坏事故时有发生。本文针对芜湖地区无功补偿装置损坏故障，以220kV YQ变电站35kV无功补偿系统典型故障为例，进行了深入研究，提出了对应改进措施并取得了良好的效果。
1）当变电站所在地区3次以上谐波含量较大时，选择12%与4.5%～6%的混合电抗器串联可有效抑制高次谐波电流。
2）选择SF6断路器可以有效地降低断路器开断重燃率。
3）为了避免保护装置误动作或者不动作，导致事故范围扩大，一定要按照最新版电容器差压保护进行定值核算。