高壓并聯(lián)電容器的接線方式及故障保護措施

姚 成

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

中性點不接地的單星形或雙星形接線是高壓并聯(lián)電容器的主要接線方式，這種接線方式可以更好地控制故障電流，進而減少電容器箱殼爆炸著火的概率，將故障的概率降到最低，同時避免故障進一步擴大。另外這種接線方式能夠為多種形式的保護方式應(yīng)用提供便利。要結(jié)合具體的接線方式來合理選用故障保護措施，確保故障保護的有效性，降低故障概率，并將故障造成的危害與損失降到最低。因此針對高壓并聯(lián)電容器接地方式及故障保護的研究具有重要意義。

1 電容器相關(guān)問題分析

1.1 取消外熔斷器問題

近年來，在科技發(fā)展的推動下，電容器產(chǎn)品制造技術(shù)水平也不斷提升，相應(yīng)的單臺電容器故障保護也發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。以往，單臺電容器外熔斷器保護方式得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著單臺電容器容量的增大及電容器質(zhì)量的提升，外熔斷器的保護作用大打折扣，并且在長期運行之后還容易出現(xiàn)熔管堵塞及誤動或者拒動等方面的問題。針對這種情況，有的人提出了將外熔斷器直接取消。這種方式過于片面，應(yīng)結(jié)合實際情況，合理取消和保留外熔斷器。例如，針對小電流電容器，由于內(nèi)熔絲難以滿足保護需求，因此依然需要借助外熔斷器保護的方式。

1.2 外熔斷器與內(nèi)熔絲結(jié)合應(yīng)用問題

內(nèi)熔絲保護方式存在一定的局限性，比如針對套管內(nèi)閃絡(luò)或者引線故障等，內(nèi)熔絲不動作，因此無法提供相應(yīng)的保護，由此可見內(nèi)熔絲存在保護死區(qū)的問題。為了提升高壓并聯(lián)電容器故障保護的效果，針對內(nèi)熔絲保護死區(qū)，選擇增設(shè)外熔斷器保護的方式，借助外熔斷器來解決內(nèi)熔絲存在保護死區(qū)的問題。但實際上這種方式是不可取的，主要是因為內(nèi)熔絲保護的電容器在故障發(fā)生時，其電流會有所減小，而外熔斷器只有在電流增大時才能發(fā)揮作用，進而導致外熔斷器并不能起到保護的效果，反而還會增加維修工作量。外熔斷器與內(nèi)熔絲結(jié)合應(yīng)用的方式存在一定的不合理因素，對于提升保護效果的意義不大，并且還會增加設(shè)備數(shù)量及施工難度，同時也會在一定程度上增加維修工作難度，因此這種方式缺乏科學性。

1.3 電抗率選擇問題

變電站電壓等級是選擇電抗率的主要依據(jù)，但是電抗率的選擇應(yīng)更多地考慮諧波方面的因素，其受電壓等級的影響相對較小。例如，針對220 kV及以上配置12%電抗率，針對110 kV及以下的配置4.5%～5.0%的電抗率[1]。這一選擇標準只與電壓有關(guān)，未考慮諧波狀態(tài)情況。針對這種情況，國家出臺了相關(guān)標準，對抗電率的選擇做出了統(tǒng)一規(guī)范，從諧波的角度對電抗率的選取做出了明確要求，如系統(tǒng)中主諧波次數(shù)大于等于3次時，應(yīng)選取12%的電抗率。

1.4 保護方式的選擇問題

電容器組保護類型主要分為4種，并且保護類型與接線方式有著較強的關(guān)聯(lián)性，因此選擇哪種高壓并聯(lián)電容器接線方式便意味著確定了相應(yīng)的保護類型，與此同時，選擇哪種保護類型便意味著確定了相應(yīng)的接線方式。不同的保護方式其適用范圍也不相同，只有結(jié)合其適用范圍合理選擇保護方式才能真正發(fā)揮作用，否則保護便形同虛設(shè)，無法起到保護作用。以開口三角電壓保護為例，這種保護方式在10 kV單串聯(lián)段中小容量電容器組中具有較強的適用性，不僅保護靈敏性可以滿足要求，而且設(shè)備相對簡單，具有較強的經(jīng)濟適用性。而針對容量稍大的電容器組，則適合選用中性點不平衡電流保護的方式。這種保護方式不僅能夠減少并聯(lián)電容器臺數(shù)，而且只需1臺電流互感器便可以充分發(fā)揮保護作用。因此這種方式能夠簡化接線，涉及到的保護設(shè)備相對較少。相電壓差動保護也是重要的高壓并聯(lián)電容器保護方式之一，這種保護方式適用于每相電容器由2個或者更多的串聯(lián)段組成的情況。其優(yōu)勢在于可以根據(jù)保護動作準確識別故障相，可以為故障點查找工作提供便利。但實際上這種保護方式的應(yīng)用并不廣泛，主要是10 kV電容器組多數(shù)都是單串聯(lián)段[2]。除此之外，橋式差電流保護也是重要的保護方式之一，在35 kV及66 kV大容量電容器組中的適用性較強。這種保護方式雖然具有較高的靈敏度，但是接線相對較為復(fù)雜，而且所需要的設(shè)備較多。

2 高壓并聯(lián)電容器組的接線方式

高壓并聯(lián)電容器接線方式的選擇，為確保接線方式的科學性，要綜合考慮多方面因素，確保所選的接線方式的科學性。如結(jié)合單臺電容器的容量、中性點接地方式、電容器額定電壓、容量等方面的因素。目前應(yīng)用比較廣泛的接線方式主要為三角形接線及星形接線2種方式。例如，三角形接線方式比較適用于小容量電容器組，并且這種接線方式主要應(yīng)用在工廠企業(yè)變電所之中。這種接線方式的優(yōu)點體現(xiàn)在有助于消除3倍次諧波電流造成的影響。但是三角形接線方式也存在一定的不足，例如，一旦電容器組出現(xiàn)全擊穿短路的現(xiàn)象，會導致故障電流能量增大，容易引發(fā)電容器油箱爆裂，造成更大的危害。而星形接線方式則不同，在出現(xiàn)同樣情況時，故障電流通常不會超過額定電流的3倍，因此故障電流的能量相對更小，可以避免事故進一步擴大。由此可見，相較于三角形接線，星形接線更具可靠性，因此星形接線的方式應(yīng)用往往更加廣泛。針對10～35 kV非直接接地系統(tǒng)，應(yīng)采用中性點不接地的方式。除此之外，如果電容器組的容量較大，則雙星形接線方式更加科學。因為雙星形接線的每段并聯(lián)臺數(shù)更少，這便意味著事故發(fā)生概率也會隨之降低。

電容器組內(nèi)部接線，要嚴格把控連接順序，按照先并聯(lián)再串聯(lián)的方式進行接線。采用這樣的接線方式，在一臺電容器發(fā)生擊穿事故時，電流會隨之增大，進而促使熔斷器技術(shù)做出反應(yīng)，第一時間熔斷，起到更好的保護效果[3]。反之，如果按照先串聯(lián)后并聯(lián)的方式接線，在發(fā)生同樣情況時，則電流相對較小，熔斷器不能及時熔斷，進而影響其保護作用的發(fā)揮，甚至還會導致故障持續(xù)時間進一步延長，造成的事故也會進一步擴大。并聯(lián)電容器主要包括電容器、斷路器、熔斷器、放電器、放電線圈、隔離開關(guān)及避雷器等（圖1）。

圖1 并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)圖

對于電容器而言，首先要結(jié)合實際情況合理選擇電容器組的型式。其型式主要包括集合式電容器組及單臺電容器組合2種。單臺電容器組合不僅更加便捷與更加靈活，而且故障切除的電容器少。但是這種型式卻存在設(shè)置難度高及占地面積大等方面的局限性。集合式電容器組具有施工便捷、占地面積小的特點，同時針對這種型式的電容器組的維護工作也更加便捷。但是這種型式也存在一定的不足，如在故障發(fā)生時需要整組切除，并且針對故障電容器的更換難度較大，同時相較于單臺電容器組，其運行的可靠性不強，但是隨著電容器質(zhì)量的提升，這種型式的運行效果也得到了極大的改善。要合理確定電容器的額定電壓，同時科學選擇單臺電容器的容量，盡量選擇單臺容量最大的電容器，不僅更加便于進行運行維護，而且還有助于縮小占地面積，同時增加電容器布置的靈活性。

3 高壓并聯(lián)電容器的故障保護

3.1 故障保護類型分析

高壓并聯(lián)電容器的故障保護類型，根據(jù)主保護形式的不同，可以分為2種類型，即以繼電保護為主和以熔斷保護為主。其中繼電保護則可以分為電壓差動保護、中性線不平衡電流保護、開口三角零序電壓保護等。熔斷器保護則可以分為單獨繼保、內(nèi)熔絲加繼保、熔斷器加繼保等。

3.2 高壓并聯(lián)電容器故障保護的特點

以熔斷器為主保護的形式，其最大的特點是借助熔斷器反應(yīng)時限的特性，可以實現(xiàn)快速熔斷，在第一時間對故障電容器進行隔離，避免事故擴大，同時也能確保其他無故障電容器的穩(wěn)定運行。相較于這種方式，繼電保護的動作時限則相對較長，以此在高壓并聯(lián)電容器故障保護過程中應(yīng)以熔斷器為主保護，并將繼電保護作為后備保護措施。目前這種保護形式的應(yīng)用比較廣泛，但是也存在不同意見，比如有人認為目前熔斷器的性能尚不足以支撐將熔斷器作為電容器的主保護，尤其是國產(chǎn)的熔斷器容易出現(xiàn)拒動或者誤動等問題，因此保護效果也會大打折扣。針對這種情況，有人主張將熔斷器取消，同時將繼電保護作為電容器故障保護的主保護[4]。相較于熔斷器，繼電保護發(fā)生誤動或者拒動的概率更低，因此保護效果更好，能夠有效規(guī)避電容器外殼爆裂問題。

這2種故障保護方式各有利弊，但是結(jié)合實際應(yīng)用效果分析，以熔斷器作為主保護的方式更加合理，主要是因為熔斷器切除故障的效率更高。但是這種故障保護方式的缺點也十分明顯，即誤動及拒動等問題發(fā)生概率高，進而導致保護作用降低。但是以繼電保護為主的保護方式雖然具有性能穩(wěn)定的優(yōu)勢，但是其缺點也同樣明顯，主要是繼電保護反應(yīng)速度相對較慢。另外這種保護方式不能進行缺臺運行，在發(fā)生故障時需要將電容器整組切除。

3.3 不同保護方式的比較分析

3.3.1 外熔絲+繼保

熔絲保護在單臺電容器保護中具有較強的適用性，通過這種方式，可以更好地規(guī)避故障擴大，避免發(fā)生油箱爆炸等事故。熔絲保護方式成本低廉，并且這種方式的結(jié)構(gòu)簡單，施工便捷。受故障電流的影響，能夠使熔絲快速熔斷，進而第一時間切斷故障，并且保護動作會隨著故障電流的增大而加快。同時在發(fā)生保護動作之后，外熔絲還會留下比較顯著的標志，因此可以為故障點查找工作帶來極大的便利。由此可見，熔絲保護的優(yōu)勢十分顯著，作用非常明顯，以此目前對這種保護方式的應(yīng)用十分廣泛。外熔絲主要分為2種型式，即噴逐式及限流式，前者在我國的應(yīng)用比較廣泛，其具有熔絲可更換及結(jié)構(gòu)簡單等方面的特點。后者的開斷能力更強，但是在做出保護動作之后便無法繼續(xù)使用，因此其造價較高，目前針對限流式保護方式的應(yīng)用相對較少。

外熔絲+繼保的方式，容電器熔絲的額定電流通常應(yīng)為保護對象額定電流的1.43～1.55倍，并且還要明確熔斷器電流與時間之間的關(guān)系（表1）。例如，將電容器額定電流的1.5 N倍作為熔絲額定電流，那么在電容器額定電流超過2.25倍電容器額定電流時，熔斷器便會做出保護動作，熔絲熔斷，切斷故障。如果故障電流小于1.65倍電容器額定電流時，而熔斷器不動作，無法起到保護作用[5]。由此可見，熔斷器保護也存在保護死區(qū)。

表1 熔斷器電流與時間的關(guān)系

3.3.2 內(nèi)熔絲+繼保

在電容器故障元件被擊穿時，內(nèi)熔絲會第一時間熔斷，避免對其他元件造成不利影響，起到有效的保護與隔離作用。但是內(nèi)熔絲熔斷會受到多方面因素的影響，如果工頻電流及并聯(lián)元件放電電流減小，這樣一來，便會導致熔絲開斷能力降低，而并聯(lián)連接器件數(shù)量同樣亦會下降，同時也會造成熔絲開斷能力的下降，甚至造成內(nèi)熔絲喪失保護功能。這是內(nèi)熔絲的保護死區(qū)。及時配合繼電保護這一后備保護方式也難以取得理想的保護效果。

3.3.3 外熔絲+內(nèi)熔絲+繼保

這種保護方式將外熔絲與內(nèi)熔絲相結(jié)合，因此保護效果更佳。由于引發(fā)極間短路的原因較多，如套管外絕緣發(fā)生閃絡(luò)、極間介質(zhì)發(fā)生絕緣擊穿等，這些都會引發(fā)極間短路，同時故障電流不會穿過內(nèi)熔絲，因此屬于內(nèi)熔絲保護死區(qū)。與此同時，由于電流峰值大，并且衰減速度較快，繼電保護難以充分發(fā)揮作用。針對這種情況，需要借助外熔絲來切斷故障電流，起到保護作用。采用外熔絲+內(nèi)熔絲+繼保的方式，可以綜合各種外熔絲、內(nèi)熔絲及繼電保護的優(yōu)勢，對電容器起到更好的保護作用。但是采用這種保護方式，合理配置外熔絲和內(nèi)熔絲是關(guān)鍵，是影響故障保護效果的重要基礎(chǔ)，未來依然需要加強探索。

3.4 繼電保護的類型

繼電保護動作是在電容器故障發(fā)生時，電流與電壓出現(xiàn)不平衡狀況，進而便會做出保護動作。因此繼電保護通常也被成為不平衡保護，3.3.1、3.3.2、3.3.3中介紹的故障保護方式均將繼電保護作為后備保護應(yīng)用。如果將繼電保護作為主保護，則可以更好地對電容器組進行保護。這種保護方式通常都會在電容器內(nèi)部元件故障率達到50%以上時才會動作。繼電保護無論是作為主保護還是作為后備保護，其類型主要包括以下幾種。

3.4.1 開口三角零序電壓保護

這種保護類型比較常見，尤其在10 kV及35 kV電容器組中具有較強的適用性。這種方式不僅接線方式簡單（圖2），而且還無需借助互感器，因此結(jié)構(gòu)比較簡單，同時還具有較強的靈敏度。另外，這種保護方式由于中性點不接地，因此即使系統(tǒng)發(fā)生接地故障，也不會影響其保護作用的發(fā)揮。但是這種類型的繼電保護也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在受系統(tǒng)電壓不平衡的影響較大。

圖2 開口三角零序電壓保護接線圖

3.4.2 電壓差動保護

這種接地保護方式更具靈活性，不會受到單相接地故障的影響，同時也不受三相電壓不平衡等問題的影響，因此這種保護方式更具穩(wěn)定性。但是這種接地保護方式也存在一定的不足，如在2個串段內(nèi)的電容器同時發(fā)生故障，并且發(fā)生故障的電容器數(shù)量一致，針對這種情況則難以做出正確反映。

3.4.3 中性線不平衡電流保護

這種保護方式需要先將電容接成2個并聯(lián)的不接地的星形，并同時將電流互感器安裝于中心線之上。如此一來，電容組間的不平衡將會造成電流從中性點向直接在接地內(nèi)部傳遞。這種保護手段具備很大的靈敏度，同時能夠和其他保護方式組合使用，特別是設(shè)置內(nèi)部熔絲的情況中適應(yīng)性更強。在應(yīng)用這種保護方式的過程中，有時使用電壓互感器來取代電流互感器，但是這種方式會導致其靈敏度降低[6]，因此這種方式的應(yīng)用并不廣泛。

總之，不同的繼電保護方式有著不同的特點，其適用范圍也有所差異，無論是將其作為后備保護還是主保護，都要結(jié)合實際需求，合理選擇繼電保護方式。

4 結(jié)束語

并聯(lián)電容器是重要的無功補償裝置，因此在電網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。高壓并聯(lián)電容器的接線方式與故障保護類型有著較強關(guān)聯(lián)性，在實際的應(yīng)用過程中，需要合理確定接線方式，同時結(jié)合實際情況及接線方式合理選擇保護類型，充分發(fā)揮出電容器的優(yōu)勢和作用，切實保證電網(wǎng)的運行質(zhì)量。