220 kV變電站35 kV電容器組差壓保護頻繁動作的原因分析

姚宸揚，紀 濤，宋賢良

（國網浙江德清縣供電公司，浙江 德清 313200）

220 kV變電站35 kV電容器組差壓保護頻繁動作的原因分析

姚宸揚，紀 濤，宋賢良

（國網浙江德清縣供電公司，浙江 德清 313200）

某變電站35 kV 1號電容器連續(xù)在4天內發(fā)生了3起差壓保護動作事件。經過現(xiàn)場檢查及電容器試驗后，排除了電容器內部故障的可能性。在考慮外部因素時提出假設，并通過理論分析和電能質量測試，最終證實了諧波是導致電容器熔絲多次熔斷的主要原因。

電容器；內部故障；諧波電流；放大效應

0 引言

無功功率以及電壓調整對電網的安全可靠運行非常重要。電網需要保持系統(tǒng)中無功功率的平衡，同時該平衡與電壓有著密切的關系，無功電源的充足與否，關系著電壓的合格水平。為了維持電壓在規(guī)定的范圍內，必須采取無功補償措施，最常用的無功補償方式是并聯(lián)電容器。

目前，德清縣境內變電所主變壓器低壓側母線上均裝設了并聯(lián)電容器并配置電容器保護。其保護配置一般為：高電壓保護、低電壓保護、過電流Ⅰ段、Ⅱ段保護以及不平衡電壓保護，不平衡電壓保護、差壓保護一般兩者取其一。

1 事件簡介

2014年10月，德清縣境內220 kV莫梁變電站（以下簡稱莫梁變）35 kV 1號電容器配置差壓保護連續(xù)4天內發(fā)生3起差壓保護跳閘事件，莫梁變35 kV系統(tǒng)為分列運行，具體情況如下：

（1）10月18日11∶21，莫梁變35 kV 1號電容器Ⅰ組電容器開關因差壓保護動作跳閘，11∶24Ⅱ組電容器開關也因差壓保護動作跳閘，經現(xiàn)場檢查Ⅰ組C相5號熔絲熔斷，Ⅱ組C相6號熔絲熔斷，于當天停役作更換熔絲處理。

（2）10月19日，35 kV 1號電容器Ⅱ組電容器開關、Ⅰ組電容器開關于11∶18和11∶21因差壓保護動作先后跳閘，現(xiàn)場檢查Ⅰ組C相5號熔絲熔斷，Ⅱ組C相6號熔絲熔斷，于10月20日進行更換熔絲處理。

（3）10月21日，35 kV 1號電容器Ⅱ組電容器開關、Ⅰ組電容器開關于11∶19和11∶20因差壓保護動作先后跳閘，現(xiàn)場檢查Ⅰ組C相3號熔絲熔斷，Ⅱ組C相4號熔絲熔斷。

2 故障范圍的分析

2.1 差壓保護原理及分析

如圖1所示，電容器組的差壓保護是通過檢測同相電容器組2個串聯(lián)段之間的電壓，經過比較后作出相應判斷。當設備正常時，兩段的容抗相等，兩者壓差為零。當某段出現(xiàn)故障時，由于容抗的變化使各自分壓不相等而產生壓差，當壓差超過允許值時，保護動作。這主要是用于避免單相電容器個別元件短路、擊穿、斷線等故障退出運行后事故的擴大[1]。內部元件故障靠熔絲來隔離故障，本次事件中，單個熔絲熔斷后，引起了非故障相電容器及故障相中健全元件電壓的升高，因此導致了差壓保護動作。

圖1 差壓保護原理

2.2 電容器內部常見故障及判斷

熔絲熔斷的原因有很多，最為常見的是電容器內部故障。實際運行中具體表現(xiàn)為：

（1）滲漏油。并聯(lián)電容器滲漏油是一種最常見的異?，F(xiàn)象，滲漏油的主要原因是出廠產品質量不良，運行維護不當，長期運行缺乏維修，外皮生銹腐。經現(xiàn)場觀察，本次故障所涉及電容器并無此現(xiàn)象。

（2）外殼膨脹。主要原因是：在高電場作用下，電容器內部絕緣發(fā)生游離而分解出氣體。部分元件擊穿，電極對外殼放電，密封外殼內部對外壓差逐漸增大。經現(xiàn)場觀察，本次故障所涉及電容器并無此現(xiàn)象。

（3）瓷瓶表面閃絡放電。主要原因是絕緣存在缺陷、表面臟污等。經現(xiàn)場檢查，1號電容器組并無表面臟污，是否存在絕緣缺陷需經絕緣試驗后方可確認。

（4）電容量的影響。電容量的變化會影響容抗大小，從而造成差壓保護的動作。電容量是否變化需經試驗后方可確認[2]。

因此必須對1號電容器組進行絕緣電阻和電容量試驗，才能確定故障具體原因。在對1號電容器組各相電容器進行試驗后發(fā)現(xiàn)，絕緣電阻值和電容量都在標準范圍內，因此可以判定：熔絲熔斷并非電容器內部故障所致。

3 諧波對電容器的影響

電容器作為無功補償設備接入電力系統(tǒng)以后，不僅承受電網工頻電壓，產生工頻電流，在電網非正弦用電設備諧波源的作用下還會產生高次諧波電流，電容器是在工頻電壓源和高次諧波電流源這2種不同性質的電源下工作。由于電容器是容性電抗，在與感性電抗并聯(lián)時，由用戶諧波源流入電容器的諧波電流將發(fā)生變化[3]。此外，畸變的電壓會使電容器產生額外的功率損耗，嚴重時會引起發(fā)熱、局部放電，導致電容器損壞。

另外，該事件中差壓保護動作時間都在11∶20左右，其中10月20日開關未跳閘，是因為11∶20左右時2組電容器均在檢修狀態(tài)，并未投運。因此可以假設是電網中某周期性負荷的諧波分量造成電容器的熔絲燒斷。

3.1 并聯(lián)電容器組的諧波放大效應

如圖2所示，所謂諧波放大,是指電容器組投入后，由于電容器組的諧波阻抗是容性的，就會在電源或電容器回路中，通過比諧波源產生的諧波電流還要大的諧波電流。當電源阻抗與電容器阻抗構成諧波諧振條件時，更會使諧波電流異常擴大，同時造成系統(tǒng)諧波電壓的增大[4]。

圖2 系統(tǒng)等效模擬

查閱《2014年德清縣電網等值阻抗表》，莫梁變35 kV母線側系統(tǒng)阻抗標幺值為0.150 2，則：

圖3所示為事件發(fā)生時莫梁變電容器組的接線方式（以A相為例），根據試驗報告中單個電容的電容量一般為4.56μF左右，計算電容器阻抗：

串聯(lián)電抗器實測電感L=0.84 mH，計算串聯(lián)電抗器感抗：

由于事故發(fā)生時，1組電容器與2組電容器并聯(lián)運行，因此2個電容器組的并聯(lián)阻抗為：

圖3 莫梁變電容器組接線方式

3.2 諧波源的確定

如圖4所示，事件發(fā)生時莫梁變運行方式為35 kV系統(tǒng)分裂運行，Ⅰ段母線上接有通杭3154線，溪梁3887線，城山3152線，莫能3153線共4條出線。其中溪梁3887線一直處于冷備用狀態(tài)，城山3152線在事件發(fā)生的4天中并無負荷，莫能3153線是接綠能發(fā)電廠的線路，當時也無負荷，因此可以排除三者是諧波源的可能性。為進一步確認，僅需對通杭3154線進行試驗分析。

圖4 莫梁變35 kVⅠ段母線運行方式

通過分析10月18日通杭3154線電流遙測量曲線（見圖5）可以發(fā)現(xiàn)，每晚10∶00過后，通杭3154線的電流有效值由0 A短時間增加至600 A以上，而電容器組的熔絲也是在此時間段熔斷的。35 kV 1號電容器組的熔絲燒斷極有可能與通杭3154線的用戶有關。因此可以設想：當有一定量的諧波進入莫梁變35 kVⅠ段母線時，由于1號電容器的放大作用，其諧波電流值超過整定值，從而導致其熔絲熔斷。而通杭3154線上恰好接有大用戶某金屬制品有限公司，由于其鑄鋼連軋機組為非線性負載設備，極有可能是電網出現(xiàn)諧波的主要原因。

圖5 通杭3154線電流曲線

3.3 電能質量分析

3.3.1 電壓質量分析

通過試驗記錄反映，35 kV母線曾監(jiān)測到多達200次的暫態(tài)電壓事件。圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在10月27日21∶58，35 kVⅠ段母線的A，B，C三相電壓的波形發(fā)生了明顯的畸變，其中6次、8次諧波電壓畸變率超過了1.2%的門檻值，威脅電網的安全穩(wěn)定運行。

圖6 35 kV莫梁變35 kVⅠ段母線電壓波形（10月27日21∶58）

3.3.2 電流質量分析

通過對通杭3154線間隔的電能質量測試，諧波電流的超標較為嚴重。表1為3154線的諧波電流測試數據，由表1可見，35 kV通杭3154線諧波電流以6次、7次、9次、10次為主，其中6次、8次、9次、10次諧波電流分別超過了國標規(guī)定的限值。根據如圖7所示的電流波形不難發(fā)現(xiàn)，通杭3154線用戶的負荷電流具有較大的沖擊波動性，生產期間電流波動較大，且A，B，C三相電流波形帶有明顯的畸變。

圖7 35 kV通杭3154線電流波形（用戶啟動生產時）

圖8為當時電容器總柜間隔上另一臺電能質量分析儀所測諧波數據，可見其諧波總有效值波動性較大，尤其以用戶剛投運的時候最為嚴重。其中在22∶00，通杭3154線用戶啟動機組時，電容器間隔諧波電流總有效值達到336 A。通過圖3電容器組接線方式計算，此時每個電容器上流過的電流約為336/12=28 A，超過熔絲的熔斷值25 A，因此導致熔絲燒斷，繼電保護差壓保護動作。

表1 35 kV通杭3154線的諧波電流

圖8 35 kV電容器間隔諧波電流總有效值趨勢

4 結論及建議

當諧波次數接近9次時，莫梁變35 kV系統(tǒng)容易出現(xiàn)并聯(lián)諧振，電容器支路的諧波電流將被放大到較為嚴重的程度。通杭3154線用戶是莫梁變35 kVⅠ段母線諧波的主要來源，其6次、8次、9次、10次諧波電流均超標，且均接近系統(tǒng)并聯(lián)諧振時的諧波次數。用戶在啟動非線性負載設備時，流過電容器組單個電容器的諧波總有效值達28 A，超過熔絲熔斷值25 A，因此導致電容器的熔絲燒斷。單個熔絲燒斷引起了非故障相電容器及故障相中健全元件上電壓的升高，繼電保護設備差壓繼電器啟動，最終使得35 kV 1號電容器保護動作跳閘。

針對該問題，建議采取以下處理方法：

（1）在諧波源處進行諧波治理。諧波的就地治理是較為常用的方式，開展用戶某金屬制品有限公司現(xiàn)場消諧裝置的專項檢查，主要是對諧波試驗中發(fā)現(xiàn)超標的6次、8次、9次和10次諧波設置濾波回路，確?？刂圃趪覙藴试试S范圍之內。

（2）在微機保護上加入針對諧波分量的保護類型。為避免高次諧波分量對電容器組的危害，可在諧波較為嚴重的變電所內加入電容器諧波保護。目前常用的諧波保護主要有單次諧波過電壓保護、單次諧波過電流保護、電流波形總畸變率保護和電壓波形總畸變率保護[6]。

[1]張雄偉.并聯(lián)電力電容器保護[J].電力電容器與無功補償，2008，29（6）∶46-48.

[2]王敏.并聯(lián)電容器內部故障保護的現(xiàn)狀及分析[J].浙江電力，2002，21（1）∶9-12.

[3]柯于剛.三星形接線電容器組電容量測量異常分析及對策[J].浙江電力，2016，35（9）∶32-34.

[4]趙榮普.并聯(lián)電容器的運行維護及故障分析[J].云南水力發(fā)電，2009，25（1）∶93-95.

[5]劉賢斌.微機型并聯(lián)電容器諧波保護的研究[J].安徽電氣工程職業(yè)技術學院學報，2012，34（2）∶32-39.

[6]周輝，潘建，高健.變電站并聯(lián)電容器諧波放大及改進措施[J].華中科技大學學報，2007，35（6）∶70-73.

[7]孔斌，劉憲林.農網變電所并聯(lián)補償電容器諧波放大問題分析[J].中國農村水利水電，2008，43（4）∶133-134.

[8]劉賢斌.微機型并聯(lián)電容器諧波保護的研究[J].電力電容器與無功補償，2013，34（2）∶12-16.

（本文編輯：徐 晗）

Cause Analysis on Frequent Differential Protection Actions of 35 kV Capacitor Bank in 220 kV Substation

YAO Chenyang，JI Tao，SONG Xianliang

（State Grid Zhejiang Deqing Power Supply Company，Deqing Zhejiang 313200，China）

∶Three differential protection action events occurred in 35 kV#1 capacitor bank in a substation in four days.By field examination and capacitor test，the possibility of internal capacitor fault is excluded.The paper makes assumptions while its takes the external factors into account，and through theoretical analysis and power quality test it proves that the frequent capacitor fusing is mainly caused by harmonic.

∶capacitor；internal fault；harmonic current；amplification effect

.201704017

1007-1881（2017）04-0068-05

：TM773+.4

：B

2016-11-07

姚宸揚（1990），男，助理工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護工作。