解决电容器组不平衡保护死区的新方案

胡志刚，张双瑞，陈 力

(天津市电力公司，天津 300250)

0 引言

高压并联电容器组不平衡保护主要以检测电容器组间容差变化引起的电压、电流变化值作为保护动作条件，以达到防止电容器元件在过电压下长时间运行的目的。但当电容器组间电容均匀损坏时，不平衡保护将无法检测出不平衡电压、电流，致使电容元件过电压但保护不动作，可能导致电容器元件因过压烧毁，甚至使电容器组发生爆炸。

内熔丝保护电容器组有效控制了个别电容器元件故障放电对相邻电容器元件造成的破坏。但相应故障元件切除后与之并联的完好电容元件承担的电压升高，可能造成这些完好元件的继续损坏，甚至因承担的电压太高产生“群爆”，造成更大的破坏。理论上个别元件故障后，因与之并联的完好元件电压升高，所以其继续故障的几率更大。故增设电容器开口三角不平衡电压、相电压差动、桥式差电压、桥式差电流等保护来防止电容器持续损坏或爆炸。

1 电容器组不平衡保护存在的问题

在同样的运行环境下，个别元件的击穿主要取决于电容元件的产品质量差异。即个别元件的故障不一定如电容器组不平衡保护整定原理所考虑的那样只在同一个并联段内发生，很可能发生在不同串、并联段，甚至不同相中。

以开口三角不平衡电压保护为例，其驱动保护动作的不平衡电压源主要受三相电容容差影响，假设三相容差为β，则保护测得的开口三角不平衡电压如下式所示(考虑三相电源对称并忽略串联消弧电抗器时)：

(1)

式中：UEX为电容器组额定相电压。

从式(1)可以看出，开口三角不平衡电压保护无法判别每相中的个别电容元件切除后对与其并联的完好元件造成的影响，只能检测到三相有容差时的不平衡电压。当三相电容同时出现熔丝切除问题时，虽然与故障切除元件并联的完好元件将承担更高的运行电压，但开口三角不平衡电压保护将无法判别。

考虑极限情况，假设三相中每相都有一个并联段内相同数量的电容元件击穿切除后，三相容差依然是0，开口三角测得的不平衡电压依然为0，开口三角不平衡电压保护不会动作。但与切除元件并联的完好电容元件则会承担更高的电压，如果该电压积累到了1.3倍甚至1.5倍以上的电容器组额定电压，则其故障几率大幅度增加，甚至可能因此产生严重的“群爆”事故，导致电容器组发生恶性事故。以上分析是电容器不平衡保护的“死区”问题，简单利用电容器组的不平衡电压对电容器组进行保护，并不能有效保护电容器组的安全运行。这种保护原理既存在“死区”问题，在实际运行中误动的几率又比较大，在现阶段已经和内熔丝保护电容器组的大规模投运不相适应。其他类型的电容器组不平衡保护均存在类似的问题。

2 电容器组不平衡保护的改进方案

2.1 改进思路

现场大部分电容器一般都装设过电压(低电压)及过电流保护。过电压保护通过母线TV获得母线电压，过电流保护通过在U相、W相两相装设TA来获得电流，防止电容器组内部及其电缆短路造成故障越级，同时作为不平衡保护的后备保护。改进方案考虑再增加一相TA，利用一种新型微机保护，来实现对内熔丝电容器组的保护。

增加TA后，通过实时检测到电容器组的三相电压和电流UU、UV、UW、IU、IV、IW，由微机保护装置分离出来的基波值，对电容器组的三相电容值进行实时计算，再通过计算后的电容值综合考虑电容器内故障元件切除后，与之并联的完好电容元件可能分担电压值来决定电容器组是否可以继续运行。

2.2 改进的新原理

对电容值的实时计算可通过以下分析求得。假设三相电容值分别为(1-δU)C、(1-δV)C、(1-δW)C，其中C为额定电容值。为简化计算，仅考虑电容器组采用三相星形接线，而不考虑串联电抗器，假设电容器组中性点为O，电位为UO，则成立以下等式。

ω(UU-UO)(1-δU)C=IU

(2)

ω(UV-UO)(1-δV)C=IV

(3)

ω(UW-UO)(1-δW)C=IW

(4)

根据基尔霍夫定律，则有：

IU+IV+IW=0

(5)

由式(2)-(5)4个等式可以求得其中的4个未知数δU、δV、δW和UO。

电容器组开口三角不平衡电压保护测得的开口三角电压也可以通过计算得出：

U△=3UO-(UU+UV+UW)

(6)

式(6)在系统电源对称情况下与式(1)相同。

根据基波状态下的δU、δV、δW计算值，可以计算O点实际电位和三相电容器组各自分担的实际电压。假设U、V、W三相实际电压为UUS、UVS、UWS，O点实际电位为UOS，则：

(7)

继而可得出三相电容器分担的电压值UUO、UVO、UWO,UUO=|UUO|，UVO=|UVO|，UWO=|UWO|。

2.3 定值整定

电容器组内元件出现故障被切除后，被切除元件并联段内的完好元件将承受更高的运行电压。由于电容器元件间的电容值存在误差，且个别元件的性能存在差异，出现元件击穿的概率并不一定限于一个并联段内，这就给保护定值的设定带来了难度。 由于每个并联段间的电容差异无法在设计环节控制，且对保护的影响不大，一般认为现场投运的电容器元件都是标准元件，电容值相等。为了提高电容器本体保护的灵敏性，实际运行中，按一个并联段内连续故障概率较大的元件进行保护整定。

为简化分析，假设每相电容器组的内部接线为M并N串。一个并联段内出现K个电容元件切除后，该相的容差：

(8)

该值与实测电流、电压计算出的δU、δV、δW值有一定偏差。由δU、δV、δW反推K时需对K进行取整修正。

由δU、δV、δW推倒出K后，可以求出与K个故障电容元件并联的完好元件分担的电压(设故障元件出现在U相)：

(9)

该电压与电容器元件的额定电压比值应小于等于电容器的过电压系数，即：

(10)

式中：Ue为单个电容器元件的额定电压；kv为常规电容器过电压系数。

kv可根据电容器的耐压强度及工艺水平，确定取值范围在1.15～1.5。指定kv后，可以设定该保护的电压定值UDZ=kvUe。

2.4 方案的可行性及实施中应注意的问题

2.4.1 可行性

实施上述保护方案可以通过直接对电容器及串联电抗器的阻抗参数的监视来完善电容器保护的配置。因微机保护可以分离出各次谐波，故电容器容差值的计算可以在基波下进行，计算比较准确。串联电抗器偏差、母线TV变比差异等因素在电容器设备运行中的变化较小，基本不影响对电容器组回路电容值的测量。而系统谐波分量可以通过微机保护的计算分离出去，也不会对计算产生影响。在电容器额定电压条件下运行时，其工作电流也在TA的额定电流以内，对于大多数电容器保护现场应用的5P10级电流互感器也能够满足测量精度的要求。故该保护的优势比较明显，如果其经过实际运行检验，可以考虑用该保护替代现有的电容器组不平衡保护。

2.4.2 应注意的问题

该保护的驱动电压(U值)计算在实际应用中较复杂。现在密集型内熔丝保护电容器组的内部接线随着逐渐改进越来越复杂，而串联电抗器、内放电电阻等重要计算参数也应当在U值计算过程中予以体现，对于有着不同内部接线的电容器组，其U值计算程序应当根据实际接线状况而改变。

在TV断线、TA断线、TA击穿、弧光过电压、电容器组共振等特殊情况下，应对保护功能深入分析，避免该类故障或其他特殊情况下的保护误动、拒动行为。

该保护对母线TV、电容器TA的依赖性增强，在设计之初应认真考虑母线TV二次负担、电容器TA三相伏安特性一致性、保护装置测量精度及零点漂移等问题，防止保护误动。

3 结束语

电容器组的“爆炸”问题一直是困扰制造厂、设计及技术人员的难题，虽然现在随着无人值班变电站的大范围推广，电容器组爆炸伤人事故大幅度减少，但电容器组保护的误动及拒动依然给运行单位造成重要影响。而现场因为对电容器组不平衡保护整定原理的不理解，不平衡保护定值过分减小造成电容器组不平衡保护频繁误动也给运行单位带来了很大麻烦。除了运行维护不到位的原因外，电容器组不平衡保护原理自身的缺陷也是制约电容器保护正确动作的主要原因。随着现代计算机技术的迅猛发展，以前电磁型保护无法实现的技术手段应该考虑运用到保护设备上。变电站保护原理除了变压器差动保护、小电流接地保护等少数保护应用了新的技术原理，其他大部分保护原理依然是电磁型保护的技术原理，计算机优势未得到发挥和应用。以上提出的新型电容器保护的改进方案，因客观条件所限未进行仿真试验和实际运行检验，希望广大技术人员能够对此进行分析论证，并能够发现更多技术先进的保护原理投入现场保护中，使电网运行更加安全可靠。

参考文献：

[1] 盛国钊，倪学锋.高压并联电容器组不平衡保护计算中遇到的新问题[J].无功补偿装置，2003(2):19-30.

[2] DL/T 584-1995，3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程[S].

[3] 盛国钊，倪学锋，严 飞.单台电容器内部故障保护的合理选择[J].电力设备，2008，9(11):61-63.

[4] 苗竹海，倪学锋，焦 丽，等.一次高压并联电容器装置运行状况调查研究的经验教训[J].无功补偿装置，2004(1):51-54.

[5] 盛国钊，倪学锋.110 kV及以上电压等级高压并联电容器组的不平衡保护[J].无功补偿装置，2004(2):34-37.

[6] 倪彤辉，唐宝锋，饶 群，等.河北南网并联电容器相关问题分析[J].山西电力，2009(4):5-7，14.

[7] 倪学锋，蒋胜宝，林 浩，等.内熔丝电容器保护配合原件过电压倍数选择的原则和依据[J].电力电容器与无功补偿，2008(6):1-3.

[8] 梁 琮.集合式并联电容器保护可靠性问题不容忽视[J].无功补偿装置,2003(2):14-18.

[9] 朱海松.并联无功补偿装置对电网谐波的影响[J].无功补偿装置，2005(2):24-27.

[10] 倪学锋，王 勇，林 浩，等.现场电容器组试验的问题与改进[J].无功补偿装置，2005(1):27-29.

[11] 曲效容.几类电容器组保护动作情况分析[J].无功补偿装置，2005(2):56-59.

[12] 蒲 路.并联电容器的运行与过电压防护[J].无功补偿装置，2006(2):21-31.

[13] 郭耀珠，石 光，刘 华，等.保护用电流互感器10%误差曲线现场测试及其二次负载校核[J].电力系统保护与控制,2008,36(23):101-106.