電容器裝置繼電保護(hù)方式的合理選擇

費(fèi)曉峰

（日新電機(jī)（無(wú)錫）有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

由于用電設(shè)備本身的特性，通常情況下，電力系統(tǒng)需要補(bǔ)償容性無(wú)功功率，提高功率因數(shù)，并聯(lián)電容器承擔(dān)了這個(gè)任務(wù)。并聯(lián)電容器裝置是由并聯(lián)電容器和相應(yīng)配套設(shè)備組成的，主要包括電抗器、避雷器、隔離刀閘、放電線圈和電流互感器等，并聯(lián)電容器提供補(bǔ)償無(wú)功功率，配套設(shè)備則使其能夠正常投切和安全運(yùn)行。根據(jù)選擇繼電保護(hù)方式的不同，依靠放電線圈或電流互感器提供二次繼電保護(hù)信號(hào)，選擇合適的繼電保護(hù)方式可使并聯(lián)電容器裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，從而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 高壓并聯(lián)電容器組的繼電保護(hù)方式

高壓并聯(lián)電容器組（內(nèi)熔絲、外熔斷器和無(wú)熔絲）均應(yīng)設(shè)置不平衡保護(hù)。不平衡保護(hù)應(yīng)滿足可靠性和靈敏度要求，保護(hù)方式可根據(jù)電容器組接線在下列方式中選取。

（1）單星形電容器組，可采用開口三角電壓保護(hù)。

（2）單星形電容器組，串聯(lián)段數(shù)為2段及以上時(shí)，可采用相電壓差動(dòng)保護(hù)。

（3）單星形電容器組，每相能接成4個(gè)橋臂時(shí)，可采用橋式差電流保護(hù)，對(duì)于110 kV及以上的大容量電容器組，宜采用串聯(lián)雙橋差電流保護(hù)。

（4）雙星形電容器組，可采用中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)。

（5）不平衡保護(hù)的整定值應(yīng)按電容器組運(yùn)行的安全性、保護(hù)動(dòng)作的可靠性和靈敏性，并根據(jù)不同保護(hù)方式進(jìn)行計(jì)算確定[1]。

以上內(nèi)容摘自GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，為并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。按保護(hù)的靈敏度由低至高排列，大致是開口三角電壓保護(hù)低于相電壓差動(dòng)保護(hù)低于中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)低于橋式差電流保護(hù)，其中相電壓差動(dòng)保護(hù)和中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)的靈敏度差距并不大。通常情況下，裝置的制造成本也遵循這個(gè)排序?？傮w而言不平衡電壓保護(hù)（開口三角電壓保護(hù)、相電壓差動(dòng)保護(hù)）的靈敏度都小于不平衡電流保護(hù)（中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)、橋式差電流保護(hù)），但制造成本則要看裝置的具體構(gòu)成，不可一概而論。

2 裝置選擇繼電保護(hù)方式的基本原則

一個(gè)電容器裝置可選擇的繼電保護(hù)方式不是唯一的，在滿足繼電保護(hù)靈敏度的前提下，選擇任何一種保護(hù)方式理論上都是可行的。以10 kV容量為6 000 kvar電抗率為5%的裝置（額定電壓kV）為例，由于橋式差電流保護(hù)在裝置容量較大（20 000 kvar以上）時(shí)才會(huì)采用，剩下3種繼電保護(hù)方式，各地電業(yè)局及設(shè)計(jì)院都有選擇：TBB 10-6000/334-AK（開口三角電壓保護(hù)）、TBB 10-6000/334-AC（相電壓差動(dòng)保護(hù)）和TBB 10-6000/334-BL（中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)），以上3種方式無(wú)論從理論還是實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，都是可行的，但是哪種方式相對(duì)更合理，值得討論。

3 繼電保護(hù)可行性的理論依據(jù)

裝置的繼電保護(hù)選擇是否合理，首先需要驗(yàn)證保護(hù)的靈敏度。相間電容偏差、串段間電容偏差、臂間電容偏差和測(cè)量設(shè)備的誤差等會(huì)導(dǎo)致裝置初始不平衡輸出，而為了防止不平衡保護(hù)誤動(dòng)作，故規(guī)定保護(hù)整定值與初始不平衡輸出的比應(yīng)不小于1.5[2]，此時(shí)即可認(rèn)為保護(hù)靈敏度滿足要求，可以通過以下公式計(jì)算和驗(yàn)證。初始不平衡電壓可按下式計(jì)算

式中：△Uc為不平衡電壓，V；UEX為電容器組額定電壓，V；α為Cmax/Cmin。

初始不平衡電壓可按下式計(jì)算

式中：I0為不平衡電流，A；IEX為電容器組額定電流，A；α為Cmax/Cmin。

整定值計(jì)算公式見表1[2]。

表1 內(nèi)熔絲電容器組不平衡保護(hù)計(jì)算方式

TBB 10-6000/334-AK（開口三角電壓保護(hù)），電容器選用型號(hào)為-334-1，每相6并1串，容差控制小于等于1.01，放電線圈保護(hù)變比為∶0.1，由此可得，初始不平衡輸出為1 V，整定值為2 V。

TBB 10-6000/334-AC（相電壓差動(dòng)保護(hù)），電容器選用型號(hào)為BAMr11/2-334-1，每相3并2串，容差控制小于等于1.005，放電線圈保護(hù)變比為11/2∶0.1，由此可得，初始不平衡輸出為0.5 V，整定值為3.3 V。

TBB 10-6000/334-BL（中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)），電容器選用型號(hào)為BAMr11/-334-1，每相6并1串，容差控制小于等于1.005，電流互感器保護(hù)變比為30∶5，由此可得，初始不平衡輸出為131 mA，整定值為535 mA。

可以看到，從保護(hù)靈敏度看，3種保護(hù)方式都是滿足要求的，開口三角保護(hù)靈敏度稍低，相電壓差動(dòng)保護(hù)和中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)靈敏度較為接近。

4 從裝置實(shí)際布局驗(yàn)證合理性

圖1為3種保護(hù)方式的布置方式，開口三角電壓保護(hù)和相電壓差動(dòng)保護(hù)總體布置差不多，中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)相對(duì)接線較復(fù)雜，因?yàn)槭请p星型接線，且裝置中多1個(gè)一次設(shè)備（電流互感器），為了能順利走線，電容器采用了雙向朝向的布置方式，這就導(dǎo)致圍欄寬度方向長(zhǎng)度的增加。相對(duì)而言，從布置方式上看，采用開口三角電壓保護(hù)和相電壓差動(dòng)保護(hù)方式更有優(yōu)勢(shì)?？紤]到整定值計(jì)算還受單臺(tái)電容器內(nèi)部串并聯(lián)影響，而此項(xiàng)數(shù)據(jù)各廠家或有差異，導(dǎo)致保護(hù)靈敏度也有差異，部分廠家采用開口三角電壓保護(hù)時(shí)并不能滿足保護(hù)靈敏度，故綜合保護(hù)靈敏度考慮，采用相電壓差動(dòng)保護(hù)更具通用性。

圖1 相同型號(hào)選擇不同保護(hù)方式的3種布置

5 具體問題需要具體分析

國(guó)家電網(wǎng)公司為了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，發(fā)布了《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)備》，其中規(guī)定了10、35、66 kV裝置的保護(hù)方式。此文件是設(shè)計(jì)院及需方編制技術(shù)規(guī)范的指導(dǎo)性意見，多數(shù)時(shí)候可滿足設(shè)計(jì)需要，但是具體問題還需具體分析。

5.1 集合式電容器的特點(diǎn)

電容器主要有殼式電容器、集合式電容器和箱式電容器3種類型，殼式電容器由元件、絕緣件、連接件、出線套管和箱殼等組成，其外形比較小，單臺(tái)容量及電壓等級(jí)都不能做太高，隨著裝置總?cè)萘康奶岣?，占地尺寸較大。集合式電容器是由多個(gè)電容器單元（殼式電容器的另一種形態(tài)）集裝在一個(gè)箱體內(nèi)構(gòu)成，單臺(tái)容量及電壓等級(jí)都提高了，裝置的占地相對(duì)較小，但是由于內(nèi)部由電容器單元構(gòu)成，每臺(tái)電容器單元都有獨(dú)立的箱殼，所以散熱差，故障率相對(duì)較高。箱式電容器主要由日新電機(jī)（無(wú)錫）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“我司”）生產(chǎn)，外形上與集合式電容器無(wú)明顯差異，一般還是將其簡(jiǎn)稱為“集合式電容器”，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與殼式電容器相似，直接由元件構(gòu)成，所以也可將其看作是放大版的殼式電容器。

5.2 集合式電容器的實(shí)際應(yīng)用

目前使用最廣的是殼式電容器裝置，占比超過九成。相對(duì)地，設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)電容器裝置時(shí)如選用殼式電容器，有《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)備》作為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)基本都是比較合理的。集合式和箱式電容器裝置由于使用較少，設(shè)計(jì)部門缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，故設(shè)計(jì)會(huì)參考?xì)な诫娙萜餮b置的經(jīng)驗(yàn)選擇保護(hù)方式，這就可能造成設(shè)計(jì)不合理。

筆者設(shè)計(jì)過一套66 kV、60 000 kvar集合式電容器裝置，如采用殼式電容器，該規(guī)格的裝置是很成熟的設(shè)計(jì)，我司也有豐富的供貨經(jīng)驗(yàn)，但此電壓等級(jí)與此容量配置則極為少見，自國(guó)網(wǎng)公司集中招標(biāo)以來(lái)，尚屬首次。用戶選擇的繼電保護(hù)方式為橋式差電流保護(hù)，僅從繼電保護(hù)的角度看，選擇是沒問題的，但考慮實(shí)際工程卻不是最優(yōu)方案。依舊可從2個(gè)方面驗(yàn)證，首先計(jì)算整定值，驗(yàn)證保護(hù)靈敏度。

5.3 驗(yàn)證選擇橋式差電流保護(hù)的可行性

裝置型號(hào)為TBB 66-60000/20000-AQW（橋式差電流保護(hù)），電容器選用型號(hào)為BAMX73/-20000-1W，每相1臺(tái)，電流互感器保護(hù)變比為30∶5，箱式電容器整定值計(jì)算適用公式[2]見表2。

表2 不采用熔斷器的無(wú)熔絲電容器組不平衡保護(hù)計(jì)算方式

計(jì)算可得，初始不平衡輸出為99 mA，整定值為770 mA?？梢?，保護(hù)靈敏度裕度很大，從此角度看，選擇沒有問題。但是實(shí)際裝置布置如圖2所示，該方案主要問題是放電線圈和電流互感器的布置，兩者無(wú)法同時(shí)兼顧使得整個(gè)裝置安裝順暢，下圖方案已是經(jīng)過多次調(diào)整后的最優(yōu)布置方式，但是放電線圈處走排還是比較礙事，需采用高度差實(shí)現(xiàn)。

5.4 尋找并驗(yàn)證更合理的方案

因此需要尋找更合理的方案，總體而言不平衡電流保護(hù)裝置的復(fù)雜程度都是高于不平衡電壓保護(hù)裝置的，而開口三角電壓保護(hù)的保護(hù)靈敏度相對(duì)最低，適用于小容量裝置。故驗(yàn)證相電壓差動(dòng)保護(hù)即可。

裝置型號(hào)為TBB 66-60000/20000-ACW（相電壓差動(dòng)保護(hù)），電容器選用型號(hào)為BAMX73/-20000-1W，每相1臺(tái)，放電線圈保護(hù)變比為73/2∶0.1，計(jì)算可得，初始不平衡輸出為0.5 V，整定值為2 V?？梢?，保護(hù)靈敏度滿足要求。實(shí)際裝置布置如圖3所示，可見相比圖2整個(gè)裝置的走線要順暢很多。而且就制造成本考慮，也是采用相電壓差動(dòng)保護(hù)更具有優(yōu)勢(shì)。在將方案對(duì)比呈現(xiàn)給用戶后，用戶也認(rèn)同改用了相電壓差動(dòng)保護(hù)方式。

圖2 采用橋式差電流保護(hù)

圖3 采用電壓差動(dòng)保護(hù)

殼式電容器與集合式電容器和箱式電容器所組成的裝置有很大差別，這是由其本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形所造成的，可以看到，兩種形式的電容器裝置設(shè)計(jì)不可簡(jiǎn)單的相互套用。

6 結(jié)束語(yǔ)

電容器裝置想要持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，需要選擇合適的繼電保護(hù)方式，在滿足繼電保護(hù)靈敏度的前提下，還要考慮工程實(shí)際方案是否可行。選擇繼電保護(hù)方式需要2步驗(yàn)證，首先需要通過理論計(jì)算，計(jì)算保護(hù)靈敏度是否滿足要求，這一點(diǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單，各廠家根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算即可。其次則需對(duì)裝置根據(jù)選定的繼電保護(hù)方式進(jìn)行成套布置方案，方案布局需要合理，如果無(wú)法協(xié)調(diào)裝置內(nèi)各設(shè)備間的布局，需要重新考慮其他繼電保護(hù)方式。只有理論計(jì)算和實(shí)際布局都滿足設(shè)計(jì)需要，才是合理的繼電保護(hù)方式。