Моделирование процессов при коммутациях батарей статических конденсаторов

90

Моделирование процессов 
при коммутациях батарей 
статических конденсаторов

В

процессе

эксплуатации

батарей

статической

компенсации

в

схеме

с

управляемым

шунтирующим

реактором

на

ПС

 110/35/6 

кВ

 «

Новогодняя

» 

филиала

АО

 «

Тюменьэнерго

»  

Ноябрьские

электрические

сети

выявлена

проблема

частого

выхода

из

строя

конден

-

саторов

, 

входящих

в

состав

батарей

статической

компенсации

. 

Дефекты

по

изменению

емкости

более

 5% 

выявлялись

в

ходе

планово

-

предупредительных

испытаний

батареи

. 

В

статье

представлены

результаты

моделирования

процесса

включения

и

отключения

батарей

статических

конденсаторов

 (

БСК

) 

в

схеме

с

управляемым

шунтирующим

реак

-

тором

 (

УШР

). 

Рассмотрены

различные

варианты

схем

при

включениях

БСК

для

опреде

-

ления

наиболее

тяжелого

режима

и

влияние

момента

включения

на

амплитуду

перена

-

пряжений

. 

Также

показано

влияние

повторных

пробоев

в

выключателе

на

амплитуду

перенапряжений

при

отключении

БСК

.

Лопатин

В

.

В

.,

 начальник Службы изоляции и защиты от перенапряжений филиала АО «Тюменьэнерго» 

Ноябрьские электрические сети 

ВВЕДЕНИЕ

Батареи  статических  конденсаторов  (БСК)  устанав-

ливаются на подстанциях для компенсации реактив-

ной мощности. Это позволяет увеличить напряжение 

на шинах на 3–4%, снизить потери в сетях, скоррек-

тировать перетоки энергии. 

При  изменении  режима  БСК  приходится  часто 

включать  или  отключать.  В  отдельных  случаях  ча-

стота коммутаций может достигать 1–2 раз в сутки. 

Каждая  коммутация  БСК  сопровождается  пере-

ходным процессом, который может привести к пере-

напряжениям.  Главной  причиной  перенапряжений 

при  включении  БСК  является  перезаряд  в  колеба-

тельном режиме емкости С конденсаторов через ин-

дуктивность 

L

 (индуктивность ошиновки и собствен-

ная  индуктивность  БСК)  от  начального  значения 

напряжения  до  устанавливающегося  напряжения, 

зависящего  от  мгновенного  напряжения  источника 

электродвижущей силы (ЭДС) в момент включения. 

Частота колебаний переходного процесса может ока-

заться во много раз больше частоты источника пита-

ния [1]. 

Процессы  при  отключении  сосредоточенной  ем-

кости по своей физической природе похожи на про-

цессы отключения ненагруженной линии. До отклю-

чения напряжение на емкости: 
 

–

j x

C



1

2

U

C

= 

E

 — = 

U





—,

– 

j x

C

 + 

jx

L



1

2

 – 



2

где 



1

=1/√

LC

 — собственная частота схемы, 



 — ча-

стота источника. 

Обычно 



1

 много больше 



, то есть 

U

C

 = 

U



. До-

пустим,  что  емкостной  ток  достаточно  велик,  так 

что среза тока в выключателе не происходит, и дуга 

гаснет в момент естественного перехода тока через 

ноль.  Напряжение  при  этом  проходит  через  свое 

максимальное  значение,  и  после  обрыва  тока  на-

пряжение на емкости сохраняет свою величину. ЭДС 

источника при этом меняется по косинусоидальному 

закону. Разность этих напряжений представляет со-

бой восстанавливающееся напряжение на контактах 

выключателя,  которое  через  полпериода  достиг-

нет 2

U



. Если это напряжение окажется выше, чем 

электрическая прочность промежутка между расхо-

дящимися  контактами  выключателя,  то  произойдет 

повторное зажигание в этом промежутке. Такое по-

вторное зажигание может быть не одно, что приведет 

к эскалации перенапряжений на емкости [2]. 

В  настоящее  время,  с  появлением  быстродей-

ствующих выключателей, одним из основных мето-

дов борьбы с коммутационными перенапряжениями 

является  управляемая  коммутация.  Управляемая 

коммутация  представляет  собой  способ  устране-

ния  вредных  переходных  процессов  посредством 

управляемых  по  времени  операций  коммутации. 

Команды  включения  или  отключения  на  выклю-

чатель  задерживаются  таким  образом,  чтобы  за-

мыкание  или  разделение  контактов  происходили 

в  оптимальный  момент  времени  по  отношению 

к фазовому углу [3]. 

Устройства  управляемой  коммутации  для  вы-

ключателей,  установленных  в  цепи  шунтирующих 

конденсаторных  батарей  и  фильтров  подавления 

гармоник,  обычно  используются  для  управления 

включением.  При  этом  выключателем  управляют 

так, чтобы напряжение на емкостную нагрузку пода-

валось при нулевом напряжении источника, что по-

зволяет исключить вредные переходные процессы.

По  мнению  производителей  выключателей 

и устройств управляемой коммутации (УУК), отклю-

чение конденсаторных батарей обычно не приводит 

к каким-либо значительным переходным процессам. 

Однако в особых случаях тяжелых режимов специ-

альные модели УУК можно применять для контроли-

руемого отключения выключателей конденсаторных 

батарей.

ОБОРУДОВАНИЕ

91

СИНТЕЗ

МОДЕЛИ

Для предварительной оценки амплитудно-частотных 

характеристик  перенапряжений  при  коммутациях 

БСК  было  выполнено  моделирование  части  схемы 

ПС 110/35/6 кВ «Новогодняя» филиала АО «Тюмень-

энерго» Ноябрьские электрические сети. Моделиро-

вание проводилось в программе ATP-EMTP.

Особенность схемы в том, что на шинах установ-

лено  две  батареи  конденсаторов  и  управляемый 

шунтирующий  реактор  (УШР).  Коммутации  выпол-

нялись  для  одной  батареи  конденсаторов,  и  она 

моделировалась подробно как последовательно-па-

раллельное  соединение  отдельных  конденсаторов 

(с  учетом  собственной  индуктивности  конденсато-

ров), дополнительно учитывалась индуктивность ба-

лансировочного  трансформатора  тока.  Вторая  БСК 

моделировалась  сосредоточенной  емкостью.  УШР 

моделировался  сосредоточенной  индуктивностью 

и активным сопротивлением для учета потерь. Для 

анализа  применялась  максимально  упрощенная 

модель с целью получения приближенных значений 

величин  для  проведения  экспериментальных  изме-

рений. Полученная схема приведена на рисунке 1.

ВКЛЮЧЕНИЕ

ПРИ

РАЗЛИЧНОЙ

КОНФИГУРАЦИИ

СХЕМЫ

Для  начала  необходимо  определить,  при  какой  кон-

фигурации  схемы  возникают  наибольшие  напряже-

ния.  Для  этого  моделировались  следующие  случаи: 

включение 1БСК при отключенных 2БСК и УШР (рису-

нок 2); включение 1БСК при включенном УШР; вклю-

чение 1БСК при включенных 2БСК и УШР (рисунок 3); 

включение  1БСК  при  включенной  2БСК.  Замыкание 

контактов  выключателя  происходило  одновременно 

в  момент  максимума  напряжения  на  фазе  «А».  Ре-

зультаты моделирования приведены в таблице 1. 

На  осциллограммах  желтым  цветом  показано 

напряжение на фазе «А», зеленым — на фазе «В», 

красным — на фазе «С».

Таким  образом,  моделирование  показало,  что 

наибольшую  амплитуду  имеют  перенапряжения 

при включении одной БСК на шины — 1,9

U



. Одна-

ко подключение БСК на шины, на которые уже под-

ключена  вторая  батарея  конденсаторов,  приводит 

к переходному процессу с большой частотой, поряд-

ка 14,3 кГц, что также может оказывать негативное 

влияние на изоляцию оборудования.

Необходимо отметить, что, согласно [4], даже та-

кие сравнительно слабо полярные жидкости, какими 

являются  тщательно  очищенные  электроизолиру-

ющие масла (или в нашем случае пропитывающая 

жидкость  конденсатора),  обнаруживают  снижение 

пробивного напряжения при переходе от нулевой ча-

стоты к высоким частотам примерно на 30%.

ВКЛЮЧЕНИЕ

В

РАЗЛИЧНЫЕ

МОМЕНТЫ

ВРЕМЕНИ

Рассмотрим подробно режим, при котором возникают 

наибольшие перенапряжения: включение одной БСК 

на шины. Для этого оценим, как влияет фаза включе-

ния напряжения на амплитуду перенапряжений. 

Рассмотрим  следующие  случаи:  включение 

в максимум напряжения на фазе «А», одновремен-

ное  замыкание  контактов  (рисунок  2);  включение 

в нуле напряжения на фазе «А», одновременное за-

мыкание контактов; замыкания каждой фазы в мо-

мент  нулевого  напряжения  на  шинах  (рисунок  4).

Рис

. 1. 

Схема

для

моделирования

коммутационных

про

-

цессов

в

БСК

Табл. 1. Амплитудно-частотные параметры пере-

напряжений при различных схемах включения БСК

Схема

включения

Амплитуда

напряжения

на фазе «А», кВ

Частота

переходного

процесса, Гц

1БСК

193

495

1БСК+УШР

190

500

1БСК

+

УШР

+

2БСК

180

14 300

1БСК+2БСК

182

14 300

Рис

. 2. 

Осциллограммы

напряжений

при

включении

 1

БСК

и

отключенных

2

БСК

и

УШР

Рис

. 3. 

Осциллограммы

напряжений

при

включении

 1

БСК

и

включенных

2

БСК

и

УШР

Рис

. 4. 

Напряжение

на

БСК

при

замы

-

кании

всех

фаз

в

ноле

напряжения

№

 2 (53) 2019

92

Результаты расчетов сведены в таблицу 2. Кроме 

напряжения контролировался ток через выключа-

тель и ток через единичный конденсатор. 

Как  и  ожидалось,  амплитуда  перенапряжений 

зависит от момента замыкания контактов выклю-

чателя. Наибольшие перенапряжения получаются 

при замыкании в максимуме напряжения на шинах. 

При замыкании в нуле напряжения перенапряже-

ния практически не возникают.

ОТКЛЮЧЕНИЕ

БСК

Амплитуда  перенапряжений  при  отключениях 

БСК  в  большей  мере  зависит  от  наличия  повтор-

ных  пробоев  межконтактного  промежутка  выклю-

чателя. 

Если  повторного  пробоя  нет,  то  при  отключении 

перенапряжений не возникает (рисунок 5). Если воз-

можен хотя бы один повторный пробой, то амплиту-

да  перенапряжений  может  достигать  значительной 

величины, до 2,65 

U



 (на рисунке 6 приведено только 

напряжение на фазе «А»).

ВЫВОДЫ

1.  Кратко  рассмотрены  процессы,  приводящие 

к  возникновению  перенапряжений,  при  различных 

коммутациях батареи статических конденсаторов.

2. Предварительные расчеты хорошо согласуются 

с ожидаемыми результатами. Полученные данные не 

противоречат физике процесса возникновения комму-

тационных перенапряжений.

3. При включении наибольшие 

перенапряжения  получаются  при 

замыкании в максимуме напряже-

ния на шинах. Включение 1БСК на 

шины  с  уже  подключенной  2БСК 

приводит к переходному процессу 

высокой  частоты,  что  может  не-

гативно  сказаться  на  прочности 

изоляции.

4.  Отключение  приводит  к  пе-

ренапряжениям  только  при  воз-

никновении  повторного  пробоя 

межконтактного  промежутка  вы-

ключателя.  

Табл. 2. Напряжение и ток при включении БСК в различные моменты времени

Режим

Амплитуда напряжения, кВ

Амплитуда тока через выключатель /

амплитуда тока через единичный конденсатор, А

ф. «А»

ф. «В»

ф. «С»

ф. «А»

ф. «В»

ф. «С»

Включение БСК в момент мак-

симального значения синусоиды 

напряжения в фазе «А»

193

145

148

1757 / 876

987 / 493

987 / 493

Включение БСК в момент перехо-

да синусоиды напряжения через 

нулевое значение в фазе «А»

107

182

174

329 / 165

1517 / 758

1576 / 788

Отдельные измерения значений 

напряжения и тока при включении 

каждой фазы при нулевом значе-

нии синусоиды напряжения

108

104

111

390 / 195

285 / 150

390 / 208

Рис

. 5. 

Осциллограммы

напряжения

при

отключении

 1

БСК

Рис

. 6. 

Осциллограмма

напряжения

фазы

 «

А

» 

при

отключении

 1

БСК

с

повторным

пробоем

Литература
1.  Богатенков  И.М.,  Бочаров  Ю.Н. 

и  др.  Техника  высоких  напряже-

ний.  Учебник  для  вузов.  Под  ред. 

Г.С. Кучинского. СПб.: Энергоатом-

издат, 2003. 608 с.

2.  Техника высоких напряжений. Под 

общей ред. Д. В. Разевига. Изд. 2-е, 

перераб. и доп. М.: Энергия, 1976. 

488 с. 

3.  Controlled  Switching,  ABB  Buyer`s 

and  Application  Guide.  Document

  ID  1HSM  954322-01en.  Edition  3, 

2009, 54 p.

4.  Сканави Г.И. Физика диэлектриков. 

Область  сильных  полей.  М.:  Госу-

дарственное  издательство  физ.-

мат. литературы, 1958. 907 с.

ОБОРУДОВАНИЕ

Обращаем ваше внимание, что стоимость

подписки на журнал «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача 

и распределение» на 2019 год осталась без изменений: 

• год (шесть номеров)—

11 250 

руб

.

• полгода (три номера) —

5 625 

руб

.

• один выпуск — 

1 875 

руб

.

Цена указана с учетом НДС.

Форма оплаты — безналичный расчет. 

подписка – 2019

Доставка осуществляется Почтой России простой бандеролью.
Стоимость доставки включена в стоимость подписки. 
Чтобы подписаться на журнал, заполните форму заявки 

на подписку на сайте 

www.eepir.ru

или направьте заявку 

по электронной почте: 

[email protected] 

Телефон редакции: 

+7 (495) 645-12-41

Подробную информацию об издании

ищите на нашем сайте:

www.eepir.ru