一起并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作原因分析及思考

南方電網(wǎng)紅河供電局 岳倩倩 余云光 黎慧明 余 煒 譚智斌 高 林

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展，電網(wǎng)無(wú)功需求日益增大，無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用廣泛。并聯(lián)電容器組具有投資小、運(yùn)維費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)，目前仍是電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)氖走x裝置[1]。由于應(yīng)用規(guī)模大，故障也隨之增多。行業(yè)內(nèi)有調(diào)查報(bào)告表明，在并聯(lián)電容器組故障中電容器本體故障僅占較小部分，大部分故障發(fā)生在并聯(lián)電容器組電抗器、避雷器、放電線圈等相關(guān)配套設(shè)備[2]。運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)表明，部分并聯(lián)電容器組故障頻發(fā)的原因是設(shè)計(jì)存在缺陷、卻得不到足夠重視，且這類問(wèn)題一般比較隱蔽，導(dǎo)致故障頻發(fā)而找不到問(wèn)題所在。

本文以某110kV變電站10kV并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)頻繁動(dòng)作事件為背景，結(jié)合并聯(lián)電容器組設(shè)計(jì)規(guī)范及保護(hù)原理，分析了不平衡電壓保護(hù)頻繁動(dòng)作的原因，并從中得到一些啟發(fā)。文中所述并聯(lián)電容器組發(fā)生不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作后，在半年內(nèi)重復(fù)多次發(fā)生不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作。檢修人員多次檢查并聯(lián)電容器組主設(shè)備，均未發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作的設(shè)備故障。每次排查完畢設(shè)備重投后運(yùn)行正常，但在日后運(yùn)行過(guò)程中又重復(fù)發(fā)生不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作。

1 故障電容器組簡(jiǎn)述

圖1為文中所述故障的10kV并聯(lián)電容器組接線圖。其接線型式不滿足《35kV～220kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》推薦接線型式[3]，圖中QS為并聯(lián)電容器組斷路器，QG為接地開關(guān)，L為干式空心電抗器，F(xiàn)V為避雷器，TV為放電線圈，C為電容器。其中避雷器及放電線圈與電容器并聯(lián)并組成單星形，星形中性點(diǎn)通過(guò)中性點(diǎn)避雷器接地。該并聯(lián)電容器組配置不平衡電壓保護(hù)，保護(hù)電壓模擬量取自放電線圈二次側(cè)，放電線圈二次繞組組成不完全三角形。

圖1 故障并聯(lián)電容器組接線圖

當(dāng)并聯(lián)電容器組正常運(yùn)行時(shí)，由于三相負(fù)載平衡，中性點(diǎn)避雷器上幾乎沒(méi)有電流，中性點(diǎn)對(duì)地相當(dāng)于開路，該并聯(lián)電容器組接線等效于圖2。等效圖的接線型式及保護(hù)方式符合《標(biāo)稱電壓1000V以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器第3部分：并聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器組的保護(hù)》推薦[4]，配置不平衡電壓保護(hù)，其保護(hù)原理如圖3。并聯(lián)電容器組正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓是一組對(duì)稱量，放電線圈二次繞組組成的不完全三角形開口電壓3U0為零，當(dāng)并聯(lián)電容器組由于外部或內(nèi)部原因?qū)е氯鄥?shù)不平衡時(shí)，開口電壓3U0升高，達(dá)到保護(hù)整定值后保護(hù)動(dòng)作，跳開并聯(lián)電容器組。

圖2 故障并聯(lián)電容器組等效圖

圖3 不平衡電壓保護(hù)原理圖

事故并聯(lián)電容器組于2020年6月發(fā)生不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作后檢修人員對(duì)并聯(lián)電容器組電容器、電抗器、避雷器及放電線圈進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。檢查完畢后，并聯(lián)電容器組重新投入運(yùn)行，未見異常。然而運(yùn)行一段時(shí)間后，該并聯(lián)電容器組又一次發(fā)生不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，檢修人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查仍未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。上述情況重復(fù)發(fā)生多次，檢查均未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。

2 故障原因分析及改進(jìn)措施

并聯(lián)電容器組的接線型式主要有星形和三角形接線兩種，根據(jù)設(shè)計(jì)容量的不同，每相又可以分成多個(gè)橋臂組成橋式接線[3]。其中單星形接線在3000kVar及以下并聯(lián)電容器組中最為常見。并聯(lián)電容器組除配置過(guò)流保護(hù)外，根據(jù)接線型式的不同還需配置不同的保護(hù)。中性點(diǎn)接地單星形并聯(lián)電容器組一般配置中性點(diǎn)電流保護(hù)或中性點(diǎn)電壓保護(hù)，中性點(diǎn)不接地單星形并聯(lián)電容器組一般配置不平衡電壓保護(hù)，單相雙橋臂并聯(lián)電容器組一般配置相電壓差動(dòng)保護(hù)，單相四橋臂一般配置橋式差電流保護(hù)[4]。

2020年12月，事故并聯(lián)電容器組再一次發(fā)生不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，檢修人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢查，最終發(fā)現(xiàn)中性點(diǎn)避雷器絕緣不合格，避雷器極間電阻僅48歐姆，可以認(rèn)為避雷器本體擊穿，中性點(diǎn)直接接地。

據(jù)圖1，當(dāng)并聯(lián)電容器組中性點(diǎn)避雷器擊穿后，該并聯(lián)電容器組接線型式實(shí)際變成中性點(diǎn)接地單星形，如圖4所示。根據(jù)《標(biāo)稱電壓1000V以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器第3部分：并聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器組的保護(hù)》，這種接線型式并聯(lián)電容器組應(yīng)當(dāng)配置中性點(diǎn)電流保護(hù)或中性點(diǎn)電壓保護(hù)，而不應(yīng)配置不平衡電壓保護(hù)[4]。

如圖4所示，當(dāng)中性點(diǎn)避雷器擊穿后，放電線圈相當(dāng)于通過(guò)電抗器接在10kV母線上，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，不平衡電壓可以通過(guò)放電線圈二次開口三角采樣，從而導(dǎo)致并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作。10kV系統(tǒng)是小電流接地系統(tǒng)，系統(tǒng)單相接地故障多發(fā)，因此當(dāng)中性點(diǎn)避雷器擊穿后，系統(tǒng)單相接地故障導(dǎo)致并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)頻繁動(dòng)作。

圖4 中性點(diǎn)避雷器擊穿后的接線方式

綜上分析，事故并聯(lián)電容器組的接線型式不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，建議依據(jù)典型設(shè)計(jì)，采用中性點(diǎn)不接地單星形接線，拆除中性點(diǎn)避雷器；此外根據(jù)《35kV～220kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定，選擇保護(hù)并聯(lián)電容器裝置的金屬氧化物避雷器的額定電壓應(yīng)考慮系統(tǒng)單相接地引起的工頻電壓升高[3]。因此并聯(lián)電容器組避雷器應(yīng)安裝于電容器線端與地之間，而不應(yīng)與電容器并聯(lián)，否則無(wú)法限制系統(tǒng)單相接地引起的工頻電壓升高。從圖1可以看出，故障并聯(lián)電容器組避雷器的安裝方式不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；結(jié)合以上兩點(diǎn)，需對(duì)該并聯(lián)電容器組進(jìn)行改造，拆除中性點(diǎn)避雷器，并將并聯(lián)電容器組避雷器直接接地，改進(jìn)接線如圖5。

圖5 改進(jìn)的接線方式

綜上，本文針對(duì)10kV并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)頻繁動(dòng)作特定事件，結(jié)合保護(hù)原理分析了不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施；從事件處理中可以看出，在并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作缺陷處理中，檢修人員缺乏對(duì)保護(hù)原理的分析，事故檢查試驗(yàn)缺乏針對(duì)性，處理方式比較常規(guī)，往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷或問(wèn)題；部分并聯(lián)電容器組設(shè)計(jì)不符合規(guī)范，廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)充分論證方可投入應(yīng)用，否則可能導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常。