電力電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作原因分析及故障診斷

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(國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000)

1 引言

電力電容器組作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，在補(bǔ)償系統(tǒng)的無功功率、提高功率因數(shù)、改善電壓品質(zhì)、減少線路的損耗、提高電網(wǎng)輸送電能能力、保證發(fā)電機(jī)的出力和設(shè)備的運(yùn)行能力等方面發(fā)揮著不可替代的作用。然而近年來，隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，無功補(bǔ)償裝置的大量投運(yùn)，電力電容器組在運(yùn)行中問題頻出，特別是電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致其開關(guān)跳閘的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。表1是對某市電容器組一年內(nèi)的故障情況統(tǒng)計(jì)表。

從表1中可以看出，電力電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作占總故障次數(shù)的84%[1]，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了電容器組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，亟需探索其產(chǎn)生原因并提出解決方案。

表1 電容器組故障情況統(tǒng)計(jì)表[1]

2 電力電容器組不平衡電壓保護(hù)

2.1 保護(hù)原理

電力電容器組不平衡電壓保護(hù)又稱開口三角形保護(hù)、零序電壓保護(hù)，原理為檢測電容器組端電壓，在二次端接成開口三角形得出零序電壓，判斷三相是否平衡，進(jìn)而得出設(shè)備是否存在故障。

2.2 保護(hù)定值的整定

整定電壓值按單臺(tái)電容器(或電容器內(nèi)小電容元件)切除、擊穿后，故障相其余單臺(tái)電容器所承受的電壓(或電容器內(nèi)小電容元件)不長期超過額定電壓1.1倍的原則確定整定值，并且可靠躲過電容器組正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡電壓，其動(dòng)作時(shí)間為0.1～0.2s[2]。

電力電容器組不平衡電壓保護(hù)的整定值為：

(1)

其中，Udz為動(dòng)作電壓；Uch為差電壓；ny為電壓電壓互感器變比；Klm為靈敏系數(shù)。

對有專用單臺(tái)熔斷器保護(hù)的電容器組：

(2)

對未設(shè)置專用單臺(tái)熔斷器保護(hù)的電容器組：

(3)

其中，K故障切除的電容器數(shù)；β為任意一臺(tái)電容器擊穿元件的百分?jǐn)?shù) ；N為每相電容器的串聯(lián)段數(shù)，M為每相各串聯(lián)電容器并聯(lián)臺(tái)數(shù)，Uex為電容器組的額定電壓。

3 不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作原因分析

3.1 電容器組三相電容量不平衡

中性點(diǎn)不接地的星型接線電容器組，當(dāng)三相電容器組電容值不平衡時(shí)，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生電壓分布不均的情況。電容值小的一相或承受較高的電壓，并隨著電容值不平衡加大，電壓分布不均的情況也隨之加大。電容量不平衡產(chǎn)生的原因大致有兩種情況：一是產(chǎn)生于電力電容器組本身，由于電容器制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量以及長時(shí)間運(yùn)行絕緣下降等原因，導(dǎo)致電容量變化，引發(fā)不平衡現(xiàn)象；二是由于電容器組內(nèi)部的內(nèi)熔絲熔斷切斷故障元件導(dǎo)致電容量出現(xiàn)不平衡。

3.2 不平衡電壓保護(hù)整定有誤

電力電容器組不平衡電壓保護(hù)整定有誤也是導(dǎo)致其保護(hù)動(dòng)作的重要原因之一，主要體現(xiàn)在：

(1)電壓定值選擇不合理，定值整定太低，不能躲過正常運(yùn)行的不平衡電壓；

(2)保護(hù)出口時(shí)間整定太短，躲不過電容器組投入時(shí)產(chǎn)生的不平衡電壓時(shí)間。

根據(jù)DL/T584-1995《 3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》中規(guī)定，不平衡電壓保護(hù)整定值應(yīng)按照本文2.2中的公式進(jìn)行整定。

3.3 電壓諧波污染放大

電網(wǎng)中若接入大量的非線性負(fù)載，可能會(huì)造成電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，引起電網(wǎng)的諧波“污染”。為有效地抑制諧波污染，電力系統(tǒng)通常采用在并聯(lián)電容器的回路中串聯(lián)電抗器的方法，防止諧波對電容器造成危害，避免電力電容器的接入對電網(wǎng)諧波的過度放大和諧振。但是，若串聯(lián)電抗器與電容器組組合不正確，可能會(huì)造成諧波電壓放大的現(xiàn)象，引起保護(hù)誤動(dòng)作。

根據(jù)串聯(lián)電抗器的選擇與諧波放大關(guān)系問題，通過建立帶有諧波源的電容器裝置簡化電路模型，推導(dǎo)得出諧波電壓放大率計(jì)算公式：

(4)

式中，s=QCN/Sd，K為電抗率(K=XL/XC)；Sd為電容器裝置接入處母線的短路容量；QCN為電容器裝置容量；XL為串聯(lián)電抗器基波電抗；XC為電容器組基波容抗。

3.4 三相放電線圈性能存在差異

如果三相放電線圈性能(包括伏安特性)存在較大差異，即便一次系統(tǒng)平衡，也可能會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生不平衡電壓，甚至引起保護(hù)誤動(dòng)。因此，應(yīng)注意放電線圈的選用和產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)。

4 不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作后的故障診斷

4.1 接頭發(fā)熱對電容器組運(yùn)行的影響

電力電容器組運(yùn)行過程中，因接頭發(fā)熱而退出運(yùn)行的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由于電容器投入后滿載運(yùn)行，若電容器施工中或長期運(yùn)行后如果接頭壓接不實(shí)，就可能會(huì)引起接頭發(fā)熱。除此之外，還應(yīng)檢查電容器組刀閘、地刀等設(shè)備接頭情況，接點(diǎn)是否松動(dòng)，接觸是否良好。

4.2 合閘時(shí)不平衡電壓和時(shí)間配合問題

在電力電容器組斷路器合閘過程中，會(huì)產(chǎn)生不同程度的操作過電壓，這個(gè)操作過電壓會(huì)導(dǎo)致放電線圈的勵(lì)磁特性發(fā)生變化，并在放電線圈二次側(cè)出現(xiàn)一個(gè)大于保護(hù)定值的零序電壓，若超出保護(hù)定值延時(shí)范圍之外，零序電壓衰減后仍大于保護(hù)定值，就會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)。如若發(fā)生此現(xiàn)象，應(yīng)略微調(diào)高保護(hù)定值。

4.3 電容器與電抗器配合問題

電容器批量化生產(chǎn)制造過程中不可避免的存在電容差，電容器組組裝時(shí)不可能使其電容量完全均衡。雖然《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：電容器的實(shí)測電容值與額定值的偏差不超過額定電容值的-5%～+10%，但在實(shí)際安裝施工中，即使每個(gè)電容器的實(shí)際電容量均滿足要求，如果將電容量正偏差的電容器均放在一相上，負(fù)偏差的放在另一相，亦會(huì)造成電容器組三相電容量的不平衡。若此時(shí)放電線圈三相變比、角差也出現(xiàn)偏差，且電容器的正偏差和放電線圈的正偏差組合在一起，也有可能造成跳閘[3]。

4.4 電容器三相電容量不平衡或放電線圈變比不一致

導(dǎo)致電容器三相電容量不平衡或放電線圈變比不一致有諸多原因，主要包括以下幾種情況：

(1)在實(shí)際運(yùn)行中，大量的非線性負(fù)載的存在會(huì)產(chǎn)生大量諧波源，導(dǎo)致電源質(zhì)量不佳，產(chǎn)生的不平衡電壓導(dǎo)致電容器三相電壓不平衡，容易導(dǎo)致部分電容擊穿，電容量發(fā)生變化，三相電容量不平衡。

(2)為了保證電網(wǎng)電壓質(zhì)量，電容器組頻繁投切，投切電容器產(chǎn)生的操作過電壓易損壞放電線圈，導(dǎo)致放電線圈匝間短路甚至擊穿，使變比準(zhǔn)確度受到影響。

(3)在運(yùn)行過程中，線路單相接地時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生弧光接地過電壓，時(shí)斷時(shí)續(xù)的過電壓會(huì)導(dǎo)致外熔絲熔斷，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電容擊穿，使電容量發(fā)生變化。

5 實(shí)例分析

2016年6月15日，某110kV變電站10kV#3電容器不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，#3電容器開關(guān)跳閘?，F(xiàn)場人員開展了電容器試驗(yàn)、電抗器試驗(yàn)、電纜絕緣試驗(yàn)等，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 10kV#3電容器電容量預(yù)試結(jié)果

表3 10kV#3電容器放電線圈預(yù)試結(jié)果

從表中可以看出，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均合格，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

考慮到改變電站所在地光伏電源分布廣泛，作業(yè)人員猜測可能是諧波“污染”問題導(dǎo)致電力電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作。為此，作業(yè)人員進(jìn)行諧波測試，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10kV#3電容器與其串聯(lián)電抗器的配置不正確，導(dǎo)致電網(wǎng)五次、七次諧波放大引起諧振，引起電力電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，需重新計(jì)算并配置串聯(lián)電抗器。

6 總結(jié)

電容器組電壓不平衡保護(hù)動(dòng)作跳閘，一般是由于電容器組三相電容量不平衡、不平衡電壓保護(hù)整定有誤、電壓諧波污染放大、三相放電線圈性能存在差異等原因?qū)е?。因此，在運(yùn)行中的電容器組發(fā)生不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，應(yīng)檢查電容器的電容量是否發(fā)生變化、保護(hù)定值是否合適、電容器與電抗器配合是否合適、放電線圈的變比是否發(fā)生變化等等。