并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作原因分析

景寧 冉利利

摘 要 并聯(lián)電容器組在電力系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，主要用于補(bǔ)償無(wú)功功率的不足，進(jìn)而提高系統(tǒng)電壓質(zhì)量，降低能量損耗，達(dá)到維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。不平衡電壓保護(hù)是電容器組內(nèi)部故障的主要保護(hù)，其動(dòng)作后需要及時(shí)檢查動(dòng)作原因，以便盡快將故障電容器組投入運(yùn)行。本文詳細(xì)介紹了不平衡電壓保護(hù)的原理，分析了不平衡電壓的產(chǎn)生原因，總結(jié)了引起不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作的故障類(lèi)型并實(shí)際舉例說(shuō)明，得出了相關(guān)結(jié)論，對(duì)電容器組的運(yùn)行維護(hù)、故障查找判斷有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 電容器組 不平衡電壓保護(hù) 電容量

中圖分類(lèi)號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）11-0029-02

1 前言

電力系統(tǒng)中，通常在變電站的低壓側(cè)裝設(shè)電容器組，用來(lái)就地補(bǔ)償無(wú)功功率，提高系統(tǒng)電壓質(zhì)量，降低電能傳輸損耗，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。電容補(bǔ)償裝置的安全運(yùn)行對(duì)保障電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益將起到重要作用。并聯(lián)電容器組可以接成星形（包括雙星形），也可接成三角形。根據(jù)電路原理分析可知，同樣規(guī)格的電容器接成三角形時(shí)，其產(chǎn)生的無(wú)功功率是接成星形時(shí)的3倍，但每相電容器所承受的系統(tǒng)電壓也是接成星形連接時(shí)的3倍。在容量比較大的并聯(lián)電容器組中，小量高次諧波會(huì)產(chǎn)生較大的高次諧波電流，可能造成電容器組過(guò)負(fù)荷，因此可采取在每相電容器組中串接電抗器的方式來(lái)限制高次諧波電流。

并聯(lián)電容器組常見(jiàn)的故障以及不正常運(yùn)行狀態(tài)有以下幾類(lèi)：（1）并聯(lián)電容器組與開(kāi)關(guān)之間的連接導(dǎo)線(xiàn)以及并聯(lián)電容器組內(nèi)部連接導(dǎo)線(xiàn)之間的相間短路故障、導(dǎo)線(xiàn)與地之間的接地故障;（2）并聯(lián)電容器組內(nèi)部的故障，即電容器組內(nèi)部短路以及電容器組內(nèi)部部分電容器故障;（3）并聯(lián)電容器組運(yùn)行中的過(guò)負(fù)荷;（4）并聯(lián)電容器組運(yùn)行中的過(guò)電壓;（5）并聯(lián)電容器組運(yùn)行中的低電壓。本文重點(diǎn)探討電容器組內(nèi)部故障時(shí)的主保護(hù)即不平衡電壓保護(hù)的原理及影響因素，并附以實(shí)際案例。

2 并聯(lián)電容器組的不平衡電壓保護(hù)

并聯(lián)電容器組的不平衡電壓保護(hù)是其主要保護(hù)，用來(lái)反映電容器組內(nèi)部的各類(lèi)故障。電力系統(tǒng)中，目前常用的不平衡保護(hù)類(lèi)型有四種：第一種是相電壓差動(dòng)保護(hù)，適用于串聯(lián)數(shù)量為兩段及以上的單星形電容器組;第二種是開(kāi)口三角電壓保護(hù)，適用于單星形的電容器組;第三種為中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)，適用于雙星形電容器組;最后一種為橋式差電流保護(hù)，適用于每相可以連接成四個(gè)橋臂的單星形電容器組。

并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)的原理，是把PT作為放電電阻時(shí)，其一次線(xiàn)圈與電容器并聯(lián)形成放電線(xiàn)圈，其二次線(xiàn)圈中的一套則接成開(kāi)口三角接線(xiàn)，在開(kāi)口處連接一只較低整定值的電壓繼電器。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，所采得的三相電壓較為平衡，開(kāi)口處電壓則為0V，當(dāng)某一相電容器發(fā)生故障時(shí)，三相電壓不平衡，開(kāi)口處就會(huì)出現(xiàn)零序電壓，不平衡電壓保護(hù)就是利用這個(gè)零序電壓值來(lái)啟動(dòng)繼電器并接通跳閘回路，切除整組電容器，從而起到保護(hù)電容器組的目的，因此該保護(hù)也被稱(chēng)為零序電壓保護(hù)。目前，在省內(nèi)新建的110千伏變電站中普遍采用不平衡電壓保護(hù)保護(hù)電容器組[1]。

3 并聯(lián)電容器組不平衡電壓的產(chǎn)生原因

目前在甘肅電力系統(tǒng)中，110千伏及35千伏電壓等級(jí)的變電站，并聯(lián)電容器組不平衡保護(hù)基本全部采用開(kāi)口三角電壓保護(hù)。由于系統(tǒng)中三相電源及負(fù)荷不可能完全對(duì)稱(chēng)，所以在并聯(lián)電容器組正常運(yùn)行時(shí)，其中性點(diǎn)電位不可能總為0V，會(huì)發(fā)生偏移，產(chǎn)生不平衡電壓的因素有以下幾個(gè)方面。

3.1 放電線(xiàn)圈自身性能差異產(chǎn)生不平衡電壓

并聯(lián)電容器組的放電線(xiàn)圈，將高壓并聯(lián)電容器連接至電力系統(tǒng)母線(xiàn)，可以確保電容器組從電力系統(tǒng)中切除后，電容器剩余電荷能夠快速釋放，從而有效防止并聯(lián)電容器組再次合閘時(shí)，由于電容器組仍殘留電荷而產(chǎn)生危及設(shè)備及人身安全的過(guò)電壓和過(guò)電流，保證檢修人員的安全。如果電容器組放電線(xiàn)圈性能（含伏安特性）差異較大，即使在一次系統(tǒng)電源及負(fù)荷完全平衡的情況下，二次側(cè)也會(huì)產(chǎn)生虛假的不平衡電壓，甚至?xí)鸨Ｗo(hù)誤動(dòng)。因此，應(yīng)特別關(guān)注并聯(lián)電容器組放電線(xiàn)圈的選型，同一組電容器組應(yīng)選用規(guī)格、參數(shù)一致的放電線(xiàn)圈。

3.2 系統(tǒng)電壓三相不對(duì)稱(chēng)會(huì)產(chǎn)生不平衡電壓

計(jì)算可知，電力系統(tǒng)三相電壓幅值偏差2%、相位偏差1°時(shí)，其產(chǎn)生的不平衡電壓能夠達(dá)到并聯(lián)電容器組額定相電壓的6%左右。由此可見(jiàn)系統(tǒng)電壓對(duì)開(kāi)口三角電壓的影響較大。同時(shí)，系統(tǒng)電壓中諧波含量也會(huì)對(duì)開(kāi)口三角電壓幅值帶來(lái)影響，不過(guò)其影響比基波小得多。

3.3 并聯(lián)電容器組三相電容量不平衡產(chǎn)生不平衡電壓

當(dāng)并聯(lián)電容器組的三相電容量值各不相同時(shí)，運(yùn)行中將產(chǎn)生電壓不平衡現(xiàn)象，產(chǎn)生開(kāi)口三角電壓。根據(jù)分壓原理可知，其電容值小的一相或某一串聯(lián)段將承受較高的系統(tǒng)電壓，各相電容值不平衡度越大，則各相電壓不平衡度隨之加大，開(kāi)口三角電壓也越大。計(jì)算可得，若三相電容量不平衡偏差達(dá)到6%的額定電容量，也即各相電容量的最大值與最小值之比為1.06時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的不平衡電壓將達(dá)到6%的并聯(lián)電容器組額定相電壓[2]。

4 并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作原因分析

4.1 并聯(lián)電容器組三相電容量不平衡或電容器組放電線(xiàn)圈參數(shù)不相同是不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作的主要原因

不平衡電壓保護(hù)是從放電線(xiàn)圈二次線(xiàn)圈獲取電壓，當(dāng)電容組發(fā)生內(nèi)部某一相發(fā)生故障時(shí)，三相電容量將不平衡，放電線(xiàn)圈二次電壓（也即開(kāi)口三角電壓）增大，若達(dá)到保護(hù)定值將導(dǎo)致不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，切除電容器組。導(dǎo)致電容器組三相電容量不平衡或放電線(xiàn)圈變比不一致的原因有以下兩點(diǎn)：

1.運(yùn)行中AVC系統(tǒng)頻繁投切會(huì)使得電容器組產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，可能損壞電容器組放電線(xiàn)圈，導(dǎo)致放電線(xiàn)圈匝間短路或擊穿，造成放電線(xiàn)圈參數(shù)性能發(fā)生變化。

2.由于大量電容器組并聯(lián)接于低壓不接地系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相電壓將升高至線(xiàn)電壓，接地過(guò)電壓可能導(dǎo)致電容擊穿，造成三相電容量不平衡。

4.2 電容器安裝過(guò)程中，安裝工藝對(duì)不平衡電壓保護(hù)有較大影響

1.首先，接線(xiàn)端與母線(xiàn)鋁排的連接，要注意其對(duì)電容器組施加的應(yīng)力。另外，各相電容器之間的連接大多是采用銅鉸線(xiàn)連接在一起的，而電容器組母線(xiàn)所采用的一般是鋁排，因此在其連接過(guò)程中，應(yīng)采用銅鋁過(guò)渡接頭;否則，直接接到鋁排上，接頭會(huì)發(fā)熱，最終可能導(dǎo)致不平衡保護(hù)動(dòng)作。在某站的電容器組運(yùn)行過(guò)程中，曾發(fā)現(xiàn)在24h內(nèi)，不平衡保護(hù)接連動(dòng)作兩次，經(jīng)檢查均是外熔絲熔斷，導(dǎo)致不平衡保護(hù)動(dòng)作，在兩個(gè)熔斷的熔絲處檢查，均在連接母排的地方有過(guò)熱現(xiàn)象。對(duì)整臺(tái)電容器組停運(yùn)后徹查的結(jié)果是，其施工過(guò)程對(duì)接線(xiàn)頭的壓接不實(shí)，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中發(fā)熱，處理后電容器組運(yùn)行正常[3]。

2.電容器在出廠制造過(guò)程中，各電容量很難完全一致。安裝過(guò)程中，假如不注意將電容量正偏差的電容器全部安裝于某一相，將會(huì)造成并聯(lián)電容器組各相電容量不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生不平衡電壓，若電容器組放電線(xiàn)圈參數(shù)（主要是變比）也存在偏差，剛好電容器的正偏差和放電線(xiàn)圈的正偏差碰到一起，可能耦合產(chǎn)生較大的不平衡電壓，甚至引起保護(hù)動(dòng)作跳閘。

5 不平衡保護(hù)的幾個(gè)實(shí)際例證

1.110千伏某變電站10千伏161-1號(hào)電容器電壓不平衡保護(hù)頻繁動(dòng)作，經(jīng)檢修試驗(yàn)人員逐相逐只進(jìn)行電容量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)A相電容器組中有一只電容器已被擊穿，電容量為0，更換同類(lèi)型電容器后，投入電容器組，沒(méi)有再次跳閘。

2.110千伏某變電站10千伏163-3號(hào)電容器近半年不平衡電壓保護(hù)頻繁動(dòng)作。檢查發(fā)現(xiàn)電容器中某只電容器外熔絲熔斷，電容器外熔絲接母排處有過(guò)熱痕跡，對(duì)電容器進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)檢查、保護(hù)傳動(dòng)，判斷電容器組無(wú)故障，保護(hù)裝置能夠正確動(dòng)作，導(dǎo)致電容器組跳閘的原因是電容器組施工中接頭壓接不實(shí)。

3.110千伏某變電站新投入164-4號(hào)電容器組，不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)檢查確有不平衡電壓，且超過(guò)保護(hù)定值不多。經(jīng)試驗(yàn)，電容器、放電線(xiàn)圈各項(xiàng)參數(shù)均合格，懷疑二者之間不匹配。隨后更換了放電線(xiàn)圈，檢查試驗(yàn)合格后投入運(yùn)行[4]。

4.110千伏某變電站10千伏161-1號(hào) 電容器組在投入過(guò)程中，不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作，不能正常投入運(yùn)行，多次安排工作人員去檢查試驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。隨后退出不平衡電壓保護(hù)出口壓板，用萬(wàn)用表在不平衡電壓二次線(xiàn)處用檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在投入的一瞬間不平衡電壓數(shù)據(jù)偏大，達(dá)到保護(hù)定值，隨后不平衡電壓快速恢復(fù)正常，此時(shí)將保護(hù)功能壓板投入后，電容器組運(yùn)行正常，沒(méi)有再次跳閘。按照整定計(jì)算規(guī)程及廠家提供計(jì)算說(shuō)明書(shū)，對(duì)該電容器組不平衡電壓保護(hù)時(shí)間定值進(jìn)行重新計(jì)算，并適當(dāng)延長(zhǎng)，運(yùn)行至今再?zèng)]有發(fā)生不平衡電壓動(dòng)作跳閘。

6 結(jié)論

1.不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作與設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量、安裝工藝等直接相關(guān)。新安裝電容器組在剛投入運(yùn)行中不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，應(yīng)檢查二次回路接線(xiàn)是否有誤，定值設(shè)置是否符合規(guī)程要求，各相之間電容量是否平衡，各相放電線(xiàn)圈性能參數(shù)是否一致，電容器組與放電線(xiàn)圈配合是否正確。

2.電容器組在運(yùn)行過(guò)程中，受系統(tǒng)電壓、頻繁操作等因素影響，性能發(fā)生變化。若運(yùn)行中的電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作發(fā)生，應(yīng)檢查保護(hù)裝置邏輯是否正確，開(kāi)口三角電壓回路絕緣是否良好，各相電容量是否合格并與上次數(shù)據(jù)比對(duì)，放電線(xiàn)圈的變比是否發(fā)生變化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉勛.電容器組不平衡保護(hù)動(dòng)作原因分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009（37）：122-124.

[2] 張凱.電容器組不平衡保護(hù)動(dòng)作原因分析[J].科技專(zhuān)論，2013（10）：239-240.

[3] 梁琮.并聯(lián)電容器組不平衡保護(hù)初始值的估算[J].電力電容器，2002（03）：1-3.

[4] 郭蘇鋒.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[J].電氣開(kāi)關(guān)，2008（02）：83-86.