並聯電抗器

用電負載大多數為感性，當感性負載較大時會削弱或消除這種線路的末端電壓升高現象。但負載是在隨時變化的，當負載較小或末端開路時就會出現這種工頻過電壓。工程中解決這一問題的常用方法是在線路中並聯電抗器，即並聯電感。由於電感與電容具有相位反相的特點，因此，電抗器的投入將補償線路的容性效應，限制系統中工頻電壓的升高。電抗器可以分散佈置在線路中．也可以集中放置在首端和末端。並聯電抗器是接在高壓輸電線路的大容量電感線圈。其容量要根據線路電容和負載情況進行計算設計。在系統中裝設並聯電抗器的台數及容

量的大小是根據系統中線路參數、運行條件及運行方式決定的。為了避免與線路電容形成並聯諧振，合理選擇電抗器的容量顯得十分重要。

從圖1所示的電路中可以看出，若在Z₂上並聯一個電感便可以削弱上面提到的電容效應，如果電抗值等於Z₂的電納或使其發生並聯諧振，則電容效應被完全消除，該並聯電路的電感與電容交換能量，不與外電路交換無功，若忽略線路的漏電導，則該並聯迴路不從外電路獲取電流，不影響其它電路，當然也就不會使負載電壓升高，因此時線路和負載均為感性。

然而，這種諧振狀態在實際中也是應該避免的，因為電抗器不可能沒有電阻，所以其對外電路肯定會有影響，最直接的影響是增加線路、特別是電抗器的損耗，嚴重時會損壞電抗器。在設計並聯電抗器的容量時，除考慮限制工頻過電壓之外，還涉及到系統的穩定、無功功率平衡、自激電壓和諧振等問題。因此電抗器的容量選擇與安裝方式要根據系統的結構、參數、運行情況等因素確定方案 ^[1]  。

超(特)高壓、長距離輸電線路，一般需要考慮線路的分佈參數特性。輸電線路長線方程如下：

式中

為輸電線首、末端的電壓、電流矢量；

為線路的波阻抗；

為輸電線路的傳輸常數；

為線路長度；L、C、R、G分別為單位長度線路的電感、電容、電阻、對地漏電導。

在單端電源空載長線路電容效應下，可得沿線電壓表達式：

式中，x為線路上任一點距線路末端的距離；k為電壓升高係數，對於超（特）高壓線路，k一般大於1，並在線路末端電壓達到最大值。

雙端電源供電情況下的沿線電壓表達式為：

分析計算可知，雙端電源供電的空載長線中點電壓最高。在一般線路長度情況下，雙端電源供電的空載線路沿線電壓升高並不嚴重，而單端電源供電時的電壓升高卻不能忽視。並聯電抗器可將單端電源供電時的線路末端電壓限制在允許範圍內。’

單端電源供電的空載長線上發生不對稱接地故障時，短路電流的互感效應將使得健全相的相電壓更加升高。

式中 U、E分別為故障後健全相的相電壓和故障前正常運行時的相電勢：K⁽ⁿ⁾為不對稱故障引起的電壓升高係數；K_p為電容效應引起的工頻電壓升高係數。

當線路重負荷運行時，因某種原因(如發生短路)斷路器跳閘甩負荷，由於線路上輸送着相當大的有功及無功功率，因此甩負荷前電源電勢必高於母線電壓。根據磁鏈不變原理，甩負荷後電源暫態電勢維持原值，由於空載線路的電容效應，使線路工頻過電壓升高更為嚴重。

並聯電抗器用於補償超高壓線路的容性充電功率，有利於限制系統中工頻電壓的升高和操作過電壓，降低超高壓系統的絕緣水平：可以改善沿線電壓分佈，增加系統的穩定性和送電能力：並且改善輕負荷線路中的無功潮流，有利於降低有功損耗，防止電壓升高，便於系統併網：有利於消除由於同步電機帶空載長線出現的自勵磁效應：加速潛供電流的熄滅。便於裝設單相快速重合閘 ^[2]  。

1.削弱空載或輕載時長線路的電容效應所引起的工頻電壓升高。

(1)這種電壓升高是由於空載或輕載時，線路的電容(對地電容和相間電容)電流在線路的電感上的壓降所引起的。它將使線路電壓高於電源電壓。當愈嚴重，通常線路愈長，則電容效應愈大，工頻電壓升高也愈大。

(2)對超高壓遠距離輸電線路而言，空載或輕載時線路電容的充電功率是很大的，通常充電功率隨電壓的平方面急劇增加，巨大的充電功率除引起上述工頻電壓升高現象之外，還將增大線路的功率和電能損耗以及引起自勵磁，同期困難等問題。裝設並聯電抗器可以補償這部分充電功率。

2.改善沿線電壓分佈和輕載線路中的無功分佈並降低線損。

當線路上傳輸的功率不等於自然功率時，則沿線各點電壓將偏離額定值，有時甚至偏離較大，如依靠並聯電抗器的補償，則可以仰低線路電壓得升高。

3.減少潛供電流，加速潛供電弧的熄滅，提高線路自動重合閘的成功率。

(1)所謂潛供電流，是指當發生單相瞬時接地故障時，在故障相兩側斷開後，故障點處弧光中所存在的殘餘電流。

(2)產生潛供電流的原因：故障相雖以被切斷電源，但由於非故障相仍帶電運行，通過相間電容的影響，兩相對故障點進行電容性供電；由於相間互感的影響，故障相上將被感應出一個電勢，在此電勢的作用下通過故障點及相對地電容將形成一個環流，通常把上述兩部分電流的總和稱之為潛供電流。潛供電流的存在，使得系統發生單相瞬時接地短路處的潛供電弧不可能很快熄滅，將會影響單相自動綜合閘的成功率。

(3)並聯電抗器的中性點經小抗接地的方法來補償潛供電流，從而加快潛供電弧的熄滅。

4.有利於消除發電機的自勵磁。

當同步發電機帶容性負載(遠距離輸電線路空載或輕載運行)時，發電機的電壓將會自發地建立而不與發電機的勵磁電流相對應，即發電機自勵磁，此時系統電壓將會升高，通過在長距離高壓線路上接入並聯電抗器，則可以改變線路上發電機端點的出口阻抗，有效防止發電機自勵磁 ^[3]  。

5.提高電網功率因數

1、降低工頻電壓升高數值。

超高壓輸電線路一般距離較長，可達數百公里。由於線路採用分裂導線，線路的相間和對地電容均很大，在線路帶電的狀態下，線路相間和對地電容中產生相當數量的容性無功功率（即充電功率），且與線路的長度成正比，其數值可達200～300kvar，大容量容性功率通過系統感性元件（發電機、變壓器、輸電線路）時，末端電壓將要升高，即所謂“容升”現象。在系統為小運行方式時，這種現象尤其嚴重。在超高壓輸電線路上接入並聯電抗器後，可明顯降低線路末端工頻電壓的升高。

2、降低操作過電壓。

操作過電壓產生於斷路器的分、合閘操作，當系統中用斷路器接通或切除部分電氣元件時，在斷路器的斷口上會出現操作過電壓，它往往是在工頻電壓升高的基礎上出現的，如甩負荷、單相接地等均要產生工頻電壓升高，當斷路器切除接地故障或接地故障切除後重合閘時，又引起系統操作過電壓，工頻電壓升高與操作過電壓疊加，使操作過電壓更高。所以，工頻電壓升高的程度直接影響操作過電壓的幅值。加裝並聯電抗器後，限制了工頻電壓升高，從而降低了操作過電壓的幅值。

當開斷帶有並聯電抗器的空載線路時，被開斷線路上的剩餘電荷沿着電抗器泄入大地，使斷路器斷口上的恢復電壓由零緩慢上升，大大降低了斷路器斷口發生重燃的可能性，因此也降低了操作過電壓。

3、避免發電機帶空載長線路出現自勵磁過電壓。

當發電機經變壓器帶空載在長線路啓動，空載發電機全電壓向空載線路合閘，發電機帶線路運行線路末端甩負荷等，都將形成較長時間發電機帶空載線路運行，形成了一個L-C電路，當空載長線路電容C的容抗值Xc合適時，能導致發電機自勵磁（即L-C迴路滿足諧振條件產生串聯諧振）。

自勵磁會引起工頻電壓升高，其值可達1.5～2.0倍的額定電壓，甚至更高，它不僅使併網的合閘操作（包括零起升壓）成為不可能，且其持續發展也將嚴重威脅網絡中電氣設備的安全運行。並聯電抗器能大量吸收空載長線路上的容性無功功率，破壞發電機自勵磁條件。

4、有利於單相重合閘。

為了提高運行可靠性，超高壓電網中常採用單相自動重合閘，即當線路發生單相接地故障時，立即斷開該線路，待故障處電弧熄滅後再重合該相。由於超高壓輸電線路間電容和電感（互感）很大，故障相斷開短路電流後，非故障相電源（電源中性點接地）將經這些電容和電感向故障點繼續提供電弧電流（即潛供電流），使故障處電弧難以熄滅。如果線路上並聯三相Y形接線的電抗器，且Y形接線的中性點經小電抗器接地，就可以限制和消除單相接地處的潛供電流，使電弧熄滅，有利於重合閘成功。這時的小電抗器相當於消弧線圈。

由於東北電網500kV第二條大馬路工程的相繼運行。系統中需要解決無功補償和降低工頻過電壓的問題尤為突出。在梨樹變電站，由於投運初期，沙梨乙線還沒有運行，變電站中的並聯電抗器容量儀為3x 5萬kvar，雙梨乙線和梨合線正常運行時，500kV母線電壓在540kV範圍內變化，在輕負荷時經常出現550kV的較高電壓。而後期由於沙梨乙線的投入運行，使母線電壓持續運行在極限值550kv之間。為確保向華北電網送電的可靠性，面對較高的電壓，不得不將雙梨乙線停電，限制系統容性無功的增長，使雙遼發電廠大量的電能不能及時送出，制約了東北地區電力資源的交換。

隨着500kV和750kV輸變電工程的建設與投運，並聯電抗器已愈來愈呈現出不可替代的作用。並聯電抗器投入容量的不足將直接成為電能輸送的關鍵問題。2002年9月27日500kV沙梨乙線停電期間，由於並聯電抗器的切除，使梨樹變電站500kV母線電壓由538kV上升為555kV，嚴重超出了母線允許電壓的上限值(允許上限550kV)。調度部門在採取多方調整運行方式後仍未收到滿意效果。在梨合線新建並聯電抗器工程不能按期投產的情況下，使雙遼發電廠兩台30萬kw機組不能達到滿負荷運行條件。

梨合線新建電抗器投入使用後，500kV輸電線並聯電抗器的總容量達到30萬kvar。經過一年的運行，沒有出現母線電壓超標的現象，在輕載時線路仍運行在規定值的範圍內，使系統能夠經濟、穩定、可靠的運行。