并聯(lián)電容器保護(hù)研究

胡旌杰，譚建成

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為了提供可靠的電壓穩(wěn)定性，越來(lái)越多的并聯(lián)電容器應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。并聯(lián)電容器作為電力系統(tǒng)中重要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，具有簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、方便靈活的特點(diǎn)。但是據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近年來(lái)高壓并聯(lián)電容器的年故障率有所回升，從1997年的0.4%左右回升到2000年1%左右，少數(shù)城市還有超過(guò)4%的，其中爆炸起火的事故僅1999年就有10余起。究其原因，除了產(chǎn)品自身的質(zhì)量問(wèn)題外，運(yùn)行中的操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}，加上設(shè)備參數(shù)配置不合理、保護(hù)配置不當(dāng)?shù)鹊纫彩且饜盒允鹿识喟l(fā)的直接原因。并聯(lián)電容器的損壞直接影響到變電站附近區(qū)域的電能質(zhì)量，因此并聯(lián)電容器保護(hù)的可靠性與相互間的配合尤為重要。電容器保護(hù)主要由電容器組內(nèi)部保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩大部分組成。系統(tǒng)保護(hù)主要針對(duì)系統(tǒng)浪涌電壓、工頻系統(tǒng)過(guò)電壓、超負(fù)荷諧波電流、并聯(lián)電容器組附近的故障、系統(tǒng)斷電、輸電線路跳閘、斷路器失靈等。而內(nèi)部保護(hù)主要針對(duì)故障電容器元件、電容器單元內(nèi)連線故障、電容器元件或單元的持續(xù)過(guò)電壓、套管間的閃絡(luò)。當(dāng)電容器組出現(xiàn)故障時(shí)，可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致重大事故，繼電保護(hù)中不平衡保護(hù)在切除故障電容器單元或故障元件時(shí)，應(yīng)提示并警報(bào)電容器內(nèi)部出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象［1-4］。本文首先分析了并聯(lián)電容器組常用的連線方式，對(duì)各種接線方式的特點(diǎn)做了簡(jiǎn)要分析。然后闡述了對(duì)熔絲的種類和工作原理，并對(duì)熔絲的選取問(wèn)題給予了一些建議。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類型的故障選定了不同的保護(hù)措施。而不平衡保護(hù)作為電容器組主要的繼電保護(hù)方式，本文主要對(duì)不平衡保護(hù)重點(diǎn)分析并仿真測(cè)試，并對(duì)報(bào)警點(diǎn)跳閘點(diǎn)的設(shè)置做出了分析，給保護(hù)參數(shù)的配置提供了參考建議。在故障發(fā)生后，對(duì)于電容器組的日常維護(hù)修復(fù)，本文也提出了一種確定故障相的方法，以減少電容器組的維修時(shí)間。

2 并聯(lián)電容器組連線

高壓變電所的并聯(lián)電容器組通常采用以下四種接線方式。

圖1 并聯(lián)電容器組連線常用的四種方式

熔絲和繼電保護(hù)是決定電容器組最佳配置的兩個(gè)方面。圖1給出了常用的星形連接電容器組配置。

大多數(shù)分布和輸送的電容器組都是以星形連接，或者接地或者不接地。

接地電容器組的特性:

(1)為雷電涌流提供一個(gè)低阻通道;

(2)保護(hù)電容器避開(kāi)雷電涌壓;

(3)減小開(kāi)關(guān)設(shè)備的恢復(fù)電壓;

(4)對(duì)于三次以及其它諧波電流提供一個(gè)低阻通道。

不接地電容器組的特性:

(1)對(duì)于零序電流三次與其它諧波電流沒(méi)有提供通道;

(2)在系統(tǒng)故障時(shí)，不能提供放電通道;

(3)要求中性點(diǎn)與所有電壓線絕緣。

3 熔絲的選擇

并聯(lián)電容器的接線設(shè)計(jì)主要有內(nèi)熔絲、外熔絲和無(wú)熔絲三種類型。并聯(lián)電容器保護(hù)從保護(hù)的類型來(lái)分，有熔絲保護(hù)和繼電保護(hù)兩種類型。通常情況下，含熔絲的電容器把熔絲保護(hù)做為主保護(hù)，而把繼電保護(hù)為后備保護(hù)。但內(nèi)熔絲與外熔絲混用是并聯(lián)電容器保護(hù)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題之一，因?yàn)閮?nèi)熔絲電容器與外熔絲電容器的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理是不同的。

3.1 外熔絲

變電站外熔絲并聯(lián)電容器組的配置是每相由一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的電容器單元組成。每個(gè)電容器單元由各自的熔絲保護(hù)。在電容器組內(nèi)，如果電容器單元出現(xiàn)過(guò)電壓故障，外熔絲可以迅速動(dòng)作，因此這種電容器單元可以應(yīng)用于較高的電壓等級(jí)。但是，當(dāng)有一個(gè)熔絲動(dòng)作某個(gè)電容器單元切除時(shí)，通常希望電容器組仍能持續(xù)運(yùn)行，在這個(gè)條件下，要求并聯(lián)電容器單元的數(shù)量要盡可能的少，因此在已經(jīng)給定容量的條件下，各個(gè)電容器單元的額定功率可能相對(duì)較小。

2.2 內(nèi)熔絲

一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)熔絲電容器單元組成的電容器組和外熔絲的相比較，它含有的并聯(lián)電容器單元較少，而所串聯(lián)的并聯(lián)電容器單元組較多。通常這種電容器單元很大，因?yàn)楫?dāng)故障發(fā)生時(shí)，不希望整個(gè)單元被切除。內(nèi)熔絲和電容器元件串聯(lián)。內(nèi)熔絲電容器單元先由許多元件并聯(lián)成一組，然后把幾個(gè)組串聯(lián)一起而組成，而外熔絲的結(jié)構(gòu)與此恰恰相反。當(dāng)一個(gè)電容器元件出現(xiàn)故障時(shí)，內(nèi)熔絲電容器其通過(guò)熔絲的電流將大大超過(guò)正常時(shí)的電流，這種強(qiáng)電流將使熔絲動(dòng)作并隔離故障元件。

3.3 無(wú)熔絲

無(wú)熔絲電容器內(nèi)部接線方式通常有兩種，一種是電容器單元串聯(lián)在母線與中性點(diǎn)間，另一種是電容器單元以串聯(lián)與并聯(lián)方式連接。第一種接線方式的保護(hù)主要基于元件短路故障，因?yàn)檫@種接線方式?jīng)]有電容器單元直接并聯(lián)，因此放電能量很小，另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是這種方式的不平衡保護(hù)不需要與熔絲保護(hù)相互配合。而另外一種以串聯(lián)和并聯(lián)組合的方式與前一種相比較，故障時(shí)通過(guò)其剩余元件上的電壓更高，因此通常其用于低于35kV電容器組。

當(dāng)內(nèi)熔絲電容器出現(xiàn)故障時(shí)，電容器單元的電容和電流會(huì)在元件隔離之后變小，而外熔絲需要電流增大才能動(dòng)作，此時(shí)外熔絲的動(dòng)作電流值與實(shí)際電流值的差值將增大，可能導(dǎo)致外熔絲無(wú)法正常完成保護(hù)功能。因此，外熔絲與內(nèi)熔絲的混用，不但會(huì)增加維護(hù)工作，降低裝置的可靠性，而且很可能根本不能起到保護(hù)的作用。

4 不平衡保護(hù)

在并聯(lián)電容器的繼電保護(hù)中，通常會(huì)使用過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)以及不平衡保護(hù)，圖2給出了一個(gè)并聯(lián)電容器組的保護(hù)方案。過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)主要針對(duì)系統(tǒng)故障造成的系統(tǒng)過(guò)電壓和欠電壓的情況。如果系統(tǒng)電壓超過(guò)電容器或其他設(shè)備的電壓承受能力，應(yīng)該在最短的時(shí)間內(nèi)迅速切除電容器組。電流保護(hù)主要針對(duì)由于相間短路或單相短路接地等故障造成的系統(tǒng)失壓，通常采取一些外部保護(hù)設(shè)備，如熔斷器、斷路器、線路開(kāi)關(guān)等。不平衡保護(hù)主要針對(duì)電容器組的內(nèi)部故障，如內(nèi)部元件故障、內(nèi)熔絲和無(wú)熔絲電容器組的元件至箱體間的故障、極間故障、電容器單元接線故障、電容器組內(nèi)的電弧閃絡(luò)以及由于故障元件或熔絲動(dòng)作引起的電容器元件或單元的過(guò)電壓［5］。由此可見(jiàn)，不平衡保護(hù)是并聯(lián)電容器組內(nèi)部保護(hù)的主要成分。不平衡保護(hù)利用不平衡原理，在一個(gè)正常平衡的電容器中來(lái)檢測(cè)異常情況的發(fā)生，并采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。其最重要的功能是及時(shí)的從系統(tǒng)中移除故障電容器，否則將導(dǎo)致故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。并聯(lián)電容器的不平衡保護(hù)主要是基于對(duì)不平衡電流和電壓的測(cè)量。具體的保護(hù)措施由熔絲的選取、電容器組的大小、接地的選擇、電流或電壓互感器的絕緣等幾個(gè)方面來(lái)決定。

圖2 并聯(lián)電容器組保護(hù)方案

4.1 不接地單星形電容器組的不平衡保護(hù)

圖3為不接地單星形電容器組的中性點(diǎn)不平衡保護(hù)方法，圖(a)中三個(gè)電壓互感器連接在中性點(diǎn)與端點(diǎn)之間，二次側(cè)以開(kāi)口三角形連接，且與過(guò)電壓繼電器相連。與圖(b)相比較，圖(a)的方案具有對(duì)系統(tǒng)電壓不敏感的優(yōu)點(diǎn)。此外，圖(a)繼電器中的偏移電壓是圖(b)偏移電壓的三倍。所以對(duì)于同樣變比的電壓互感器，圖(a)方案的靈敏度要明顯高于圖(b)。

4.2 接地單星形電容器組的不平衡保護(hù)

接地單星形電容器組的不平衡保護(hù)方法如圖4所示，這種方法是對(duì)三相中電容器組的電壓差動(dòng)設(shè)定的。由于個(gè)別電容器元件或單元損壞引起的不平衡信號(hào)是通過(guò)電容器組的抽頭電壓與母線電壓的比較而來(lái)的。在考慮了電容器的誤差和初始不平衡補(bǔ)償后，初始的不平衡信號(hào)為零。而之后電容器抽頭電壓與母線電壓之間的任何電壓差都是由于某相內(nèi)電容器單元的故障造成的不平衡。這種方法的敏感度相對(duì)較高，常用于大容量電容器單元組成的高壓電容器組。也可使用電流互感器和H橋式接線構(gòu)建不平衡電流保護(hù)方案。

圖3 不接地單星形電容器組的不平衡測(cè)量

圖4 接地單星形電容器組保護(hù)方案

4.3 不接地雙星形電容器組的不平衡保護(hù)

不接地雙星形電容器組常用的不平衡保護(hù)方法如圖5所示。

圖(a)使用電流互感器和過(guò)電流繼電器，圖(b)使用電壓互感器和過(guò)電壓繼電器連接在兩個(gè)星形中性點(diǎn)之間。這兩種方法避免了系統(tǒng)電壓不平衡的影響，而且在平衡時(shí)對(duì)于三次諧波電流或者諧波電壓也是同樣不受影響的。圖(c)的電容器兩部分的中性點(diǎn)連接在一起，電壓互感器用來(lái)測(cè)量中性點(diǎn)的電壓，但這個(gè)繼電器應(yīng)該帶有濾波器。

4.4 接地雙星形電容器組的不平衡保護(hù)

如圖6所示，接地雙星形電容器組的兩個(gè)星形的中性點(diǎn)連接到同一點(diǎn)并接地，電流互感器的二次側(cè)交叉連接一個(gè)過(guò)電流繼電器，以便繼電器對(duì)外界影響電容器組的情況做出感應(yīng)。

圖5 不接地雙星形電容器組保護(hù)方案

圖6 接地雙星形電容器組保護(hù)方案

5 不平衡計(jì)算

為了更好的應(yīng)用保護(hù)繼電器，計(jì)算故障電容器單元、元件和熔絲對(duì)電容器組的影響是其中的關(guān)鍵，以便確定繼電器保護(hù)點(diǎn)的設(shè)置，同時(shí)，也為繼電保護(hù)整定計(jì)算提供了理論依據(jù)。電容器組的配置、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以及應(yīng)用的保護(hù)種類決定了這些計(jì)算的等式和方程。根據(jù)方程以及等式計(jì)算出的參數(shù)，決定了繼電器的動(dòng)作跳閘點(diǎn)，因此這些計(jì)算參數(shù)是衡量保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是衡量保護(hù)系統(tǒng)敏感度和可靠性分析的重要依據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)采用RTDS全稱為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(Real Time Digital Simulator)進(jìn)行仿真。

如圖7所示，一個(gè)不接地單星形外熔絲并聯(lián)電容器組，它的配置參數(shù)如表1所示。

設(shè)并聯(lián)電容器串聯(lián)組數(shù)為S，每相并聯(lián)電容器單元數(shù)為P，故障電容器單元數(shù)為N，電容器單元的額定電壓為U0。初始狀態(tài)下，設(shè)每個(gè)電容器單元的電容值為1單位，串聯(lián)組中每個(gè)并聯(lián)組的電容值為Cg。

故障相各個(gè)電容器單元的電容為Cs

中性點(diǎn)電壓為Vn

圖7 接地雙星形電容器組保護(hù)方案

表1 并聯(lián)電容器組配置參數(shù)

由(1)、(2)、(3)式我們可以計(jì)算出出中性點(diǎn)電壓所分配的比例值，由V12和V13的測(cè)的電壓有效值計(jì)算出標(biāo)簽故障電容器組電壓。

在電容器單元元件沒(méi)有損壞時(shí)，運(yùn)用RTDS仿真其各信號(hào)的波形如圖8所示。

圖8 接地雙星形電容器組保護(hù)方案

由表2可以看出，這種不平衡電壓和電流的算法是可靠的，在誤差所允許的范圍內(nèi)，仿真結(jié)果成功的把一次側(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到二次側(cè)。

表2 計(jì)算值與仿真測(cè)量值的比較和誤差

在此例中，當(dāng)一個(gè)電容器單元出現(xiàn)故障時(shí)，故障相其它標(biāo)簽電容器單元的電壓要高于1.1U0，這是不允許出現(xiàn)的情況，其可能導(dǎo)致電容器擊穿并可能進(jìn)一步擴(kuò)大故障。所以在選擇高壓并聯(lián)電容器的并聯(lián)單元時(shí)，如果允許故障電容器單元切除后電容器組繼續(xù)運(yùn)行，其最少并聯(lián)的電容器單元至少要十個(gè)或更多。同樣也要考慮到接線、保護(hù)方式、串聯(lián)段數(shù)、允許過(guò)電壓倍數(shù)等。但是，如果電容器組的并聯(lián)過(guò)多的電容器單元，有熔絲的電容器組中不僅可能會(huì)產(chǎn)生大幅的電流使熔斷絲熔斷，而且對(duì)于繼電保護(hù)靈敏度也帶來(lái)了困擾，因此，限定最多并聯(lián)臺(tái)數(shù)也是確保電容器組安全運(yùn)行的重要方面。

仿真中性點(diǎn)電壓的測(cè)量值與計(jì)算值基本一致，在具體應(yīng)用中，由于制作工藝電容不可能完全相同、諧波影響等因素的存在，會(huì)給電容器組造成固有不平衡，因此除了增加一些必要的消除固有不平衡的設(shè)備外，還應(yīng)在電容器組初始化充電后調(diào)整中性點(diǎn)不平衡信號(hào)的初始值為0，而后再考慮電容器組內(nèi)部因素造成的不平衡。當(dāng)故障相其它電容器單元的電壓為1.1U0時(shí)，中性點(diǎn)不平衡電壓設(shè)為Un，如果下一個(gè)電容器單元出現(xiàn)故障，那么故障相其它電容器單元的電壓將要大于，因此，不平衡保護(hù)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在這兩個(gè)信號(hào)中間。不平衡保護(hù)與其他種類的的保護(hù)也應(yīng)該相互配合，通常不平衡保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限為0.2s。

6 故障相的確定

并聯(lián)電容器組在無(wú)功功率補(bǔ)償和電壓調(diào)整上起到了重要作用，因此在修復(fù)并聯(lián)電容器組時(shí)，其中斷時(shí)間應(yīng)該盡可能的短。修復(fù)時(shí)間包括確定故障點(diǎn)和修復(fù)還原電容器組運(yùn)行兩個(gè)時(shí)間段。如果并聯(lián)電容器組是外熔絲型，那么產(chǎn)生故障的單元通常是熔絲熔斷的單元，因此它的故障點(diǎn)確定時(shí)間較短。但如果是內(nèi)熔絲或無(wú)熔絲型的電容器組，不會(huì)有明顯的跡象顯示故障單元。即使沒(méi)有明顯的跡象顯示故障單元，但如果可以確定故障單元的所在相，將會(huì)大大減小搜索故障點(diǎn)的范圍，以減小確定故障點(diǎn)的時(shí)間。

以圖6單星形不接地電容器組為例，我們?cè)赗TDS中建立一個(gè)不接地單星形并聯(lián)電容器組模型。母線電壓設(shè)為35kV，并聯(lián)電容器串聯(lián)組數(shù)為4，每相并聯(lián)電容器單元數(shù)為6，每個(gè)電容器單元的值為0.5μF。當(dāng)A相含有一個(gè)故障單元時(shí)，用A1B0C0來(lái)表示，以A相的正序電壓測(cè)量值VA(V11)為參考量，引起中性點(diǎn)Vn(V0)產(chǎn)生一個(gè)幅值大約為0.233kV的不平衡電壓并與VA產(chǎn)生180°的夾角，如圖9所示。同理，當(dāng)B相含有一個(gè)故障單元時(shí)，引起中性點(diǎn)電壓Vn與VA產(chǎn)生60°的夾角。當(dāng)C相含有一個(gè)故障單元時(shí)，引起中性點(diǎn)電壓Vn與VA產(chǎn)生-60°的夾角。當(dāng)A相B相各含有一個(gè)故障單元時(shí)，引起中性點(diǎn)的電壓Vn產(chǎn)生一個(gè)幅值大約為0.237kV的不平衡電壓并與VA產(chǎn)生120°的夾角。當(dāng)A相C相各含有一個(gè)故障單元時(shí)，引起中性點(diǎn)電壓Vn與VA產(chǎn)生-120°的夾角。當(dāng)B相C相各含有一個(gè)故障單元時(shí)，引起中性點(diǎn)電壓Vn與VA產(chǎn)生0°的夾角。當(dāng)A相B相C相各含有一個(gè)故障單元時(shí)，中性點(diǎn)不平衡電壓會(huì)相互消除，回到平衡點(diǎn)。由于故有不平衡等其它導(dǎo)致系統(tǒng)不平衡的因素存在，為了驗(yàn)證方案安全性和可靠性，允許±10°的誤差存在。電容器組內(nèi)各相故障時(shí)的中性點(diǎn)不平衡電壓和正序電壓的相位關(guān)系如圖9所示。

圖9 A相含有一個(gè)故障的并聯(lián)電容器組的仿真結(jié)果

圖10 無(wú)熔絲單星形電容器組內(nèi)各相故障時(shí)中性點(diǎn)不平衡電壓和正序電壓的相位關(guān)系

這種方法同樣適用于雙星形以及其他種類連接的電容器組，通過(guò)這種方法去尋找故障相內(nèi)的故障點(diǎn)，極大縮短了故障點(diǎn)確定的時(shí)間。

7 結(jié)論

(1)并聯(lián)電容器組在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮到電容器組的接線方式和熔絲的選取，這些條件將會(huì)影響到保護(hù)的設(shè)置，如果選取不當(dāng)，不但浪費(fèi)資源起不到保護(hù)作用，甚至可能會(huì)造成事故的發(fā)生。

(2)在誤差所允許的范圍內(nèi)，上述故障電流、電壓的算法與仿真結(jié)果一致，是可靠的。不平衡保護(hù)是并聯(lián)電容器組的繼電保護(hù)的主要方式，通過(guò)不平衡保護(hù)計(jì)算分析為繼電保護(hù)跳閘點(diǎn)和報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置提供了理論基礎(chǔ)。

(3)故障相檢測(cè)方法適用于其它連接方式的電容器組，這種方法大大縮短了在維護(hù)檢修并聯(lián)電容器組工作中的修復(fù)時(shí)間，對(duì)檢修工作具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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