电容器的保护配置与运行维护

马远逵 于长颖 袁征 秦志刚

【摘要】文章简要阐述和分析了电力电容器的作用、故障类型、保护的配置及整定计算，并指出了运行中，电容器组倒闸操作和故障处理时注意事项。

【关键词】电容器 保护 运行 维护

电力电容器具有降低线路和输电设备的损耗、提高功率因数、改善受电端电压质量，以及提高输送功率的作用，又因其投资较小、安装简单、维护方便、能提供大量无功容量的优点，得到广泛应用，按《电力系统电压和无功电力技术导则》及《并联电容器装置设计规范》规定：变电站内应按变压器容量的10%-30%安装并联电容器。电力电容器在实际运行中发生损坏，既有电容器本身质量、保护配置、整定计算的原因，也有运行维护不力、处置不当导致事故扩大的因素，通过对电力电容器故障类型及保护配置的分析，对电力电容器的保护与运行维护的注意事项，进行概要的整理和阐述。

1电容器保护配置与整定计算

1.1电容器的接线与电抗器

在电力系统中，电容器的接线方式主要有两种：单星形接线和双星形接线；电容器组每相由C1、C2上下两段构成，每相都串接一个电抗器，因为电力系统在运行时，不可避免会出现谐波，电容器的阻抗很小、电抗器的阻抗则很大，所以，联电抗器能有效削弱谐波、降低电容器烧毁的机率；同时，电容器在投入时会产生较大的涌流，会引起二次继电保护装置误动作，串联电抗器可以抑制涌流，也可以起到保护电容器、防止保护误动作的作用；在电容器组两串联段上，各并联一电压互感器线圈（同时也做放电线圈用）用于电压采样，而电流采样则取自进线侧电流互感器二次侧。

1.2电容器的熔断器保护

熔断器保护是电容器内部故障的主保护。

电容器投入运行后，电容器内部薄弱环节处的元件，有可能因过热或游离而发生局部击穿，形成内部故障。在运行中，电容器个别元件的击穿，会引起与之串联的元件电压升高，并引起新的元件击穿，从而产生连锁反应，最后导致整台电容器贯穿性短路，故障过程中，绝缘分解、气体增多，箱内压力增大，来不及释放，便会出现“鼓肚”或“漏液”现象，如故障时间较长，压力无法释放，就可能导致箱体爆裂、起火，导致事故扩大，而熔断器能切断并隔离故障元件，保证其他完好元件的继续正常运行，其熔丝熔断时间在一个周波即20MS内即可切断短路电流，防止故障扩大化，同时降低电容器内部释放的能量，防止壳体爆裂。

熔断器保护要求：（1）熔断器的额定电流I应大于被保护电容器的长期允许工作电流；（2）熔断器的安秒特性应和电容器外壳的爆裂曲线相协调；（3）在电容器的充电涌流作用下，熔断器不应熔断。

熔断器的额定电流估算公式为：

I=KI （式1）

K—一般取1.5 I—电容器组额定电流

1.3电容器的电流保护

出于保护目的的不同电流保护主要有限时速断和过电流保护。

1.3.1限时速断保护

限时速断保护是电容器组引出线、套管相间短路等外部故障时的主保护。

并联电容器在正常运行情况下，有耐受涌流的能力，但当系统发生短路故障时，电容器组需要迅速脱离系统，所以，电容器组应设置值限时电流速断保护。

其整定计算公式为：

I=KI （式2）

K—一般取3～5 I—电容器组额定电流

为躲过电容器充电涌流，一般带0.1～0.2S的延时，以便躲过合闸涌流4MS的过渡过程。

1.3.2过流保护

过流保护既是高次谐波、过流等外部故障时的保护，也可作为引线、套管短路故障的后备保护。

电力电容器技术条件要求：电容器能在有效值1.3倍额定电流的稳态过电流情况下运行，对于电容值有最大偏差的电容器，过电流允许达到1.43倍额定电流[1]，所以为保证系统稳态运行并保护电容器不受损伤，其过流值整定为：

I=（1.5～2）I （式3）

并经0.5S左右的延时保护出口作用于开关跳闸。

1.4电容器的电压保护

出于不同故障类型的考虑，电压保护可分为过电压、欠电压保护、零压保护。

1.4.1过电压保护

过压保护的配置是为防止配电系统运行中，电压过高危及电容器组的安全，所配置的一种保护。

由于雷电入侵或断路器投退、系统谐振，电容器所在母线电压升高，使电容器承受外部过电压或者由于电容器组中个别电容器因制造瑕疵等原因导致故障或熔断器熔断，容抗发生变化，电容器之间电压分配也随之发生变化所引起电容器端电压升高的内部过电压。电容器在过高电压下运行时，其内部游离增大，可能发生局部放电，使介质损耗增大，局部过流，并可能发展到绝缘击穿。因此，从安全运行的角度考虑，应装设过电压保护。

保护整定值应为不大于1.1倍电容器额定电压，动作时间应在1MIN以内，过电压保护，可以根据实际情况选择跳闸或发信号，过电压继电器宜采用高返回系数的继电器。

1.4.2欠电压保护

电容器欠压保护主要是避免电容器失压后，系统或重合闸恢复送电时，对电容器组可能造成的危害。

不同于过电压，电压降低对于电容器组并无危害，其装设欠压保护主要考虑避免。（1）电容器失压后，系统或重合闸恢复送电时，由于电容器组在系统出现故障时、断路器跳闸后、又自动重合的这段时间内电容器很难完全放电，如电容器组无欠压保护而未能切除电容器的话，这将是一次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站恢复送电时，而电容器仍接于母线上，这时变压器将处于空载状态，由于变压器直接带纯电容性负荷，而空载变压器和电容器同时投入，因电容器组无欠压保护而未切除的话，将出现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，因此需装设欠电压保护。

当电容器母线电压低于整定值时，经延时后切除电容器。保护判据为：

U或U或U≤U （式4）

保护定值既要能保证在母线失压时能可靠动作，又要防止系统瞬间电压波动时误动作，一般动作值为0.3～0.6倍电网额定电压，并带时限跳闸，保护的动作时间应与本侧出线后备保护时间配合，当备用电源自动投切装置动作时，在自投装置合上电源前应先跳闸，电源线失电重合时，在重合闸前应先跳闸切除电容器。

1.4.3零压保护

电容器发生故障后，将引起电容器组三相电容不平衡，根据这个原理可构成不平衡电源保护，利用电容器内部元件损坏而产生的不平衡电压来启动继电器，目前国内对单星形接线的电容器组广泛采用开口三角电压保护。

将放电线圈的一次侧与电容器并联，二次侧接成开口三角形，在开口处连接一只低整定值的电压继电器。在正常运行时，三相电压平衡，开口处电压为零，当电容器出现故障时，即出现零序电压U，保护装置采样到此电压后，即动作跳闸。不平衡电源保护无需专用电压互感器，灵敏度高，但易受系统电压不平衡影响。

整定不平衡电压时，应实测开口三角正常运行时的不平衡电压，一般整定为4～6V，延时0.1～0.2S。

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保护、过流速断保护、零压保护、差压保护、欠压保护、不平衡电流保护、过负荷保护等，在此，只对一些在实践中常用的保护及其整定计算做一整理和说明，实际使用时，应结合现场实际情况，合理选配整定。

2电容器的运行与维护

电容器的运行维护包括日常巡视、倒闸操作、故障处理等，不仅关系到电容器组的安全也关系到系统的安全性、可靠性。

2.1电容器的运行中的注意事项

（1）电容器组在接通投入前，应用摇表（兆欧表）检查绝缘及放电网络：

（2）当母线电压超过1.1倍额定电压时，严禁将电容器组接进网络；

（3）在电容器组自电网断开后1分钟内不得重新接入。

2.2电容器组倒闸操作时的注意事项

（1）在变电站因事故停电的情况下，应将电容器的断路器断开；

（2）电容器组的断路器跳闸后，不准强行送电，应检查保护的动作情况及相关回路，并判别事故性质；

（3）电容器组保护熔丝熔断后，应做好记录，原因未查明之前，不得更换保险；

（4）全所正常停电操作时，应先断开电容器的断路器，再按规定程序拉开各线开关，恢复送电时，与之相反，以防止电容器向母线充电。

2.3电容器事故处理原则

（1）当电容器喷油甚至爆炸时，应立即断开电源，使之与系统隔离，用砂子或二氧化碳干粉灭火器灭火；

（2）电容器组的断路器跳闸，而熔断器未熔断时，值班人员应对电容器放电后，在检查相关电力设备情况，若没有发现异常情况，方可试投；

（3）电容器的熔丝熔断时应向调度员汇报，取得指令后，方可断开断路器、切断电源，放电后，先进行外部检查，包括外壳是否变形、漏液、并摇测对地电阻，如无异常，更换熔丝后试投，如送电后熔丝仍熔断则应退出故障电容器。

综上所述，电容器故障类型复杂，对运行工况要求严格，保护也较为复杂，在其进行保护配置和整定计算时，应考虑全面，并符合现场的实际情况。微机电容器保护装置集测量、保护、监控于一体、体积小、运行维护方便，如在实践中大力推广，再加之日常运行维护的高质量和有效性，将使电容器的作用得到有效发挥，还可增加电容器组的使用寿命。

参考文献：

[1]GB50227-2008.并联电容器装置设计规范.北京：中国计划出版社，2008.