并聯(lián)電容器組不平衡保護在供電系統(tǒng)中的應用

陳勤嬌 吳 昊

（國網上海市北供電公司，上海200072）

0 引言

隨著電網的蓬勃發(fā)展，社會對電力能源的逐步依賴給供電系統(tǒng)帶來了新的考驗，而傳統(tǒng)較小容量的變壓器已不能滿足日益增長的負荷需求，因此新建變電站的主變容量較以往有所增大，變壓器的擴容也使得其對電網的無功補償有了新的要求。

1 電容器保護概述

1.1 電容器保護原理

電容器是一種重要的無功補償設備，作用在于減少電網中輸送的無功功率，有效降低有功電量的損失，達到改善電壓質量的目的，在電力系統(tǒng)中被廣泛采用。目前供電系統(tǒng)中普遍安裝了高壓并聯(lián)電容器組，通過電壓無功控制系統(tǒng)（VQC）或定時投切輸送容性無功功率，以補償用電設備的感性無功功率，從而提高功率因數，達到節(jié)約電能和降低線損的目的。

但同時，作為電力設備，電容器發(fā)生故障時危害也是不容忽視的，如滲漏油、外殼變形膨脹等，都會影響系統(tǒng)的正常運行，當某電容器發(fā)生內部元件或外殼絕緣擊穿時，會使其他正常運行的電容器對該故障電容器釋放非常大的能量，可能造成電容器爆炸乃至引起火災。除此之外，電容器自身制造工藝不良、日常運行電壓過高、諧波分量大、發(fā)生操作過電壓等也會導致電容器爆炸。因此，為其量身定做合理的保護裝置，可以有效避免電網由于電容器損壞而發(fā)生重大事故。

1.2 電容器保護種類

按照電容器發(fā)生故障的原因，電容器保護可分為兩大類：一種是異常運行狀況，如過電壓、低電壓運行對電容器本身的安全運行造成危害，針對該類故障，配備了過電壓保護（以往常用放電PT二次相電壓，現常用系統(tǒng)母線電壓為采樣值）和低壓保護；另一種則是電容器裝置自身的內部故障，包括并聯(lián)電容器組與斷路器之間的短路故障，由此裝設了相過流保護、零序電流保護以及不平衡電流（電壓）保護。在這里，我們著重討論供電系統(tǒng)中并聯(lián)電容器組的不平衡電流（電壓）保護。

2 并聯(lián)電容器組中性點不平衡保護的應用現狀

現上海地區(qū)的供電系統(tǒng)中，35kV降壓變電站中電容器裝置普遍的配置是：（相／零序）過電流保護、中性橫差（即不平衡電流）保護、過電壓（放電PT）保護；而新建的110kV降壓變電站中，電容器裝置的保護配置則為：（相／零序）過電流保護、零序電壓（即不平衡電壓）保護、過電壓（母線PT線電壓）保護。有明顯區(qū)別的是過去廣泛使用的是不平衡電流保護，而現今新的保護配置采用的是不平衡電壓保護，針對這一變化，我們從保護的原理出發(fā)作深入研究。

2.1 不平衡電流保護原理

為防止電容器爆炸，電容器組的接線方式通常采用星形接線，因為當電容器組發(fā)生電容器擊穿短路時，由于故障電流受到了非故障相容抗的限制，使得來自系統(tǒng)的工頻電流大大減少，只有來自同相健全電容器的涌放電流，并無其他兩相的，因此很少會發(fā)生油箱爆炸事故。

當電容器組中電容器臺數較多時，可將其分為兩組，連接成兩組星形接線，在兩組星形的中性點連線上裝設橫差保護（即中性點不平衡電流保護）。在系統(tǒng)正常運行時，電路中電容器的三相容抗對稱，兩個星形的中性點電位相等，且沒有電流通過。而當電路中任一相的電容器發(fā)生擊穿故障時，兩個星形中性點將會流過不平衡電流，達到整定值后，通過中性橫差保護出口切除電容器斷路器。在以往的大多數35kV降壓變電站中，電容器保護裝置都采用了這一保護方式。

2.2 不平衡電壓保護原理

通常在每一相電容器組的兩端會裝設放電PT的線圈，這樣既能正確反映電容器兩端的端電壓以及內部故障后產生的不平衡電壓，在電容器組與母線斷開時放電PT又能作為一條通路將電容器中的剩余電荷盡快釋放掉，從而保護人身和設備的安全。

不平衡電壓保護的原理就是當把電壓互感器作為電容器組的放電電阻時，PT的一次線圈與該電容器并聯(lián)成為放電線圈，其二次線圈中的一套則接成開口三角接線，在開口處連接一只較低整定值的電壓繼電器。在系統(tǒng)正常運行時，所采得的三相電壓較為平衡，開口處電壓則為0，當某一相電容器發(fā)生故障時，三相電壓不平衡，開口處就會出現零序電壓，不平衡電壓保護就是利用這個零序電壓值來啟動繼電器并接通跳閘回路，切除整組電容器，從而起到保護電容器組的目的，因此該保護也被稱為零序電壓保護。目前，在新建的110kV降壓變電站中普遍用不平衡電壓保護來代替不平衡電流保護。

2.3 不平衡電流保護與不平衡電壓保護的應用范圍

在2008年國家電網公司修訂的Q／GDW212—2008《電力系統(tǒng)無功補償配置技術原則》中：“7.1.2 當35～110kV變電站為電源接入點時，按主變壓器容量的15%～20%配置?！薄?.2 110（66）kV變電站的單臺主變壓器容量為40MVA及以上時，每臺主變壓器配置不少于兩組的容性無功補償裝置?！?/p>

根據以上規(guī)定，本公司所管轄的變電站內電容器組容量的選擇按主變容量的15%來配置。

以富錦站為例，該站為35kV降壓變，三主變四分段接線，兩臺主變均為20MVA，每臺主變帶一個電容器組，則該電容器組的容量應為3 000kvar，分為甲組（1 800kvar）和乙組（1 200kvar），電 容 器 型 號 均 為 100kvar的 B AM111W，即甲組有18臺電容器，乙組則有12臺，均采用雙星形接線方式，因此該電容器保護中配置的是中性橫差（即不平衡電流）保護。

另以110kV降壓變羅智站為例，該站為三主變六分段接線模式，每臺主變容量為80MVA，則該主變應配置12 000kvar的電容器組，且不少于兩組，若仍使用以往100kvar容量的電容器，需要120臺電容器，占地面積較大，且不夠經濟，因此該站采用了容量334kvar的 B AM111W 電容器，分三組，容量分別為3 006kvar（9臺電容器）、4 008kvar（12臺電容器）、5 010kvar（15臺電容器），從每組電容器臺數來看，僅能構成單星形接線，因此無法使用中性橫差保護。而零序電壓（不平衡電壓）保護也能起到保護電容器的目的，在功能上可以取代不平衡電流保護。

2.4 并聯(lián)電容器組不平衡保護的優(yōu)缺點

零序電壓保護的優(yōu)點是靈敏度高、動作可靠性強、占地面積小，且很好地利用了放電PT原本作備用的開口三角繞組，經濟性顯著提高，目前廣泛應用于單星形接線的電容器組中。但是當母線的三相電壓不平衡時，所采樣到的零序電壓如持續(xù)超過整定值，則可能造成保護發(fā)誤動，且不能指示故障相位。

不平衡電流保護方式較為簡單，當發(fā)生系統(tǒng)電壓不平衡或單相接地故障等情況時，都不會引起誤動作。但由于是通過兩個星形中性點之間產生的差流來啟動保護動作，因此不能夠識別故障相且無法檢測到三相平衡故障和兩組對稱的故障。就單個保護而言，不平衡電流保護比零序電壓保護精度更高，但占地面積增大，且需另配置中性橫差CT，與零序電壓保護相較顯得不夠經濟。

因此，選用何種并聯(lián)電容器組不平衡保護，需綜合考慮電網對保護靈敏度的要求、實際電容器所允許的接線方式以及經濟性。為揚長避短，變電站內普遍采用不平衡保護與電容器過電流、過電壓保護結合組成的整套保護裝置，以提高動作準確性。

3 結語

通過整套電容器組保護裝置的配置，能夠在電容器組發(fā)生故障時準確且及時地切除故障，隨著變電站內主變擴容，所需無功補償的容量增大，電容器的配置發(fā)生了明顯的變化，其保護的手段也應作出相應的變化調整。經過對比發(fā)現，不平衡電壓（零序電壓）保護由于對電容器接線的要求較低，并且能降低新建以及日常維護成本，在今后的使用中更具有優(yōu)勢。