CN220190473U - 一种新型电容器串联补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及输电网及配电网电压质量控制领域，具体的说是一种新型电容器串联补偿装置，连接在输配电线路上的投切操作开关、供电及传感单元、过电压保护单元、电容器组C及控制器。与传统的电容器串联补偿装置相比，本实用新型对电容器组的过电压保护方法进行了革新，采用自耦变压器BK和旁路断路器CB代替传统的放电间隙、氧化锌限压器、放电阻尼设备、电力电子开关或快速断路器。另外，自耦变压器BK的第三绕组N3兼做电压互感器及电容器组的放电线圈，用于在电网正常工作状态下监测电容器组内部故障，在串补负载侧短路状态下限制旁路断路器CB合闸时电容器组的放电电流及抑制其高频振荡。
Description
技术领域
本实用新型涉及输电网及配电网电压质量控制领域，具体说是一种新型电容器串联补偿装置，适用于750kV及以下的交流输配电网。
背景技术
由于电力***特高压输电的发展，需要采用电容器串补装置提高长输电线路的传输能力和稳定性；目前大容量降压变大多采用高短路阻抗变压器，导致下一级电网的电压波动较大，采用电容器串联补偿可以避免主变压器有载分接开关的频繁调节和伴随的无功穿越；对于输送距离较长的配网馈电线路也有采用电容器串补装置补偿电压无功损耗的需求。
电力***中，传统高压、特高压或配网级的电容器串联补偿装置的过电压保护***非常复杂。例如CN109066714A、CN109066720A、CN203536971U、CN204271652U、CN104882881A等专利及国标GB/T6115.2-2017(电力***用串联电容器第2部分串联电容器组用保护设备)对串补装置的描述，表明其过电压保护***一般包括触发导通旁路间隙、放电限流阻尼设备、氧化锌限压器、旁路开关(快速开关装置、接触器或可控硅组件)等。
在串补线路负载端发生短路故障时，要求对串补电容器组两端数倍于正常运行电压的暂态工频过电压进行限制，该工频过电压的持续时间可达数秒，这对过电压保护器中的氧化锌限压器MOV的能容要求很高，即使多组金属氧化物阀片并联运行也只能坚持数十毫秒，所以还必须同时配置放电间隙及快速合闸断路器或电力电子开关。
由于氧化锌限压器MOV中的金属氧化物阀片的电阻具有负温度系数特性，使得多组阀片并联时的均流非常困难，多组并联对阀片电阻特性的一致性要求极高，导致MOV的质量控制很困难，制造成本和运行的故障率很高。也就是说，即使是数十毫秒的短时支撑，MOV也并非理想的工频过电压限制器。
放电间隙在工频过电压的作用下会严重烧蚀，从而增加运行维护成本；同时户外气候条件也会明显影响放电间隙的放电特性，从而导致其过电压保护特性不稳定。
作为工频过电压后备保护的快速合闸断路器并非常规产品，需要特殊制造，而对合闸时间的苛刻要求导致断路器的工作可靠性及稳定性下降。采用电力开关可替代上述断路器，但这又将导致技术复杂性及整体成本的大幅度上升。
总之，放电间隙、氧化锌限压器MOV、快速合闸特性的断路器或电力电子开关将大幅度推高串补装置成本、降低串补装置可靠性，高成本和高故障率也将严重影响串补在电力***的推广应用。因此，亟需对传统过电压保护方法进行革新，以大幅提高电容器串联补偿装置的可靠性并降低成本。
实用新型内容
针对现有技术中的问题，本实用新型提供了一种新型电容器串联补偿装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型电容器串联补偿装置，整个装置由连接在输配电线路上的投切操作开关、供电及传感单元、过电压保护单元、电容器组C及控制器组成。
具体的，所述投切操作开关包括第一隔离开关GK1、第二开关GK2和第三隔离开关GK3，且所述第二开关GK2可以是隔离开关，也可以是常规断路器。
具体的，所述供电及传感单元包括电压互感器TV1)、电压测量绕组TV2及电流互感器CT)；
所述过电压保护单元包括自耦变压器BK及旁路断路器CB，所述自耦变压器BK为特制的饱和电抗器，其铁芯结构为分相的闭合铁芯，各相包含有第一绕组N1、第二绕组N2以及一个测量用的第三绕组N3，第一绕组N1的末端和第二绕组N2的首端连接，第一绕组N1的首端和第二绕组N2的首端是同名端，第一绕组N1的首端及第二绕组N2的末端分别与电容器组C的进线端和出线端连接；
旁路断路器CB为常规断路器，该断路器与第二绕组N2并联连接
所述电压测量绕组TV2为自耦变压器BK的第三绕组N3。
具体的，所述电容器组C为三相电容器。
具体的，所述控制器可为智能控制单元或模拟控制单元。
新型电容器串联补偿装置在运行过程的三种状态；
第一、当电网正常运行状态：
第一隔离开关GK1及第三隔离开关GK3处于闭合状态，第二开关GK2及旁路断路器CB处于分闸状态；
电容器组两端的电压Uc≤Un，Un为电容器组的额定电压；
在Uc电压作用下，自耦变压器BK工作在曲线的I段，处于非饱和状态即高阻抗状态，流经自耦变压器BK，第一绕组N1、第二绕组N2中的激磁电流小于1.0A；
此时，电容器组C将根据负荷电流的变化实现线路电压的自动补偿；
第二、串补负载侧短路状态：
一旦串补装置负载侧发生短路故障，线路电流急剧增大导致Uc高于电容器组的额定电压Un，此时流经自耦变压器BK的电流i也随Uc的上升而同步上升，当i增大到Is时，自耦变压器BK进入饱和区域，工作在曲线的II段即低阻抗状态，此时电容器组C两端电压不再线性上升，而是以较为平缓的速度缓慢上升，直到接近线路最大短路电流Imax对应的饱和电压Up1；
为确保电容器组的安全，这里的Upl应明显低于电容器组可以承受的极限电压Ulim；
在此过程中，控制器通过监测电流互感器CT中的电流，快速判断串补负载侧是否出现短路，若电流超过预设的阈值，则控制旁路断路器CB合闸将自耦变压器BK的第二绕组N2旁路，此时仅有第一绕组N1处于激磁状态，由于第一绕组N1的匝数远远小于第二绕组N2匝数，自耦变压器BK将推退出饱和，工作于曲线的III段；
采用旁路断路器CB可成倍降低第二绕组N2的短路电流热稳定要求，可采用较细的导线绕制，从而大幅度降低自耦变压器BK的制造成本；
采用第一绕组N1在旁路断路器CB合闸时，对电容器组C的放电电流进行阻尼以消除对电容器及断路器可能的冲击损伤；
第三、串补检修状态：
先将旁路断路器CB置于合闸状态，然后将第二开关GK2合闸，随后将第一隔离开关GK1及第三隔离开关GK3分闸；
串补装置退出运行，挂接地线后即可对串补装置进行检修维护。
本实用新型的有益效果：
本实用新型所述的一种新型电容器串联补偿装置，采用自耦变压器BK及旁路断路器CB实现了电容器组C两端的工频过电压保护。采用比较容易制造的大能容的自耦变压器的空载饱和特性代替昂贵且故障率高的放电间隙、氧化锌限压器MOV、阻尼装置及快速断路器或电力电子开关，同时省去了通常并联在电容器两端用于放电线圈和不平衡电压保护的电磁式电压互感器。极大简化接线并缩减元器件数量，使串补装置工频过电压保护成本显著降低，并大幅度提高了产品运行的可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型提供的新型电容器串联补偿装置原理接线图；
图2为本实用新型提供的新型电容器串联补偿装置中自耦变压器BK的工频过电压保护特性示意图。
图中：1、投切操作开关；11、第一隔离开关GK1；12、第二开关GK2；13、第三隔离开关GK3；2、供电及传感单元；21、电压互感器TV1；22、电压测量绕组TV2；23、电流互感器CT；3、过电压保护单元；31、自耦变压器BK；32、旁路断路器CB；4、电容器组C；5、控制器。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
如图1和图2所示，本实用新型所述的一种新型电容器串联补偿装置，整个装置由连接在输配电线路上的投切操作开关1、供电及传感单元2、过电压保护单元3、电容器组C4及控制器5组成。
具体的，投切操作开关1包括第一隔离开关GK111、第二开关GK212和第三隔离开关GK313，且第二开关GK212可以是隔离开关，也可以是常规断路器。
具体的，供电及传感单元2包括电压互感器TV121、电压测量绕组TV222及电流互感器CT23；
过电压保护单元3包括自耦变压器BK31及旁路断路器CB32，自耦变压器BK31为特制的饱和电抗器，其铁芯结构为分相的闭合铁芯，各相包含有第一绕组N1、第二绕组N2以及一个测量用的第三绕组N3，第一绕组N1的末端和第二绕组N2的首端连接，第一绕组N1的首端和第二绕组N2的首端是同名端，第一绕组N1的首端及第二绕组N2的末端分别与电容器组C4的进线端和出线端连接；
旁路断路器CB32为常规断路器，该断路器与第二绕组N2并联连接
电压测量绕组TV222为自耦变压器BK31的第三绕组N3；
该绕组可用于监测在电网正常运行时电容器组C4两端的电压。
具体的，电容器组C4为三相电容器；
当电容器组4投入运行时，旁路断路器CB32处于分闸状态，自耦变压器BK31空载运行，以电压互感器模式工作。当串补线路发生短路时，电容器组C4两端的工频过电压超过自耦变压器的饱和电压后，自耦变压器以饱和电抗模式工作，限制电容器组两端的暂态过电压；经过预设的延时后，旁路断路器CB32合闸，自耦变压器BK31的短路阻抗构成限流电抗器和阻尼电阻，限制电容器的放电电流及其高频振荡。
具体的，控制器5可为智能控制单元或模拟控制单元。
本装置采用自耦变压器BK31及旁路断路器CB32来实现电容器组C4两端的工频过电压保护。自耦变压器BK31由N1、N2及N3三个绕组构成，其中N1、N2为工频过电压保护绕组，N3为测量绕组，用于电容器内部故障时的不平衡电压监测。旁路断路器CB32采用常规断路器即可，不需要采用快速断路器，它受控于控制器5，电压互感器TV121给控制器5及旁路断路器CB32的操作机构供电；
图2中的Upl：保护水平，电力***故障期间出现在过电压保护器两端的工频电压的最大峰值；
Ulim：电容器组两端能承受的暂态过电压的极限峰值；
Us：自耦变压器空载时的饱和电压起始值；
Is：自耦变压器空载时的饱和激磁电流；
Imax：电容器串联补偿装置安装点的短路故障电流最大值；
I：无短路故障正常运行，自耦变压器空载工作模式伏-安特性线段；
II：短路故障，自耦变压器空载时的饱和工作模式伏-安特性线段；
III：旁路断路器合闸，自耦变压器短路工作模式伏-安特性线段；
P：自耦变压器空载激磁电压的起始饱和点，OP为I段即电压互感器模式的V-A特性。
当电网正常运行状态：
第一隔离开关GK111及第三隔离开关GK313处于闭合状态，第二开关GK212及旁路断路器CB32处于分闸状态。电容器组两端的电压Uc≤Un，Un为电容器组的额定电压。在Uc电压作用下，自耦变压器BK31工作在蓝色曲线的I段，处于非饱和状态即高阻抗状态，流经自耦变压器BK31N1、N2绕组中只有很小的激磁电流<10A。此时，电容器组4将根据负荷电流的变化实现线路电压的自动补偿。
串补负载侧短路状态：
一旦串补装置负载侧发生短路故障，线路电流急剧增大导致Uc高于电容器组4的额定电压Un，此时流经自耦变压器BK31的电流i也随Uc的上升而同步上升，当i增大到Is时，自耦变压器BK31进入饱和区域，工作在图2中曲线的II段即低阻抗状态，此时电容器组C4两端电压不再线性上升，而是以较为平缓的速度缓慢上升，直到接近线路最大短路电流Imax对应的饱和电压Upl。为确保电容器组的安全，这里的Upl应明显低于电容器组可以承受的极限电压Ulim。在此过程中，控制器5通过监测电流互感器CT23中的电流，快速判断串补负载侧是否出现短路，若电流超过预设的阈值，则控制旁路断路器CB32合闸将自耦变压器BK31的N2绕组旁路，此时仅有N1绕组处于激磁状态，由于N1绕组的匝数远远小于N2绕组匝数，自耦变压器BK31将推退出饱和，工作于图2中的曲线即III段。采用旁路断路器CB32的好处是：成倍降低N2绕组的短路电流热稳定要求，可采用较细的导线绕制，从而大幅度降低自耦变压器BK31的制造成本。而采用N1绕组的好处则是：在旁路断路器CB32合闸时，对电容器组C4的放电电流进行阻尼以消除对电容器及断路器可能的冲击损伤。
串补检修状态：
操作步骤为：先将旁路断路器CB32置于合闸状态，然后将第二开关GK212合闸，随后将第一隔离开关GK111及第三隔离开关GK313分闸。至此，串补装置退出运行，挂接地线后即可对串补装置进行检修维护。
可见，采用自耦变压器BK31及旁路断路器CB32实现了电容器组C4两端的工频过电压保护。优势在于，采用比较容易制造的大能容的自耦变压器的空载饱和特性代替昂贵且故障率高的放电间隙、氧化锌限压器MOV、阻尼装置及快速断路器或电力电子开关，同时省去了通常并联在电容器两端用于放电线圈和不平衡电压保护的电磁式电压互感器。极大简化接线并缩减元器件数量，使串补装置工频过电压保护成本显著降低，并大幅度提高了产品运行的可靠性。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型要求保护的范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种新型电容器串联补偿装置，其特征在于，整个装置由连接在输配电线路上的投切操作开关(1)、供电及传感单元(2)、过电压保护单元(3)、电容器组C(4)及控制器(5)组成。
2.根据权利要求1所述的一种新型电容器串联补偿装置，其特征在于：所述投切操作开关(1)包括第一隔离开关GK1(11)、第二开关GK2(12)和第三隔离开关GK3(13)，且所述第二开关GK2(12)是隔离开关或常规断路器。
3.根据权利要求1所述的一种新型电容器串联补偿装置，其特征在于：所述供电及传感单元(2)包括电压互感器TV1(21)、电压测量绕组TV2(22)及电流互感器CT(23)；
所述过电压保护单元(3)包括自耦变压器BK(31)及旁路断路器CB(32)，所述自耦变压器BK(31)为特制的饱和电抗器，其铁芯结构为分相的闭合铁芯，各相包含有第一绕组N1、第二绕组N2以及一个测量用的第三绕组N3，第一绕组N1的末端和第二绕组N2的首端连接，第一绕组N1的首端和第二绕组N2的首端是同名端，第一绕组N1的首端及第二绕组N2的末端分别与电容器组C(4)的进线端和出线端连接；
旁路断路器CB(32)为常规断路器，该断路器与第二绕组N2并联连接
所述电压测量绕组TV2(22)为自耦变压器BK(31)的第三绕组N3。
4.根据权利要求1所述的一种新型电容器串联补偿装置，其特征在于：所述电容器组C(4)为三相电容器。
5.根据权利要求1所述的一种新型电容器串联补偿装置，其特征在于：所述控制器(5)可为智能控制单元或模拟控制单元。
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