并联电容器保护研究

胡旌杰，谭建成

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

随着电网规模的不断扩大，为了提供可靠的电压稳定性，越来越多的并联电容器应用于电力系统中。并联电容器作为电力系统中重要的无功补偿设备，具有简单经济、方便灵活的特点。但是据统计，我国近年来高压并联电容器的年故障率有所回升，从1997年的0.4%左右回升到2000年1%左右，少数城市还有超过4%的，其中爆炸起火的事故仅1999年就有10余起。究其原因，除了产品自身的质量问题外，运行中的操作过电压问题，加上设备参数配置不合理、保护配置不当等等也是引起恶性事故多发的直接原因。并联电容器的损坏直接影响到变电站附近区域的电能质量，因此并联电容器保护的可靠性与相互间的配合尤为重要。电容器保护主要由电容器组内部保护和系统保护两大部分组成。系统保护主要针对系统浪涌电压、工频系统过电压、超负荷谐波电流、并联电容器组附近的故障、系统断电、输电线路跳闸、断路器失灵等。而内部保护主要针对故障电容器元件、电容器单元内连线故障、电容器元件或单元的持续过电压、套管间的闪络。当电容器组出现故障时，可能会进一步导致重大事故，继电保护中不平衡保护在切除故障电容器单元或故障元件时，应提示并警报电容器内部出现不平衡现象［1-4］。本文首先分析了并联电容器组常用的连线方式，对各种接线方式的特点做了简要分析。然后阐述了对熔丝的种类和工作原理，并对熔丝的选取问题给予了一些建议。在此基础上，根据不同类型的故障选定了不同的保护措施。而不平衡保护作为电容器组主要的继电保护方式，本文主要对不平衡保护重点分析并仿真测试，并对报警点跳闸点的设置做出了分析，给保护参数的配置提供了参考建议。在故障发生后，对于电容器组的日常维护修复，本文也提出了一种确定故障相的方法，以减少电容器组的维修时间。

2 并联电容器组连线

高压变电所的并联电容器组通常采用以下四种接线方式。

图1 并联电容器组连线常用的四种方式

熔丝和继电保护是决定电容器组最佳配置的两个方面。图1给出了常用的星形连接电容器组配置。

大多数分布和输送的电容器组都是以星形连接，或者接地或者不接地。

接地电容器组的特性:

(1)为雷电涌流提供一个低阻通道;

(2)保护电容器避开雷电涌压;

(3)减小开关设备的恢复电压;

(4)对于三次以及其它谐波电流提供一个低阻通道。

不接地电容器组的特性:

(1)对于零序电流三次与其它谐波电流没有提供通道;

(2)在系统故障时，不能提供放电通道;

(3)要求中性点与所有电压线绝缘。

3 熔丝的选择

并联电容器的接线设计主要有内熔丝、外熔丝和无熔丝三种类型。并联电容器保护从保护的类型来分，有熔丝保护和继电保护两种类型。通常情况下，含熔丝的电容器把熔丝保护做为主保护，而把继电保护为后备保护。但内熔丝与外熔丝混用是并联电容器保护中经常遇到的问题之一，因为内熔丝电容器与外熔丝电容器的结构和动作原理是不同的。

3.1 外熔丝

变电站外熔丝并联电容器组的配置是每相由一个或多个并联的电容器单元组成。每个电容器单元由各自的熔丝保护。在电容器组内，如果电容器单元出现过电压故障，外熔丝可以迅速动作，因此这种电容器单元可以应用于较高的电压等级。但是，当有一个熔丝动作某个电容器单元切除时，通常希望电容器组仍能持续运行，在这个条件下，要求并联电容器单元的数量要尽可能的少，因此在已经给定容量的条件下，各个电容器单元的额定功率可能相对较小。

2.2 内熔丝

一般来说，内熔丝电容器单元组成的电容器组和外熔丝的相比较，它含有的并联电容器单元较少，而所串联的并联电容器单元组较多。通常这种电容器单元很大，因为当故障发生时，不希望整个单元被切除。内熔丝和电容器元件串联。内熔丝电容器单元先由许多元件并联成一组，然后把几个组串联一起而组成，而外熔丝的结构与此恰恰相反。当一个电容器元件出现故障时，内熔丝电容器其通过熔丝的电流将大大超过正常时的电流，这种强电流将使熔丝动作并隔离故障元件。

3.3 无熔丝

无熔丝电容器内部接线方式通常有两种，一种是电容器单元串联在母线与中性点间，另一种是电容器单元以串联与并联方式连接。第一种接线方式的保护主要基于元件短路故障，因为这种接线方式没有电容器单元直接并联，因此放电能量很小，另外一个优点就是这种方式的不平衡保护不需要与熔丝保护相互配合。而另外一种以串联和并联组合的方式与前一种相比较，故障时通过其剩余元件上的电压更高，因此通常其用于低于35kV电容器组。

当内熔丝电容器出现故障时，电容器单元的电容和电流会在元件隔离之后变小，而外熔丝需要电流增大才能动作，此时外熔丝的动作电流值与实际电流值的差值将增大，可能导致外熔丝无法正常完成保护功能。因此，外熔丝与内熔丝的混用，不但会增加维护工作，降低装置的可靠性，而且很可能根本不能起到保护的作用。

4 不平衡保护

在并联电容器的继电保护中，通常会使用过电压保护、欠电压保护、过电流保护以及不平衡保护，图2给出了一个并联电容器组的保护方案。过电压和欠电压保护主要针对系统故障造成的系统过电压和欠电压的情况。如果系统电压超过电容器或其他设备的电压承受能力，应该在最短的时间内迅速切除电容器组。电流保护主要针对由于相间短路或单相短路接地等故障造成的系统失压，通常采取一些外部保护设备，如熔断器、断路器、线路开关等。不平衡保护主要针对电容器组的内部故障，如内部元件故障、内熔丝和无熔丝电容器组的元件至箱体间的故障、极间故障、电容器单元接线故障、电容器组内的电弧闪络以及由于故障元件或熔丝动作引起的电容器元件或单元的过电压［5］。由此可见，不平衡保护是并联电容器组内部保护的主要成分。不平衡保护利用不平衡原理，在一个正常平衡的电容器中来检测异常情况的发生，并采取适当的动作。其最重要的功能是及时的从系统中移除故障电容器，否则将导致故障的进一步扩大。并联电容器的不平衡保护主要是基于对不平衡电流和电压的测量。具体的保护措施由熔丝的选取、电容器组的大小、接地的选择、电流或电压互感器的绝缘等几个方面来决定。

图2 并联电容器组保护方案

4.1 不接地单星形电容器组的不平衡保护

图3为不接地单星形电容器组的中性点不平衡保护方法，图(a)中三个电压互感器连接在中性点与端点之间，二次侧以开口三角形连接，且与过电压继电器相连。与图(b)相比较，图(a)的方案具有对系统电压不敏感的优点。此外，图(a)继电器中的偏移电压是图(b)偏移电压的三倍。所以对于同样变比的电压互感器，图(a)方案的灵敏度要明显高于图(b)。

4.2 接地单星形电容器组的不平衡保护

接地单星形电容器组的不平衡保护方法如图4所示，这种方法是对三相中电容器组的电压差动设定的。由于个别电容器元件或单元损坏引起的不平衡信号是通过电容器组的抽头电压与母线电压的比较而来的。在考虑了电容器的误差和初始不平衡补偿后，初始的不平衡信号为零。而之后电容器抽头电压与母线电压之间的任何电压差都是由于某相内电容器单元的故障造成的不平衡。这种方法的敏感度相对较高，常用于大容量电容器单元组成的高压电容器组。也可使用电流互感器和H桥式接线构建不平衡电流保护方案。

图3 不接地单星形电容器组的不平衡测量

图4 接地单星形电容器组保护方案

4.3 不接地双星形电容器组的不平衡保护

不接地双星形电容器组常用的不平衡保护方法如图5所示。

图(a)使用电流互感器和过电流继电器，图(b)使用电压互感器和过电压继电器连接在两个星形中性点之间。这两种方法避免了系统电压不平衡的影响，而且在平衡时对于三次谐波电流或者谐波电压也是同样不受影响的。图(c)的电容器两部分的中性点连接在一起，电压互感器用来测量中性点的电压，但这个继电器应该带有滤波器。

4.4 接地双星形电容器组的不平衡保护

如图6所示，接地双星形电容器组的两个星形的中性点连接到同一点并接地，电流互感器的二次侧交叉连接一个过电流继电器，以便继电器对外界影响电容器组的情况做出感应。

图5 不接地双星形电容器组保护方案

图6 接地双星形电容器组保护方案

5 不平衡计算

为了更好的应用保护继电器，计算故障电容器单元、元件和熔丝对电容器组的影响是其中的关键，以便确定继电器保护点的设置，同时，也为继电保护整定计算提供了理论依据。电容器组的配置、系统运行参数以及应用的保护种类决定了这些计算的等式和方程。根据方程以及等式计算出的参数，决定了继电器的动作跳闸点，因此这些计算参数是衡量保护系统的重要组成部分，同时也是衡量保护系统敏感度和可靠性分析的重要依据。

本实验采用RTDS全称为实时数字仿真仪(Real Time Digital Simulator)进行仿真。

如图7所示，一个不接地单星形外熔丝并联电容器组，它的配置参数如表1所示。

设并联电容器串联组数为S，每相并联电容器单元数为P，故障电容器单元数为N，电容器单元的额定电压为U0。初始状态下，设每个电容器单元的电容值为1单位，串联组中每个并联组的电容值为Cg。

故障相各个电容器单元的电容为Cs

中性点电压为Vn

图7 接地双星形电容器组保护方案

表1 并联电容器组配置参数

由(1)、(2)、(3)式我们可以计算出出中性点电压所分配的比例值，由V12和V13的测的电压有效值计算出标签故障电容器组电压。

在电容器单元元件没有损坏时，运用RTDS仿真其各信号的波形如图8所示。

图8 接地双星形电容器组保护方案

由表2可以看出，这种不平衡电压和电流的算法是可靠的，在误差所允许的范围内，仿真结果成功的把一次侧的数据转换到二次侧。

表2 计算值与仿真测量值的比较和误差

在此例中，当一个电容器单元出现故障时，故障相其它标签电容器单元的电压要高于1.1U0，这是不允许出现的情况，其可能导致电容器击穿并可能进一步扩大故障。所以在选择高压并联电容器的并联单元时，如果允许故障电容器单元切除后电容器组继续运行，其最少并联的电容器单元至少要十个或更多。同样也要考虑到接线、保护方式、串联段数、允许过电压倍数等。但是，如果电容器组的并联过多的电容器单元，有熔丝的电容器组中不仅可能会产生大幅的电流使熔断丝熔断，而且对于继电保护灵敏度也带来了困扰，因此，限定最多并联台数也是确保电容器组安全运行的重要方面。

仿真中性点电压的测量值与计算值基本一致，在具体应用中，由于制作工艺电容不可能完全相同、谐波影响等因素的存在，会给电容器组造成固有不平衡，因此除了增加一些必要的消除固有不平衡的设备外，还应在电容器组初始化充电后调整中性点不平衡信号的初始值为0，而后再考虑电容器组内部因素造成的不平衡。当故障相其它电容器单元的电压为1.1U0时，中性点不平衡电压设为Un，如果下一个电容器单元出现故障，那么故障相其它电容器单元的电压将要大于，因此，不平衡保护点应设在这两个信号中间。不平衡保护与其他种类的的保护也应该相互配合，通常不平衡保护的动作时限为0.2s。

6 故障相的确定

并联电容器组在无功功率补偿和电压调整上起到了重要作用，因此在修复并联电容器组时，其中断时间应该尽可能的短。修复时间包括确定故障点和修复还原电容器组运行两个时间段。如果并联电容器组是外熔丝型，那么产生故障的单元通常是熔丝熔断的单元，因此它的故障点确定时间较短。但如果是内熔丝或无熔丝型的电容器组，不会有明显的迹象显示故障单元。即使没有明显的迹象显示故障单元，但如果可以确定故障单元的所在相，将会大大减小搜索故障点的范围，以减小确定故障点的时间。

以图6单星形不接地电容器组为例，我们在RTDS中建立一个不接地单星形并联电容器组模型。母线电压设为35kV，并联电容器串联组数为4，每相并联电容器单元数为6，每个电容器单元的值为0.5μF。当A相含有一个故障单元时，用A1B0C0来表示，以A相的正序电压测量值VA(V11)为参考量，引起中性点Vn(V0)产生一个幅值大约为0.233kV的不平衡电压并与VA产生180°的夹角，如图9所示。同理，当B相含有一个故障单元时，引起中性点电压Vn与VA产生60°的夹角。当C相含有一个故障单元时，引起中性点电压Vn与VA产生-60°的夹角。当A相B相各含有一个故障单元时，引起中性点的电压Vn产生一个幅值大约为0.237kV的不平衡电压并与VA产生120°的夹角。当A相C相各含有一个故障单元时，引起中性点电压Vn与VA产生-120°的夹角。当B相C相各含有一个故障单元时，引起中性点电压Vn与VA产生0°的夹角。当A相B相C相各含有一个故障单元时，中性点不平衡电压会相互消除，回到平衡点。由于故有不平衡等其它导致系统不平衡的因素存在，为了验证方案安全性和可靠性，允许±10°的误差存在。电容器组内各相故障时的中性点不平衡电压和正序电压的相位关系如图9所示。

图9 A相含有一个故障的并联电容器组的仿真结果

图10 无熔丝单星形电容器组内各相故障时中性点不平衡电压和正序电压的相位关系

这种方法同样适用于双星形以及其他种类连接的电容器组，通过这种方法去寻找故障相内的故障点，极大缩短了故障点确定的时间。

7 结论

(1)并联电容器组在设计时，应该充分考虑到电容器组的接线方式和熔丝的选取，这些条件将会影响到保护的设置，如果选取不当，不但浪费资源起不到保护作用，甚至可能会造成事故的发生。

(2)在误差所允许的范围内，上述故障电流、电压的算法与仿真结果一致，是可靠的。不平衡保护是并联电容器组的继电保护的主要方式，通过不平衡保护计算分析为继电保护跳闸点和报警点的设置提供了理论基础。

(3)故障相检测方法适用于其它连接方式的电容器组，这种方法大大缩短了在维护检修并联电容器组工作中的修复时间，对检修工作具有现实指导意义。

［1］岳地松.1OkV并联补偿电容器保护的整定［J］.电力电容器与无功补偿.，29(5):26-28.

［2］王敏.并联电容器内部故障保护的现状及分析［J］.浙江电力.2002(1):9-12.

［3］史班，周国良.并联电容器熔断器保护及其与不平衡保护的配合问题［J］.浙江电力，2002(1:13-16.

［4］IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks.IEEE Std C37.99-2000.

［5］Satish Samineni，Casper Labuschagne，and Jeff Pope，Schweitzer Engineering Laboratories，Inc.Principles of Shunt Capacitor Bank Application and Protection 978-1-4244-6075-5/10/2010 IEEE.