[科普中国]-并联电抗器

简介

用电负载大多数为感性，当感性负载较大时会削弱或消除这种线路的末端电压升高现象。但负载是在随时变化的，当负载较小或末端开路时就会出现这种工频过电压。工程中解决这一问题的常用方法是在线路中并联电抗器，即并联电感。由于电感与电容具有相位反相的特点，因此，电抗器的投入将补偿线路的容性效应，限制系统中工频电压的升高。电抗器可以分散布置在线路中．也可以集中放置在首端和末端。并联电抗器是接在高压输电线路的大容量电感线圈。其容量要根据线路电容和负载情况进行计算设计。在系统中装设并联电抗器的台数及容
量的大小是根据系统中线路参数、运行条件及运行方式决定的。为了避免与线路电容形成并联谐振，合理选择电抗器的容量显得十分重要。

从图1所示的电路中可以看出，若在Z2上并联一个电感便可以削弱上面提到的电容效应，如果电抗值等于Z2的电纳或使其发生并联谐振，则电容效应被完全消除，该并联电路的电感与电容交换能量，不与外电路交换无功，若忽略线路的漏电导，则该并联回路不从外电路获取电流，不影响其它电路，当然也就不会使负载电压升高，因此时线路和负载均为感性。

然而，这种谐振状态在实际中也是应该避免的，因为电抗器不可能没有电阻，所以其对外电路肯定会有影响，最直接的影响是增加线路、特别是电抗器的损耗，严重时会损坏电抗器。在设计并联电抗器的容量时，除考虑限制工频过电压之外，还涉及到系统的稳定、无功功率平衡、自激电压和谐振等问题。因此电抗器的容量选择与安装方式要根据系统的结构、参数、运行情况等因素确定方案1。

原理超(特)高压、长距离输电线路，一般需要考虑线路的分布参数特性。输电线路长线方程如下：

式中 为输电线首、末端的电压、电流矢量； 为线路的波阻抗； 为输电线路的传输常数； 为线路长度；L、C、R、G分别为单位长度线路的电感、电容、电阻、对地漏电导。

在单端电源空载长线路电容效应下，可得沿线电压表达式：

式中，x为线路上任一点距线路末端的距离；k为电压升高系数，对于超（特）高压线路，k一般大于1，并在线路末端电压达到最大值。

双端电源供电情况下的沿线电压表达式为：

分析计算可知，双端电源供电的空载长线中点电压最高。在一般线路长度情况下，双端电源供电的空载线路沿线电压升高并不严重，而单端电源供电时的电压升高却不能忽视。并联电抗器可将单端电源供电时的线路末端电压限制在允许范围内。’

单端电源供电的空载长线上发生不对称接地故障时，短路电流的互感效应将使得健全相的相电压更加升高。

式中 U、E分别为故障后健全相的相电压和故障前正常运行时的相电势：K(n)为不对称故障引起的电压升高系数；Kp为电容效应引起的工频电压升高系数。

当线路重负荷运行时，因某种原因(如发生短路)断路器跳闸甩负荷，由于线路上输送着相当大的有功及无功功率，因此甩负荷前电源电势必高于母线电压。根据磁链不变原理，甩负荷后电源暂态电势维持原值，由于空载线路的电容效应，使线路工频过电压升高更为严重。

并联电抗器用于补偿超高压线路的容性充电功率，有利于限制系统中工频电压的升高和操作过电压，降低超高压系统的绝缘水平：可以改善沿线电压分布，增加系统的稳定性和送电能力：并且改善轻负荷线路中的无功潮流，有利于降低有功损耗，防止电压升高，便于系统并网：有利于消除由于同步电机带空载长线出现的自励磁效应：加速潜供电流的熄灭。便于装设单相快速重合闸2。

功能220kV、110kV、35kV、10kV、500kV 3电网中的电抗器是用来吸收电缆线路的充电容性无功的。可以通过调整并联电抗器的数量来调整运行电压。超高压萨顿斯并联电抗器有改善电力系统无功功率有关运行状况的多种功能，主要包括：

（1）轻空载或轻负荷线路上的电容效应，以降低工频暂态过电压。

（2）改善长输电线路上的电压分布。

（3）使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡，防止无功功率不合理流动 同时也减轻了线路上的功率损失。

（4）在大机组与系统并列时 降低高压母线上工频稳态电压，便于发电机同期并列。

（5）防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。

（6）当采用电抗器中性点经小电抗接地装置时，还可用小电抗器补偿线路相间及相地电容，以加速潜供电流自动熄灭，便于采用单相自动重合闸。

特点1.削弱空载或轻载时长线路的电容效应所引起的工频电压升高。

(1)这种电压升高是由于空载或轻载时，线路的电容(对地电容和相间电容)电流在线路的电感上的压降所引起的。它将使线路电压高于电源电压。当愈严重，通常线路愈长，则电容效应愈大，工频电压升高也愈大。

(2)对超高压远距离输电线路而言，空载或轻载时线路电容的充电功率是很大的，通常充电功率随电压的平方面急剧增加，巨大的充电功率除引起上述工频电压升高现象之外，还将增大线路的功率和电能损耗以及引起自励磁，同期困难等问题。装设并联电抗器可以补偿这部分充电功率。

2.改善沿线电压分布和轻载线路中的无功分布并降低线损。

当线路上传输的功率不等于自然功率时，则沿线各点电压将偏离额定值，有时甚至偏离较大，如依靠并联电抗器的补偿，则可以仰低线路电压得升高。

3.减少潜供电流，加速潜供电弧的熄灭，提高线路自动重合闸的成功率。

(1)所谓潜供电流，是指当发生单相瞬时接地故障时，在故障相两侧断开后，故障点处弧光中所存在的残余电流。

(2)产生潜供电流的原因：故障相虽以被切断电源，但由于非故障相仍带电运行，通过相间电容的影响，两相对故障点进行电容性供电；由于相间互感的影响，故障相上将被感应出一个电势，在此电势的作用下通过故障点及相对地电容将形成一个环流，通常把上述两部分电流的总和称之为潜供电流。潜供电流的存在，使得系统发生单相瞬时接地短路处的潜供电弧不可能很快熄灭，将会影响单相自动综合闸的成功率。

(3)并联电抗器的中性点经小抗接地的方法来补偿潜供电流，从而加快潜供电弧的熄灭。

4.有利于消除发电机的自励磁。

当同步发电机带容性负载(远距离输电线路空载或轻载运行)时，发电机的电压将会自发地建立而不与发电机的励磁电流相对应，即发电机自励磁，此时系统电压将会升高，通过在长距离高压线路上接入并联电抗器，则可以改变线路上发电机端点的出口阻抗，有效防止发电机自励磁3。

5.提高电网功率因数

作用1、降低工频电压升高数值。

超高压输电线路一般距离较长，可达数百公里。由于线路采用分裂导线，线路的相间和对地电容均很大，在线路带电的状态下，线路相间和对地电容中产生相当数量的容性无功功率（即充电功率），且与线路的长度成正比，其数值可达200～300kvar，大容量容性功率通过系统感性元件（发电机、变压器、输电线路）时，末端电压将要升高，即所谓“容升”现象。在系统为小运行方式时，这种现象尤其严重。在超高压输电线路上接入并联电抗器后，可明显降低线路末端工频电压的升高。

2、降低操作过电压。

操作过电压产生于断路器的分、合闸操作，当系统中用断路器接通或切除部分电气元件时，在断路器的断口上会出现操作过电压，它往往是在工频电压升高的基础上出现的，如甩负荷、单相接地等均要产生工频电压升高，当断路器切除接地故障或接地故障切除后重合闸时，又引起系统操作过电压，工频电压升高与操作过电压叠加，使操作过电压更高。所以，工频电压升高的程度直接影响操作过电压的幅值。加装并联电抗器后，限制了工频电压升高，从而降低了操作过电压的幅值。

当开断带有并联电抗器的空载线路时，被开断线路上的剩余电荷沿着电抗器泄入大地，使断路器断口上的恢复电压由零缓慢上升，大大降低了断路器断口发生重燃的可能性，因此也降低了操作过电压。

3、避免发电机带空载长线路出现自励磁过电压。

当发电机经变压器带空载在长线路启动，空载发电机全电压向空载线路合闸，发电机带线路运行线路末端甩负荷等，都将形成较长时间发电机带空载线路运行，形成了一个L-C电路，当空载长线路电容C的容抗值Xc合适时，能导致发电机自励磁（即L-C回路满足谐振条件产生串联谐振）。

自励磁会引起工频电压升高，其值可达1.5～2.0倍的额定电压，甚至更高，它不仅使并网的合闸操作（包括零起升压）成为不可能，且其持续发展也将严重威胁网络中电气设备的安全运行。并联电抗器能大量吸收空载长线路上的容性无功功率，破坏发电机自励磁条件。

4、有利于单相重合闸。

为了提高运行可靠性，超高压电网中常采用单相自动重合闸，即当线路发生单相接地故障时，立即断开该线路，待故障处电弧熄灭后再重合该相。由于超高压输电线路间电容和电感（互感）很大，故障相断开短路电流后，非故障相电源（电源中性点接地）将经这些电容和电感向故障点继续提供电弧电流（即潜供电流），使故障处电弧难以熄灭。如果线路上并联三相Y形接线的电抗器，且Y形接线的中性点经小电抗器接地，就可以限制和消除单相接地处的潜供电流，使电弧熄灭，有利于重合闸成功。这时的小电抗器相当于消弧线圈。

应用实例由于东北电网500kV第二条大马路工程的相继运行。系统中需要解决无功补偿和降低工频过电压的问题尤为突出。在梨树变电站，由于投运初期，沙梨乙线还没有运行，变电站中的并联电抗器容量仪为3x 5万kvar，双梨乙线和梨合线正常运行时，500kV母线电压在540kV范围内变化，在轻负荷时经常出现550kV的较高电压。而后期由于沙梨乙线的投入运行，使母线电压持续运行在极限值550kv之间。为确保向华北电网送电的可靠性，面对较高的电压，不得不将双梨乙线停电，限制系统容性无功的增长，使双辽发电厂大量的电能不能及时送出，制约了东北地区电力资源的交换。

随着500kV和750kV输变电工程的建设与投运，并联电抗器已愈来愈呈现出不可替代的作用。并联电抗器投入容量的不足将直接成为电能输送的关键问题。2002年9月27日500kV沙梨乙线停电期间，由于并联电抗器的切除，使梨树变电站500kV母线电压由538kV上升为555kV，严重超出了母线允许电压的上限值(允许上限550kV)。调度部门在采取多方调整运行方式后仍未收到满意效果。在梨合线新建并联电抗器工程不能按期投产的情况下，使双辽发电厂两台30万kw机组不能达到满负荷运行条件。

梨合线新建电抗器投入使用后，500kV输电线并联电抗器的总容量达到30万kvar。经过一年的运行，没有出现母线电压超标的现象，在轻载时线路仍运行在规定值的范围内，使系统能够经济、稳定、可靠的运行。