解決電容器組不平衡保護(hù)死區(qū)的新方案

胡志剛，張雙瑞，陳 力

(天津市電力公司，天津 300250)

0 引言

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。

1 電容器組不平衡保護(hù)存在的問題

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。

2 電容器組不平衡保護(hù)的改進(jìn)方案

2.1 改進(jìn)思路

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。

2.2 改進(jìn)的新原理

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|。

2.3 定值整定

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 方案的可行性及實(shí)施中應(yīng)注意的問題

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)。

3 結(jié)束語

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。

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