摘要：对于存在有3次谐波源的变电站，以往的经验都是采用12%或13%电抗率的并补装置，这种设计虽然可以抑制3次谐波放大，但电抗器成本很高，而且基波无功输出只有电容器标称容量的70%-80%，同时当选择真空开关开断电容器组容易产生截流从而对较大的电感会产生更高的过电压进而损坏电容器。当变电站采用多组电容器方案时，可以保留一组电容器为12%电抗率以抑制3次谐波放大或调谐到3次附近以吸收3次谐波，其他电容器组则可以根据谐波源特点设计成3次以上的滤波器,这样在不增加成本的情况下可以使变电站的单纯无功补偿方案变成滤波兼补偿方案,使变电站母线的电压畸变率显著降低.
叙词:谐波、电抗率、电压畸变率、开关
1. 前言
　　惠农220kV变电站主要给电铁及高耗能的硅铁、电石炉供电。电铁负荷具有典型的3、5、7、11次等特征的谐波，而电弧炉负荷的特征谐波为2、3、4、5次低频普谐波。按照设计规范，惠农变35kV并联装置采用的是12%电抗率的方案，其目的是抑制3次及以上谐波放大。由于投运后频繁发生电容器投不上甚至多次烧毁及投运过程中35kV接地变烧毁的事故，为此我们对惠农变进行了全面的谐波普测及开关截流和重燃的测试研究，在对测试数据进行研究分析的基础上，针对电压畸变率主要为5次谐波贡献的特点，提出了将部分12%电抗率并补装置改造成5次滤波器的电容器改造方案，同时对投切电容器的开关存在的截流及重燃现象采取相应的防范措施，经过改造后，从05年5月至今，惠农变电容器组运行稳定，且变电站各段母线的电压总畸变率得以显著降低。
2. 改造前的数据分析
　　惠农变主要由3台150MVA的主变组成，有110kV及35kV两个二次绕组，220kV母线最大短路容量为6610MVA，最小短路容量为3240MVA。由于三组变压器性能是一致的，我们选择其中的1台主变进行电容器改造研究。对惠农变各侧的谐波测试分析结果如表一：

因此将所有电容器按12%配置在造成电抗器成本很高的同时还造成了总体效率降低（一般6%电抗率的有效输出为87.9%）。另一方面，惠农变35kV电容器组所用的投切开关为真空开关，真空开关在切断负荷时容易产生截流从而产生操作过电压，其操作过电压为：

从式中看出，操作过电压除了与电流的突变量有关外，还与回路电感有关，因此电抗率越大，电感就越大，从而过电压也越高，我们对4#电容器开关进行了4次分闸录波试验，试验结果见图1。从中看到了明显的截流现象以及由于截流过电压出现的重燃现象。综合谐波测试及开关试验，可以判断惠农变电容器损坏主要原因是开关的截流及重燃，因为开关截流造成的过电压对12%电抗率更加严重。而谐波水平虽然不足以损坏电容器，但为了防止3次谐波放大而全部采用12%电抗器的配置从技术经济方面并非最佳选择。

图1.  4号电容器4次分的暂态波形记录与分析
3. 改造方案及谐波计算
针对惠农变存在的问题，首先要解决的是由于开关截流造成的操作过电压从而容易损坏电容器的问题。解决的方案有两种，一是更换所有的真空开关为SF6开关，二是在电抗器两端加装并联过电压阻尼器。由于更换开关需要花费较大成本，所以并接带真空间隙的过电压阻尼器是比较可行的方案，过电压阻尼器的原理见图2。当由于开关截流或重燃产生过电压时，作用在串联电抗器上的电压超过真空间隙的击穿电压，真空间隙击穿放电，便将与其串联的电阻器接入回路，该电阻器能消耗电磁振荡能量，阻尼回路的过渡过程，从而抑制电容器及电抗器上的过电压，在过渡过程结束时，作用在真空间隙上的电压降低，间隙切断不再影响电容器组的正常工作。

由于惠农变4#主变所装的二组10Mvar并补装置中有一组已第三次损坏了，因此需重上一组。在原有电容器组已有一组12%电抗率能抑制3次谐波放大的前提下，决定将损坏的一组电容器改造成5次滤波器，其运行的条件是5次谐波器投运时，必须最少有一组12%电抗率的电容器在同时运行。为了运行维护方便，滤皮器的电容器部分与原有电容器一致即同为BFMH44/√3-1W，但对其额定电压及电流进行了校核：


此值不小于电容器131A的额定电流并留有裕度。根据上述计算，把原有电容器组除了留一组保持12%电抗率的配置外，其余或新增电容器组可以直接改造成5次滤波器，只需把电抗率换成相当于4%电抗率的滤波电抗器即可。
为了校验改造后电容器对其它次数谐波的影响，我们按图3的谐波计算原理图对安装滤波器后滤波器加并补与系统构成的网络的频率阻抗特性进行研究。其中图3（a）为35kV侧谐波及110kV侧谐波同时影响时的谐波计算原理图；图3（b）为按照叠加原理35kV侧谐波单独作用时的谐波计算原理图；图3（c）为按照叠加原理110kV侧谐波单独影响时的谐波计算原理图。图中L1,L2,L3根据150MVA主变各绕组间的阻抗电压百分数计算得出，其中U12(%)=14.71%,U13(%)=24.33%,U23(%)=7.47%，另外35kV侧还串联了一个工频阻抗为0.269Ω的限流电抗器。


校验是否存在某次谐波会产生危险的放大主要是从谐波电流源作为入端看进去[图3（b）及（c）中的a、b两点]，电容器组（包括滤波器）与系统构成的网络在该次谐波频率下的等值阻抗与切除所有电容器组后的等值阻抗比值的绝对值，如果大于1则会产生谐波放大。利用计算机进行仿真分析的结果，图4为按图3（b）得出的频率阻抗曲线，图5为按图3（c）得出的频率阻抗曲线，图中直线为无电容器时的系统频率阻抗曲线。从中看出5次及以上频率不会产生谐波放大，3次由于有12%电抗率的电容器组也不会产生谐波放大，但2次及4次有少许的放大，因为2次及4次谐波电流不大，虽有所放大也不造成太大的影响。


4. 投运后的效果分析
滤波器投运后，对4#主变的各侧谐波水平进行了测试，表二列出了投入滤波器前后最大前四次谐波的对比数据。从表二中看出，投入5次滤波器后，变压器各侧5次电压畸变率显著降低，总电压畸变率也有明显的下降，尤其从35kV侧的数据看，投入滤波器后流入35kV侧的5次谐波电流从投运前的11.15A增到33.65A，说明整个系统中5次谐波电流都从35kV母线流入了滤波器，其滤波效果是显著的。

5. 调试过程中所遇到的问题及解决方法
滤波器调试结束首次试投运进时，开关合闸不到一分钟时，从开关柜连接到滤波装置的35kV电缆的电缆头发生爆炸，由于是投入后短时间内发生故障，且故障发生后检查滤波装置中的电容器、电抗器、放电线圈等主要部件都完好无损，据此我们初步判断是操作过电压所至，该组滤波器是从原来已发生过三次故障的电容器组改造而成，由于保留了原有其它部件而只更换了电容器及电抗器且新更换的电容器在设计时已在工作场强上增加了裕度，加上滤波装置投运时由于过电压阻尼器缺货未安装，所以在操作过电压作用下这次电容器没有损坏而是绝缘薄弱的电缆头被击穿。为此我们对35kV真空开关的合闸弹跳进行了试验，通过合闸后录取的电流波形证实该开关存在严重的弹跳现象，而开关的合闸弹跳会产生重燃从而在关合电容器时产生操作过电压。通过更换开关及安装过电压阻尼器，最终消除了操作过电压问题，滤波装置得以安全投入运行。
6. 结论
通过宁夏220kV惠农变电站并联电容器装置改造为滤波装置的实践证明将原有并补装置改造为滤波装置是可行的。过去设计并补装置时，往往对于抑制5次及以上谐波就采用6%电抗率，抑制3次及以上谐波则串12%电抗器，这样的方案往往成本高而又不能降低谐波水平。事实上，从抑制谐波的角度考虑，只需少部分容量的电容器用来调谐到较低频率的谐波上来抑制其放大就够了，其余容量的电容器就可以串较低电抗率的电抗器或者设计成滤波兼补偿装置，这对大容量的并补装置更具优越性。