高压并联电容器保护配置及整定原则探讨

杨萍

（宁夏电力公司超高压分公司，宁夏银川750000）

1 引言

电力网中并联电容器的应用极为广泛，以并联电容器补偿电网的无功功率是无功功率补偿的主要形式。无功功率补偿设备一般包括并联电容器、串联电容器、同步调相机、无功功率静止补偿器等。以并联电容补偿形式来提高电网的功率因数，力求实现无功功率就地平衡，降低线损，提高电压质量，是世界各国电网技术发展的趋势。因此，电容器对于整个电网的合理有效运行起着至关重要的作用。必须仔细分析电容器的原理及一次接线，合理配置电容器保护，保证电容器安全稳定运行。

2 电容器组故障类型及相应的保护配置

电容器装置的故障类型有两大类：一是指不正常的运行工况，可能对电容器的安全造成危害；另一种是指电容器装置内部（包括连接线）故障。电容器保护的设置和选择相对线路来说要复杂些，它与电容器组的接线方式和故障类型密切相关，而且因各电网的并联补偿电容器接线方式不完全一致，保护配置也有差异。目前并联电容器的接线方式和保护方式仍有多种。电容器的保护是根据电容器内部及外部故障的特点而设置，主要的保护配置有：过电压和欠电压保护、限时电流保护、零压保护、差压保护、不平衡电流保护、桥差接线保护。这些保护是电容器的基本保护配置类型，以下就各类基本保护类型的原理及用途以及相对应的定值整定计算做一说明。

2.1 电容器组中性点不平衡保护

对于双星形接线的电容器装置通常采用中性点不平衡保护。中性点不平衡保护包括差流保护和差压保护，保护原理接线如图1所示。

图1 电容器装置中性点不平衡保护

正常运行时，三相电容器容抗对称，中性线之间流过的电流为零，两中性点的电位相等，即△U为零。当某一相电容器段因故障而发生击穿时，中性线有不平衡电流流过，两中性点的电位也出现了偏移，即△I和△U不为零。这两种保护只需在两组串联的星形中性点接以电流互感器或电压互感器即可，保护判据为：

电容器组的不平衡电压（电流）保护整定值应符合以下的要求：

（1）不平衡电压保护计算公式

式中：△UC为不平衡电压；UEX为电容器组额定相电压；KV为完好单元允许过电压倍数为1.1。

（2）不平衡电流保护计算公式

式中：M为相中并联单元数；N为相中串联单元数；IEX为电容器组额定相电流；K为因故障切除的同一并联段中的电容器台数。

2.2 电容器组的电压保护

（1）过电压保护

若电网电压过高，会加速电容器的老化，使内部游离增大，将产生局部放电。同时电容器的有功损耗随之增大，发热量上升，最后导致击穿，使电容器损坏。因此从电容器安全运行的角度考虑，并联电容器应装设过电压保护：①保护其整定是以电容器的端电压不长期超过1.1倍电容器额定电压的原则整定。②动作时间应在1min以内。③过电压保护可根据实际情况选择跳闸或发信号。④过电压继电器宜有较高的返回系数。

（2）欠电压保护

电容器组装设低电压保护主要是避免电容器组发生以下几种危害：①电容器失电压后，系统重合闸或恢复送电时对电容器组的损害。由于电容器组在系统出现事故，开关跳闸后又自动重合的这段时间内电容器很难放完电。因此，若电容器组无低电压保护而未切除的话，将是一次带初始条件的合闸过程，这时可能产生很高的过电压和冲击涌流，极易造成电容器组的损坏，甚至引起爆裂。②系统发生事故后，一旦重合闸成功或当变电所恢复送电，而电容器仍接于母线上时，这时变压器将处于空载装态。由于变压器直接带纯电容负荷，而空载变压器和电容器同时投入，如电容器组无低电压保护而未切除的话，将出现空变压器带电容器组进行冲击合闸的操作过程。这种操作方式，变压器中的励磁涌流有高幅值的偶次谐波，有可能导致串接有电抗器的电容器组发生串联谐振，产生谐振过电压和过电流，可能损坏电容器，甚至变压器。为此需装设低电压保护。

然而，当系统出现事故时，系统对无功量的需求将更大，要维护系统电压不崩溃，电容器组这时是不允许退出运行的。因此，这就决定了电容器组开关的动作时间应大于本侧后备保护时间。而从前述可见，电容器组开关的动作时间又必须在重合闸完成时间之前，否则将起不到保护作用。通常最小重合闸时间：

式中tII为对侧保护延时段动作时间；tD为断电时间，对三相重合闸不小于0.3s；tK为断路器合闸固有时间；△t为裕度时间。

而电容器低电压保护动作时间（tc）。

式中t为要求配合的后备保护时间；△t为裕度时间，一般为 0.3-0.5s。

要使保护有效，就必须让电容器低电压保护动作时间满足tC≤tDmin，按这条件整定动作时间就满足电容器组的低电压保护要求，就可避免重合闸对电容器组危害。电容器低压保护整定原则：低电压定值应能在电容器所接母线失压后可靠动作，而在母线电压恢复正常后可靠返回，一般整定为0.3-0.6倍额定电压。保护动作时间应与本侧出线后备保护时间配合。另外，为防止TV断线造成低电压保护误动，低电压保护需经电流闭锁。

（3）零序电压保护

当电容器组为单星形接线时，应设置零序电压保护。正常运行时，三相容抗对称，I0和U0几乎为零，当电容器组某相的部分电容器故障时，电容器组的电纳将发生较大的变化，在开口三角形出口的零序电压U0有较大数值，超过整定值时，将整套电容器从母线上切除。采用零序电压保护判据，其动作灵敏度高，运行可靠，结构简单，不受系统接地影响，是一种较为理想的保护方式。特别是零序电压保护，有大量实际运行经验，用的最为普遍。零序电压保护又称开口三角电压保护，它也可以利用电容器每相关联的放电线圈或电压互感器二次侧接成开口三角形，如图2所示。

图2 利用放电线圈构成的零序电压保护接线

单星形接线电容器组开口三角保护定值计算：时间 T 为 0.1-0.2s。

式中：M为单台密集型电容器内部各串联段并联的电容器小元件数；N为单台密集型电容器内部的串联段数；UEX为电容器组的额定相电压；UCH为开口三角零序电压；UBP为开口三角正常运行不平衡电压；KK为可靠系数，KK≥1.5；K 为因故障切除的同一并联段中的电容器小元件数。

2.3 电容器组的电流保护

电容器的过电流保护用于保护电容器组，防止过负荷、内部短路及与断路器之间引起的相间短路。电流保护的整定原则如下：

（1）延时电流速断保护

速断保护电流定值按电容器端部引线故障时有足够的灵敏系数整定，一般整定为3-5倍额定电流。考虑电容器投入过度过程的影响，速断保护动作时间一般整定为0.1-0.2s。在电容器端部引出线发生故障时灵敏系数不小于2。

（2）过电流保护

过电流保护电流定值应可靠躲过电容器组额定电流，一般整定为1.5-2倍额定电流。过电流动作时间一般整定为0.3-1s。

3 结束语

电力网中并联电容器的应用极为广泛，作为电网无功补偿的主要设备，它的作用也举足轻重。因此必须设置合理有效的保护装置，才能保证电容器的安全可靠运行。通过对高压电容器的接线形式、保护原理、整定计算原则的深入详细的分析和探讨，明确了电容器保护的配置和定值计算的原则，保证了电容器安全可靠运行。

［1］崔家佩等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算［M］.中国电力出版社，1993.

［2］电力系统继电保护规定汇编［M］.中国电力出版社，1997.

［3］电力系统继电保护实用技术问答［M］.中国电力出版社，1997.

［4］大型发电机组继电保护整定计算与运行技术［M］.中国电力出版社,2005.