并聯(lián)電容器組不平衡保護配置原則與方法

徐慶鋒，岳陳熙

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023;國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，長沙 410004）

0 引言

并聯(lián)電容器是目前應(yīng)用最廣泛的無功補償設(shè)備，它對補償輸電線路、變壓器等無功消耗，減少線路上因大量無功傳輸而引起的電能損失，解決無功電源不足，提高功率因數(shù)，調(diào)節(jié)電壓，改善電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行具有重要的意義。

目前，單臺電容器額定容量已做到50、100、200、334、500 kvar 系列標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，且單臺電容器組合靈活，更換故障電容器方便，價格便宜?？蚣苁诫娙萜餮b置將單個電容器集中組合布置，占地面積小，技術(shù)成熟，是目前工程中采用最多的并聯(lián)電容器形式。

電容器是儲能設(shè)備，內(nèi)部場強高達66 MV/mm，對沖擊過電壓和高頻過電壓沖擊波都非常敏感[1～3]。電容器組由單個電容器串并聯(lián)而成，單元件發(fā)生故障將改變其余元件上的電壓分布，產(chǎn)生群爆情況[4、5]?；谶@些特點，電容器保護的配置有其特殊性。本文以電容器組不平衡保護作為研究對象，探討不平衡保護配置原則與方法。

1 并聯(lián)電容器選型

1.1 容量選擇

并聯(lián)電容器作為重要的無功補償設(shè)備，容量選擇應(yīng)根據(jù)本地區(qū)電網(wǎng)無功規(guī)劃并經(jīng)系統(tǒng)計算后確定，也可按照變壓器容量進行估算，無功補償容量可按主變?nèi)萘康?0%～30%配置[6]。并聯(lián)電容器總?cè)萘看_定后，通常將電容器分成若干組再進行安裝，單組電容器容量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)短路容量，按照分組投切時電壓波動不宜超過母線額定電壓的2.5%選取[6]，同時也避免電容器分組過多。計算公式如下：

式中：ΔU為母線電壓升高值，kV；US0為電容器投入前的母線電壓，kV；Q為電容器組容量，Mvar；Sd為母線三相短路容量，MVA。

1.2 主接線選擇

并聯(lián)電容器組基本接線應(yīng)采用星形接線，中性點不接地。從檢修安全角度考慮，中性點應(yīng)設(shè)置接地開關(guān)。對于電容器組內(nèi)部接線，每相或每個橋臂，應(yīng)采用先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式。考慮到單個電容器的額定電壓峰值和耐爆能量，電容器并聯(lián)總?cè)萘坎粦?yīng)超過3900 kvar。

1.3 串聯(lián)電抗器選擇

串聯(lián)電抗器應(yīng)根據(jù)使用條件，選擇干式或油浸式電抗器。串聯(lián)電抗器電抗率應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)諧波成分選擇，根據(jù)經(jīng)驗當(dāng)諧波為5次及以上時，電抗率宜取5%；當(dāng)諧波為3次及以上時，電抗率宜取12%，亦可采取5%與12%兩種電抗率混裝方式。僅用于限制涌流時，電抗率宜取0.1%～1%。

1.4 放電線圈選擇

放電線圈應(yīng)采用專用的油浸式或干式放電線圈。其性能應(yīng)滿足電容器組脫開電源后，在5 s 內(nèi)將電容器組的剩余電壓降至50 V及以下[7]。放電線圈帶有二次線圈時，其額定輸出、準(zhǔn)確級，應(yīng)滿足保護和測量的要求。

2 不平衡保護方式

考慮到大多數(shù)電容器組對稱故障均從單相故障發(fā)展而來，準(zhǔn)確的不平衡保護配置對提高保護靈敏度、防止保護誤動等有著非常重要的作用[8、9]。按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，高壓并聯(lián)電容器組均應(yīng)設(shè)置不平衡保護[7]。不平衡保護應(yīng)滿足可靠性和靈敏性要求，保護方式可根據(jù)電容器組接線方式選擇。一般有開口三角電壓保護、相電壓差動保護、橋式差電流保護、中性點不平衡電流保護[10]。

2.1 開口三角電壓保護

利用放電線圈的二次線圈接成開口三角形，在開口處接一個低整定值的電壓繼電器構(gòu)成開口三角電壓保護。開口三角電壓保護接線圖（見圖1）。

圖1 開口三角電壓保護接線圖

該保護使用設(shè)備數(shù)量少、安裝簡單，不受系統(tǒng)接地故障和不平衡電壓影響，不受三次諧波影響。當(dāng)用于多段串聯(lián)時，由于放電線圈電壓變比大，保護整定難以與電容器內(nèi)熔絲配合，放電線圈三相性能差異和電源不平衡都會產(chǎn)生不平衡電壓，影響保護靈敏性。該保護一般用于10 kV 電壓等級，20 Mvar及以下單星形簡單接線電容器組。

2.2 相電壓差動保護

當(dāng)電容器組每相有兩個及以上的串聯(lián)段組成，可將放電線圈的二次線圈按差電壓接線并接入電壓繼電器構(gòu)成相電壓差動保護，相電壓差動保護接線圖見圖2。該保護不受系統(tǒng)接地故障和系統(tǒng)電壓不平衡影響，不僅動作比較靈敏，還可以判斷出故障相別。缺點是使用的設(shè)備比較復(fù)雜，特殊情況需增設(shè)電壓放大回路，對稱故障時保護不會動作。當(dāng)保護串聯(lián)段增多時，保護靈敏度顯著降低，使用范圍受限。主要用于35 kV及以下電壓等級容量不超過20 Mvar電容器組。

圖2 相電壓差動保護接線圖

2.3 橋式差電流保護

當(dāng)并聯(lián)電容器組的串聯(lián)段數(shù)為雙數(shù)并可分成兩個支路從而形成橋差接線，在橋路上接1 臺TA，即構(gòu)成橋式差電流保護，橋式差電流保護接線圖見圖3。該保護可以判斷故障相別，靈敏度高，但發(fā)生對稱故障時，保護不動作。為保證安全需選擇特殊變比的電流互感器，如5/1A或3/1A甚至1/1A。

圖3 橋式差電流保護接線圖

2.4 中性點不平衡電流保護

將一組電容器分成兩個星形電容器組，在兩個星形接線的中性點間裝設(shè)小變比的電流互感器，即構(gòu)成中性點不平衡電流保護，中性點不平衡電流保護接線圖見圖4。該保護不受外界影響、靈敏度高；缺點是安裝時調(diào)平衡麻煩[11]，對稱故障時保護不動作。容量超過20 Mvar時，保護靈敏度不夠，現(xiàn)均以橋式差電流保護替代。

3 不平衡保護配置方法

3.1 主要步驟

（1）根據(jù)系統(tǒng)計算或按照通用配置，確定電容組容量和接入點電壓。

（2）按照容量和電壓選擇單臺電容器容量。對于單臺電容器內(nèi)部故障，采用內(nèi)熔絲加繼電保護方式。

（3）確定單臺電容器容量后，根據(jù)總?cè)萘?、電壓和單臺電容器容量，按照“先并后串”原則選擇串并聯(lián)方式。

（4）按照電容器組容量和串并聯(lián)方式選擇不平衡保護方式，配置不平衡保護互感器。

（5）按照不平衡保護選擇，從一次設(shè)備角度調(diào)平衡各支路參數(shù)[11，12]，文獻[9]給出了整定方法。

（6）帶電運行，實測運行中各支路不平衡參數(shù)符合要求。

3.2 配置方法

按照3.1步驟，結(jié)合幾類不平衡保護特點，按表1所列適用范圍進行配置。

表1 各不平衡保護方式適用范圍

3.3 對比分析

（1）從保護信號類型看，開口三角電壓保護和電壓差動保護采用電壓信號；橋差電流保護和中性點不平衡電流保護采用電流信號。電壓信號易受系統(tǒng)干擾，如三相電壓不對稱、運行電壓的波動等，難以區(qū)分系統(tǒng)電壓波動和電容器本身故障，可靠性不如電流保護，整定特性也不如電流保護[8]。

（2）從信號源看，開口三角電壓和中性點不平衡電流保護取單組信號；相電壓差動保護和橋差電流保護取三組信號，且均采用差動方式。單組信號不能選相，對對稱故障無效，靈敏性不如三組信號，尤其采用三組信號的差動保護方式時，保護原理即具有很高的靈敏性，這一點對于串聯(lián)電容器組也同樣有效[13]。

綜上所述，橋差電流保護具有極好的靈敏性和適應(yīng)性，一次接線符合串聯(lián)段數(shù)為雙數(shù)并可分成兩個支路特征時，應(yīng)優(yōu)先選用。差壓保護次之，在不滿足橋差接線，但滿足單相對稱串聯(lián)接線時應(yīng)優(yōu)先選用，對應(yīng)差壓TV 與放電線圈合并設(shè)置。開口三角保護再次之，在不滿足差壓保護接線時選用，適用于10 kV小容量單星形簡單接線電容器組。

4 案例分析

4.1 35 kV電容器組故障

某500 kV 變電站一組35 kV 框架式電容器組，串抗率12%，容量60 Mvar，單臺電容器容量500 kvar，內(nèi)熔絲保護，雙星形接線，配置差壓保護、中性點不平衡電流保護、過流保護。2020年8月某日上午11 時，晴天，電容器保護動作。保護動作情況見表2。保護整定見表3。

表2 保護動作情況

表3 保護整定情況

經(jīng)現(xiàn)場檢查，電容器組A相有單臺電容器發(fā)生炸裂，連鎖引起三相過流，差壓保護最先動作，然后過流Ⅰ段動作。中性點不平衡電流未達定值，未動作。由此可見，雙星形中性點不平衡電流保護對大容量電容器組而言，靈敏度不足。差壓保護最先動作，靈敏性好，印證了3.3節(jié)的對比分析。

4.2 電容器組更換

在電容器組更換設(shè)備選型中，按照《35 kV～750 kV變電站、農(nóng)網(wǎng)變電站用并聯(lián)電容器成套裝置采購標(biāo)準(zhǔn)第38 部分》（Q/GDW13053.38-2018），選取單星橋形接線，取代雙星型接線方式，從一次設(shè)備源頭解決不平衡保護配置問題。電容器組選用單臺電容器容量500 kvar，總?cè)萘?0 Mvar，每相電容器采用4 串（5+5）并方式，采用內(nèi)熔絲保護方式。通過更換保護插件、升級保護軟件，完成單星橋差電流配置，滿足電容器組不平衡保護配置要求。

5 結(jié)論

并聯(lián)電容器組在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，不平衡保護作為并聯(lián)電容器組的主要保護形式，以其靈敏度高、易于實現(xiàn)，得到廣泛應(yīng)用。本文對4種不平衡保護配置進行對比分析，結(jié)果表明：大容量電容器組應(yīng)優(yōu)先選用橋電流差動保護，對小容量電容器組應(yīng)優(yōu)先選用差壓保護，對簡單接線電容器組應(yīng)選用開口三角電壓保護，中性點不平衡電流保護應(yīng)避免選用。