曾海涛，欧雄坚，胡少强

（1.广东电网公司肇庆高要供电局，广东肇庆526100；2.华南理工大学电力学院，广东广州510640）

并联电容器谐波放大引起的10 kV线路断路器跳闸事故的分析

曾海涛1，欧雄坚1，胡少强2

（1.广东电网公司肇庆高要供电局，广东肇庆526100；2.华南理工大学电力学院，广东广州510640）

针对某变电站10 kV馈线经常发生跳闸的情况，通过分析，认为其跳闸的原因是由于无功补偿装置中并联电容器组的串联电抗器参数设置不合理，在电网中的非线性负荷产生的谐波作用下，引起了并联电容器组的高次谐波电流放大而导致断路器跳闸，根据实际情况提出了解决的方案。

并联电容器；谐波放大；串联电抗器；断路器跳闸

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.030

0　引言

随着电网负荷的不断增大，并联电容器无功补偿装置也大量地投入使用，对提高电网的电能质量，改善功率因数以及降低线路损耗起到良好的作用。然而，在一些含有电镀、冶炼企业的地方电网中，因非线性谐波负荷的存在，导致了电网中的谐波污染日趋严重。由于无功补偿装置中并联电容器的投入会引起系统参数的变化，如参数设置不合理，在电网中谐波的作用下产生谐振而导致谐波放大，使电网出现谐振过电压或过电流现象，会严重危及到电网的安全运行。

1　事故现象

2013年初以来，高要某110 kV变电站的金联段10 kV馈线经常发生线路断路器跳闸而导致用户停电的故障，还发生了某台用户变压器的无功补偿电容经常损坏以及用户计量电表烧毁的现象，而且发生跳闸的情况多数是在两家工厂同时生产用电时才出现。经多次实地调查了解，排除了设备接地故障、大功率负荷的瞬间投入以及雷击等因素引起的断路器跳闸，初步断定是用电设备产生谐波引起的电网谐振过压和过流而导致的断路器跳闸。

金联10 kV馈线长度约为13.2 km，线路通过编号为96T1的户外断路器进行馈电，线路末端连接有电镀厂和冶炼厂。电镀厂有两台配电变压器，容量分别为315 kVA和500 kVA，主要用电设备为电镀整流设备，已安装了并联电容器无功补偿装置。冶炼厂有一台配电变压器，容量为2 800 kVA，主要用电设备为中频炉，也安装了并联电容器无功补偿装置。由此可见，两家工厂的负荷都属于非线性谐波负荷，相对于电网来说都是谐波的产生源。

2　原因分析

现场检查可见，两家工厂都装有并联电容器无功补偿装置。在工厂生产用电时，由于非线性负荷产生大量的谐波，如果并联电容器组和谐波源组成的电路满足谐振条件时，电容器的谐波容抗和系统谐波感抗的配合，造成注入谐波的并联谐振或串联谐振并将谐波成倍放大，使并联电容补偿装置中的电容器和串联电抗器产生谐波过电流、过电压和过负荷［1］。因此，高次谐波引起的电流放大会导致10 kV线路断路器跳闸。

金联10 kV馈线系统接线图如图1所示，线路的负荷主要有电镀厂和冶炼厂。由于谐波源主要位于负荷侧，可视其为谐波电流源［2-3］。因此，把其中的一个非线性负荷形成的谐波电流源用图2的系统简化等值图来表示。

图1　金联10 kV馈线系统接线图

图2　系统简化等值图

从电工理论可知，当电力系统局部电路中的感抗和容抗在谐波的作用下相等时会发生谐波谐振现象。从简化等值图电路图可得并联谐振的条件为：

其中：XL为基波感抗，XC为基波容抗，nh为谐波次数。

其中：ω1为基波角频率。

并联电路中的谐振阻抗为：

通常Rnh<

由（1）和（5）式可知，当发生谐振时电路的阻抗Znh趋向于无穷大。因此，当并联回路中有外加的谐波电流源作用时，由于Znh趋向无穷大，即使有少量的nh次谐波电流流入，都会引起回路两端的端电压U∙h无限地升高，导致在两支路中产生的电感电流和电容电流就会无限地增大，因而影响电容器的正常运行以及导致电容器的损坏，最终会引起线路电流过载发生故障。由此可见，由谐波引起的过电压和过电流将会对电网设备的安全运行造成危害。

故障调查时还了解到，在10 kV线路断路器过流跳闸故障发生时，很多时候都伴有电镀厂的315 kVA配电变压器的无功补偿并联电容器损坏的现象。针对这种情况，重点对电镀厂的315 kVA配变的无功补偿电容器组进行了测试。该配变的无功补偿电容器组有两组，型号为BK⁃MJ-0.45-30-3，测试数据如表1和表2所示。

从测试结果发现，当投入第2组电容器后并联谐振引起了较大的谐波电流，主要为7次谐波电流，达到了53A，该电流值超出了国家规定的注入公用连接点的谐波电流44A的允许值标准［4］。根据分析，这是因为在同一系统运行情况下，投入的电容器越多，谐振频率就越低。另外，若配变的容量小则其电感值就大，谐振频率也会越低。同时，由于两家工厂的用电负荷都属于非线性谐波负荷，对系统会注入谐波。在测试中注意到，当冶炼厂投入生产时，电网中的5、7、11次谐波分量就更大，实测的配变低压侧母线的电压总谐波畸变率THDi从4.3%变到5.2%。由此分析可判断，当投入第2组电容器后谐振频率在7次附近造成了流入电网和电容器的谐波严重放大。由于电镀厂的315 kVA配电变压器的无功补偿并联电容器之前的谐波电流已经超过允许值标准，在冶炼厂投入用电后，其注入电网的谐波加剧了配变低压端谐波电流的变化，导致315 kVA配电变压器的无功补偿电容器的损坏，从而引起线路电流过载发生故障，导致了线路短路器跳闸。

表1315　R kVA配变低压侧谐波电流测量值

表2315　R kVA配变无功补偿电容谐波电流测量值

3　对策措施

针对电容器的谐波放大引起的10 kV线路断路器跳闸的情况，在分析了上述故障后采取了以下的对策和措施。

（1）装设交流滤波器，防止谐波源向系统注入谐波电流。现场主要是装设针对7次谐波源的单调滤波器，通过在配变低压母线端装设滤波器来抑制谐波产生，使注入系统的谐波降到最低的程度，从而减少谐波引起的谐振发生。

（2）合理选择补偿电容器支路中串联电抗器的电抗率［5］。主要是减小或抑制7次谐波电流放大，但同时不引起其它谐波电流放大较多。根据《并联电容器装置设计规范》［6］要求，用于抑制5次及以上谐波时，电抗率可取4.5%～6%；用于抑制3次及以上谐波时，电抗率可取12%。本例的315 kVA配电变压器的无功补偿并联电容器中串联电抗器的电抗率由原来的4.5%调整到6%。通过串联电抗率的合理选择，使电容器支路对某次谐波呈感性电抗，避免了谐振及谐波放大的可能。

（3）对于冶炼厂的可控硅整流电弧炉这些非线性负荷，由于它们产生大量的谐波电流注入电网，是高次谐波主要产生源，有条件最好采用增加整流相数的方法，改造整流变压器，把6脉冲整流器改造成12脉冲整流器，通过增加其脉冲数来降低谐波源谐波电流含量。本案因冶炼厂家要增加设备投资的关系而未能进行实施，只是增加了交流滤波器。

通过采取了上述的措施后，该10 kV线路再没有出现断路器跳闸以及315 kVA配电变压器的无功补偿电容损坏和计量电表烧坏的现象，保证了电网的安全运行和提高了供电的可靠性。

4　结束语

通过上述10kV馈线断路器跳闸事故的分析可知，并联电容器作为无功补偿设备接入电力系统后，在电网非正弦用电没备谐波源的作用下产生高次谐波电流。无功补偿电容器组投入后，因电容器组容抗和系统等效电路感抗构成并联振条件造成了7次谐波放大而导致线路断路器跳闸。因此，对于一些含有较大的非线性负载的城乡配电网，在无功补偿装置设置时，要考虑电容器组容抗和系统等效电路感抗之间可能发生谐振现象，合理选择补偿电容器支路中串联电抗器的电抗率，避开可能发生谐振放大的阻抗值，抑制电网谐波和电容器的谐波放大，以保证电网的正常稳定运行和安全运行。

［1］史承逵.电网电容器组谐波谐振和谐波放大的研究［J］.电力自动化设备，2001，21（7）：36-38.

［2］王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿：第2版［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［3］付伟，韩翔宇.并联电容器装置在谐波环境中的应用［J］.电力电容器与无功补偿，2012，33（6）：17-21.

［4］GB/T14549-93.电能质量公用电网谐波标准［S］.

［5］陶梅，江钧祥.串联电抗器及其电抗率的选取［J］.电力电容器与无功补偿，2010，31（3）：58-61.

［6］GB 50227-95.并联电容器装置设计规范［S］.

（编辑：向飞）

Fault Analysis of 10kV Line Breaker Tripping Caused by Shunt Capacitor Harmonic Amplification

ZENG Hai-tao1，OU Xiong-jian1，HU Shao-qiang2
（1.Zhaoqing Gaoyao Electric Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Company，Zhaoqing526100，China；2.College of Electrical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China）

A deliberated study finds that the cause for feeder frequent tripping in a 10kV substation is the unreasonable parameter settings of series reactors in shunt capacitor banks of reactive power compensation device.Thus high harmonic currents in shunt capacitors are amplified by the effect of non-linear loads power system which results in the break tripping.The paper further proposes practical resolutions to the problems.

shunt capacitors；harmonic currents amplification；series reactors；break tripping

TM63

B

1009-9492（2015）01-0108-04

2014-08-13

曾海涛，男，1976年生，广西合浦人，硕士，工程师。研究领域：电力营销管理及电网运行等。