胡志剛,張雙瑞,陳 力
(天津市電力公司,天津 300250)
高壓并聯(lián)電容器組不平衡保護(hù)主要以檢測(cè)電容器組間容差變化引起的電壓、電流變化值作為保護(hù)動(dòng)作條件,以達(dá)到防止電容器元件在過電壓下長時(shí)間運(yùn)行的目的。但當(dāng)電容器組間電容均勻損壞時(shí),不平衡保護(hù)將無法檢測(cè)出不平衡電壓、電流,致使電容元件過電壓但保護(hù)不動(dòng)作,可能導(dǎo)致電容器元件因過壓燒毀,甚至使電容器組發(fā)生爆炸。
內(nèi)熔絲保護(hù)電容器組有效控制了個(gè)別電容器元件故障放電對(duì)相鄰電容器元件造成的破壞。但相應(yīng)故障元件切除后與之并聯(lián)的完好電容元件承擔(dān)的電壓升高,可能造成這些完好元件的繼續(xù)損壞,甚至因承擔(dān)的電壓太高產(chǎn)生“群爆”,造成更大的破壞。理論上個(gè)別元件故障后,因與之并聯(lián)的完好元件電壓升高,所以其繼續(xù)故障的幾率更大。故增設(shè)電容器開口三角不平衡電壓、相電壓差動(dòng)、橋式差電壓、橋式差電流等保護(hù)來防止電容器持續(xù)損壞或爆炸。
在同樣的運(yùn)行環(huán)境下,個(gè)別元件的擊穿主要取決于電容元件的產(chǎn)品質(zhì)量差異。即個(gè)別元件的故障不一定如電容器組不平衡保護(hù)整定原理所考慮的那樣只在同一個(gè)并聯(lián)段內(nèi)發(fā)生,很可能發(fā)生在不同串、并聯(lián)段,甚至不同相中。
以開口三角不平衡電壓保護(hù)為例,其驅(qū)動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的不平衡電壓源主要受三相電容容差影響,假設(shè)三相容差為β,則保護(hù)測(cè)得的開口三角不平衡電壓如下式所示(考慮三相電源對(duì)稱并忽略串聯(lián)消弧電抗器時(shí)):
(1)
式中:UEX為電容器組額定相電壓。
從式(1)可以看出,開口三角不平衡電壓保護(hù)無法判別每相中的個(gè)別電容元件切除后對(duì)與其并聯(lián)的完好元件造成的影響,只能檢測(cè)到三相有容差時(shí)的不平衡電壓。當(dāng)三相電容同時(shí)出現(xiàn)熔絲切除問題時(shí),雖然與故障切除元件并聯(lián)的完好元件將承擔(dān)更高的運(yùn)行電壓,但開口三角不平衡電壓保護(hù)將無法判別。
考慮極限情況,假設(shè)三相中每相都有一個(gè)并聯(lián)段內(nèi)相同數(shù)量的電容元件擊穿切除后,三相容差依然是0,開口三角測(cè)得的不平衡電壓依然為0,開口三角不平衡電壓保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。但與切除元件并聯(lián)的完好電容元件則會(huì)承擔(dān)更高的電壓,如果該電壓積累到了1.3倍甚至1.5倍以上的電容器組額定電壓,則其故障幾率大幅度增加,甚至可能因此產(chǎn)生嚴(yán)重的“群爆”事故,導(dǎo)致電容器組發(fā)生惡性事故。以上分析是電容器不平衡保護(hù)的“死區(qū)”問題,簡單利用電容器組的不平衡電壓對(duì)電容器組進(jìn)行保護(hù),并不能有效保護(hù)電容器組的安全運(yùn)行。這種保護(hù)原理既存在“死區(qū)”問題,在實(shí)際運(yùn)行中誤動(dòng)的幾率又比較大,在現(xiàn)階段已經(jīng)和內(nèi)熔絲保護(hù)電容器組的大規(guī)模投運(yùn)不相適應(yīng)。其他類型的電容器組不平衡保護(hù)均存在類似的問題。
現(xiàn)場(chǎng)大部分電容器一般都裝設(shè)過電壓(低電壓)及過電流保護(hù)。過電壓保護(hù)通過母線TV獲得母線電壓,過電流保護(hù)通過在U相、W相兩相裝設(shè)TA來獲得電流,防止電容器組內(nèi)部及其電纜短路造成故障越級(jí),同時(shí)作為不平衡保護(hù)的后備保護(hù)。改進(jìn)方案考慮再增加一相TA,利用一種新型微機(jī)保護(hù),來實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)熔絲電容器組的保護(hù)。
增加TA后,通過實(shí)時(shí)檢測(cè)到電容器組的三相電壓和電流UU、UV、UW、IU、IV、IW,由微機(jī)保護(hù)裝置分離出來的基波值,對(duì)電容器組的三相電容值進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,再通過計(jì)算后的電容值綜合考慮電容器內(nèi)故障元件切除后,與之并聯(lián)的完好電容元件可能分擔(dān)電壓值來決定電容器組是否可以繼續(xù)運(yùn)行。
對(duì)電容值的實(shí)時(shí)計(jì)算可通過以下分析求得。假設(shè)三相電容值分別為(1-δU)C、(1-δV)C、(1-δW)C,其中C為額定電容值。為簡化計(jì)算,僅考慮電容器組采用三相星形接線,而不考慮串聯(lián)電抗器,假設(shè)電容器組中性點(diǎn)為O,電位為UO,則成立以下等式。
ω(UU-UO)(1-δU)C=IU
(2)
ω(UV-UO)(1-δV)C=IV
(3)
ω(UW-UO)(1-δW)C=IW
(4)
根據(jù)基爾霍夫定律,則有:
IU+IV+IW=0
(5)
由式(2)-(5)4個(gè)等式可以求得其中的4個(gè)未知數(shù)δU、δV、δW和UO。
電容器組開口三角不平衡電壓保護(hù)測(cè)得的開口三角電壓也可以通過計(jì)算得出:
U△=3UO-(UU+UV+UW)
(6)
式(6)在系統(tǒng)電源對(duì)稱情況下與式(1)相同。
根據(jù)基波狀態(tài)下的δU、δV、δW計(jì)算值,可以計(jì)算O點(diǎn)實(shí)際電位和三相電容器組各自分擔(dān)的實(shí)際電壓。假設(shè)U、V、W三相實(shí)際電壓為UUS、UVS、UWS,O點(diǎn)實(shí)際電位為UOS,則:
(7)
繼而可得出三相電容器分擔(dān)的電壓值UUO、UVO、UWO,UUO=|UUO|,UVO=|UVO|,UWO=|UWO|。
電容器組內(nèi)元件出現(xiàn)故障被切除后,被切除元件并聯(lián)段內(nèi)的完好元件將承受更高的運(yùn)行電壓。由于電容器元件間的電容值存在誤差,且個(gè)別元件的性能存在差異,出現(xiàn)元件擊穿的概率并不一定限于一個(gè)并聯(lián)段內(nèi),這就給保護(hù)定值的設(shè)定帶來了難度。 由于每個(gè)并聯(lián)段間的電容差異無法在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)控制,且對(duì)保護(hù)的影響不大,一般認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的電容器元件都是標(biāo)準(zhǔn)元件,電容值相等。為了提高電容器本體保護(hù)的靈敏性,實(shí)際運(yùn)行中,按一個(gè)并聯(lián)段內(nèi)連續(xù)故障概率較大的元件進(jìn)行保護(hù)整定。
為簡化分析,假設(shè)每相電容器組的內(nèi)部接線為M并N串。一個(gè)并聯(lián)段內(nèi)出現(xiàn)K個(gè)電容元件切除后,該相的容差:
(8)
該值與實(shí)測(cè)電流、電壓計(jì)算出的δU、δV、δW值有一定偏差。由δU、δV、δW反推K時(shí)需對(duì)K進(jìn)行取整修正。
由δU、δV、δW推倒出K后,可以求出與K個(gè)故障電容元件并聯(lián)的完好元件分擔(dān)的電壓(設(shè)故障元件出現(xiàn)在U相):
(9)
該電壓與電容器元件的額定電壓比值應(yīng)小于等于電容器的過電壓系數(shù),即:
(10)
式中:Ue為單個(gè)電容器元件的額定電壓;kv為常規(guī)電容器過電壓系數(shù)。
kv可根據(jù)電容器的耐壓強(qiáng)度及工藝水平,確定取值范圍在1.15~1.5。指定kv后,可以設(shè)定該保護(hù)的電壓定值UDZ=kvUe。
2.4.1 可行性
實(shí)施上述保護(hù)方案可以通過直接對(duì)電容器及串聯(lián)電抗器的阻抗參數(shù)的監(jiān)視來完善電容器保護(hù)的配置。因微機(jī)保護(hù)可以分離出各次諧波,故電容器容差值的計(jì)算可以在基波下進(jìn)行,計(jì)算比較準(zhǔn)確。串聯(lián)電抗器偏差、母線TV變比差異等因素在電容器設(shè)備運(yùn)行中的變化較小,基本不影響對(duì)電容器組回路電容值的測(cè)量。而系統(tǒng)諧波分量可以通過微機(jī)保護(hù)的計(jì)算分離出去,也不會(huì)對(duì)計(jì)算產(chǎn)生影響。在電容器額定電壓條件下運(yùn)行時(shí),其工作電流也在TA的額定電流以內(nèi),對(duì)于大多數(shù)電容器保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的5P10級(jí)電流互感器也能夠滿足測(cè)量精度的要求。故該保護(hù)的優(yōu)勢(shì)比較明顯,如果其經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn),可以考慮用該保護(hù)替代現(xiàn)有的電容器組不平衡保護(hù)。
2.4.2 應(yīng)注意的問題
該保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電壓(U值)計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中較復(fù)雜。現(xiàn)在密集型內(nèi)熔絲保護(hù)電容器組的內(nèi)部接線隨著逐漸改進(jìn)越來越復(fù)雜,而串聯(lián)電抗器、內(nèi)放電電阻等重要計(jì)算參數(shù)也應(yīng)當(dāng)在U值計(jì)算過程中予以體現(xiàn),對(duì)于有著不同內(nèi)部接線的電容器組,其U值計(jì)算程序應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際接線狀況而改變。
在TV斷線、TA斷線、TA擊穿、弧光過電壓、電容器組共振等特殊情況下,應(yīng)對(duì)保護(hù)功能深入分析,避免該類故障或其他特殊情況下的保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)行為。
該保護(hù)對(duì)母線TV、電容器TA的依賴性增強(qiáng),在設(shè)計(jì)之初應(yīng)認(rèn)真考慮母線TV二次負(fù)擔(dān)、電容器TA三相伏安特性一致性、保護(hù)裝置測(cè)量精度及零點(diǎn)漂移等問題,防止保護(hù)誤動(dòng)。
電容器組的“爆炸”問題一直是困擾制造廠、設(shè)計(jì)及技術(shù)人員的難題,雖然現(xiàn)在隨著無人值班變電站的大范圍推廣,電容器組爆炸傷人事故大幅度減少,但電容器組保護(hù)的誤動(dòng)及拒動(dòng)依然給運(yùn)行單位造成重要影響。而現(xiàn)場(chǎng)因?yàn)閷?duì)電容器組不平衡保護(hù)整定原理的不理解,不平衡保護(hù)定值過分減小造成電容器組不平衡保護(hù)頻繁誤動(dòng)也給運(yùn)行單位帶來了很大麻煩。除了運(yùn)行維護(hù)不到位的原因外,電容器組不平衡保護(hù)原理自身的缺陷也是制約電容器保護(hù)正確動(dòng)作的主要原因。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,以前電磁型保護(hù)無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段應(yīng)該考慮運(yùn)用到保護(hù)設(shè)備上。變電站保護(hù)原理除了變壓器差動(dòng)保護(hù)、小電流接地保護(hù)等少數(shù)保護(hù)應(yīng)用了新的技術(shù)原理,其他大部分保護(hù)原理依然是電磁型保護(hù)的技術(shù)原理,計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)未得到發(fā)揮和應(yīng)用。以上提出的新型電容器保護(hù)的改進(jìn)方案,因客觀條件所限未進(jìn)行仿真試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn),希望廣大技術(shù)人員能夠?qū)Υ诉M(jìn)行分析論證,并能夠發(fā)現(xiàn)更多技術(shù)先進(jìn)的保護(hù)原理投入現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)中,使電網(wǎng)運(yùn)行更加安全可靠。
參考文獻(xiàn):
[1] 盛國釗,倪學(xué)鋒.高壓并聯(lián)電容器組不平衡保護(hù)計(jì)算中遇到的新問題[J].無功補(bǔ)償裝置,2003(2):19-30.
[2] DL/T 584-1995,3~110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程[S].
[3] 盛國釗,倪學(xué)鋒,嚴(yán) 飛.單臺(tái)電容器內(nèi)部故障保護(hù)的合理選擇[J].電力設(shè)備,2008,9(11):61-63.
[4] 苗竹海,倪學(xué)鋒,焦 麗,等.一次高壓并聯(lián)電容器裝置運(yùn)行狀況調(diào)查研究的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[J].無功補(bǔ)償裝置,2004(1):51-54.
[5] 盛國釗,倪學(xué)鋒.110 kV及以上電壓等級(jí)高壓并聯(lián)電容器組的不平衡保護(hù)[J].無功補(bǔ)償裝置,2004(2):34-37.
[6] 倪彤輝,唐寶鋒,饒 群,等.河北南網(wǎng)并聯(lián)電容器相關(guān)問題分析[J].山西電力,2009(4):5-7,14.
[7] 倪學(xué)鋒,蔣勝寶,林 浩,等.內(nèi)熔絲電容器保護(hù)配合原件過電壓倍數(shù)選擇的原則和依據(jù)[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,2008(6):1-3.
[8] 梁 琮.集合式并聯(lián)電容器保護(hù)可靠性問題不容忽視[J].無功補(bǔ)償裝置,2003(2):14-18.
[9] 朱海松.并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置對(duì)電網(wǎng)諧波的影響[J].無功補(bǔ)償裝置,2005(2):24-27.
[10] 倪學(xué)鋒,王 勇,林 浩,等.現(xiàn)場(chǎng)電容器組試驗(yàn)的問題與改進(jìn)[J].無功補(bǔ)償裝置,2005(1):27-29.
[11] 曲效容.幾類電容器組保護(hù)動(dòng)作情況分析[J].無功補(bǔ)償裝置,2005(2):56-59.
[12] 蒲 路.并聯(lián)電容器的運(yùn)行與過電壓防護(hù)[J].無功補(bǔ)償裝置,2006(2):21-31.
[13] 郭耀珠,石 光,劉 華,等.保護(hù)用電流互感器10%誤差曲線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及其二次負(fù)載校核[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(23):101-106.