防止过电压损坏66kV电容器的解决方法

1、前言

    浑河变1#电容器组是从日本日新引进的19kV、334kvar电容器，属于66kV系统浑河变的出口电压是69kV，因此，电容器经常是在 4～5%过电压下运行。又因规程规定，系统电压可以在±10%范围内变动。过电压5%时，69kV系统的电压是69×1.05=72.45kV，电容器上过电压72.45/19×2 =110.2%。这是上世纪80年代初期，66kV电容器的运行情况。因此，电容器投入运行没有多久，便出现套管闪络、熔丝群爆。进入90年代，除了两相熔丝群爆，全部熔断外，还有相纵差电流保护用的C二次过电压，击毁保护用的MOA，支持瓷瓶对架构放电等等。这种现象同样出现在电容器额定电压为20kV大成、繁荣、祁家和文成等变电所的66kV电容器组。损坏现象更为严重。因此，生产技术部提出“66kV电容器组保护方法的研究”。以EMP研究MOA防止过电压的功能。因为早在1983年已在红卫和孤家子两家变电所的10kV电容器组应用了MOA，红卫的MOA从1983年运行到近2000年，动作了三次，1994年11月20日一支发生爆炸，原因是阀片老化，没有及时更换之故。后来换上电科院的Y5WZ-16.5/45型 MOA，继续运行，因电容器停运，而停止运行。孤家子变的MOA，在1985年9月11日前动作次，1988年，雷雨季节期间，雷击损坏一支，停止运行。总的来说，电容器组应用MOA是成功的，并取得一定的经验，因此，防止过电压损坏66kV电容器的治本措施，关键是在MOA的接线方式和参数的计算选择法。以下就是这方面的论述。
    
2、MOA的接线方式

    星形中性点绝缘电容器组应用MOA的接线方式有两种典型的方式。

    2.1 相对地MOA的接线，称为接线I，如图1。

    MOA的功能是：

    A防止雷击过电压；
    B防止操作过电压；  

    A除了接线I的功能外，尚有：B单台电容器元件击穿，或熔丝熔断时，防止重燃过电压，亦即防止故障扩大引起的熔丝群爆和支持瓷瓶闪络等；C防止两相重燃过电压。

    MOA的接线II得到1984年美国麦克伦—爱迪生公司McGranaghan等认同[1]；“在电容器组相对中性点并接的MOA，能限制电容器端子残留电荷的过电压，使它低于相对地接线MOA的电压水平，并降低断路器的恢复电压.从而减少多次重燃的可能性。（这个结论得到美国电力公司和西屋公司 1990年在138kV电容器组上进行人工熔断熔丝试验证实[2]）.但这种接线不能限制断路器瞬间恢复电压（RV）的中性点对地高频分量。必要时，可以在中性点对地之间加入第四支MOA."MOA接线II降低相间和中性点的过电压问题，已由西安交大和太原钢铁厂在EMP模拟证实[3]。因此说，MOA接线II是防止电容器组各种过电压最佳的方案。
    
3、MOA参数的计算选择法

    目前国内选择MOA的参数有：最高连续运行电压（Umcov）、暂时过电压（UTOV）、额定电压（Ur）、方波通流（Irwc）.又因后者的计算必须先了解电容器组的释放能量（Ea）。因此，需先计算电容器组的释放能量，作为MOA的吸收能量，再计算MOA的方波通流。MOA参数的计算法繁多，这里只采用两种.一是文献[4]介绍国内的计算法，一是了解到的国外采用的计算法。因文献[4]介绍说:“国标规定，中性点非有效接地系统的MOA在动作负载试验中，紧接着两次大电流后，应耐受1.3UTOV、10s。因此，根据IEC的定义，MOA的额定电压应为1.3UTOV。即10kV为 1.3×12.7=16.5kV。”因此，采用两种方法同时进行，看哪一种计算结果与中能电力科技开发公司和西瓷所的MOA样本给出的MOA额定电压较为接近。另外是文献[4]的方波通流计算公式漏了一个时间值。这里加以补上，好得到真正的计算结果。MOA的计算公式和计算过程。
 
4、MOA参数的计算选择例子

    10kV、7500kvar和66kV、40000kvar电容器组应用MOA参数计算结果可以看出：（注：表中括号内的数值是JB/T5894-1991和DL/T801-2002两导则给出的方波通流。）

    （1） CIGRE WG33-06[5]和文献[6]计算MOA额定电压Ur的数值与中能电力科技开发公司和西瓷所的MOA样本给出表2 MOA额定电压相对比，完全吻合。

    （2） 文献[4]的方波通流计算公式，是1984年华东电管局供用电处培训班教材[8]首先提出的。选用MOA的8/20μS冲击残压（Ures）作为限制MOA放电电压，比文献[6]选用MOA特性曲线临界拐弯点电压（）作为限制放电电压，有一定的出入。如表2列出的四个型号MOA的 Ures都大于2.6Um，而则小于1.9Um。因此，得知选用Ures限制放电电压是在MOA特性曲线的拐弯点以上。属于MOA特性曲线的第二区的阻性电流区，MOA还在继续放电。但两者的计算结果，可能相差不大。原因是文献[8]选用的暂时预期过电压，相对地也选的不高。如10kV的MOA，从 UTOV降到Ures的电压差是11.4kV，而文献[6]则是13.1kV。将这些差峰值平方，再乘上1/2电容量，便是电容器组的放电能量。因此，文献[8]算出的方波通流也少些。从而看出，只要MOA的额定电压选的合理，方波通流也符合要求。

    （3） 采用文献[6]计算方波通流与JB/5894-1991[9]和DL/801-2002[10]两导则给出的表2括号内的数值比较，差的较大的是10kV的接线II和66kV的接线I。只是未能了解两导则的计算方法。 

5、小结

    5.1 MOA在并联电容器组应用的两种接线I和II已被DL/804-2002导则采纳。应以接线II为主，道理已在MOA的功能中详细的说明。

    5.2 需要指出的是，MOA采用两种接线时，串联电抗器必须串联在电容器组前端，MOA接在两者之间，避免串联电抗器影响MOA的动作。如果串联电抗器已接在电容器组中性点，在加装MOA时，最好串联电抗器也并联MOA。MOA的Ur取串联电抗器额定电压的1.5～1.8倍。方波通流与接线II 的相同。

    5.3 中性点对地采用MOA的Ur，取MOA接线II额定电压的80%左右。它的方波通流与接线II相同。

    5.4 66kV系统的MOA是分为两段与电容器并接的。因此，Ur=72kV，应改为Ur=2×36kV，Ures=186kV=2×93kV;40Mvar和30Mvar电容器组的MOA方波通流分别为800A和600A。

    5.5 66kV系统采用MOA的型号，中能电力开发公司是Y1.5WX-72/186.西瓷所则是Y1.5W-72/186。除了应用套管不同外，不知还有无其它区别，应用时，应向厂家询问清楚。

    5.6 根据表1右边的计算公式，同样可以算出35kV系统用的MOA参数。如35kV，20Mvar电容器组MOA接线II的参数是Ur=2×20kV和Irwe=760A。

    参考文献

    [1] M.F.Mcgranagha等Overtage Protection Of Shuntapacitor Bank Using MOA Arresters［M］. IEEE ransactions on PAS VOL.1984 PAS103.
    [2] J.E.arder等138kV Shunt Capactor Reseach BankDesign and Experience［M］. IEEE ransaotion on Power Delivery Vol.5. 1990. 337342.
    [3] 施围等EMP在四星接法MOA设计及其限压效果计算中的应用［J］，电瓷避雷器，1995（4
    [4] 唐艳波等MOA在并联电容器装置中的应用［J］电力电容器，2001（3）
    [5] Metal Oxide Surge arrestters in AC systems. Part3 and 6.By .CIGRE WG3306 《ELECRA》 1989～1990.
    [6] O.Nigol. Methods For Analyzing he Performance Of Gapless Metal Oxide Surge Arresters［同2］VOL.7. 1992， 1256～1264
    [7] ABB交流高压EXZIM型Zno避雷器选择导则［M］. 1991年.
    [8] 并联电容器用氧化锌避雷器，华东电网供用电培训教材《并联电容器补偿装置技术》1984年.
    [9] JB/58941991，交流无间隙金属氧化物避雷器使用导则.
    [10] DL/804～2002，交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则.