500 kV变电站双星形并联电容器组过电压分析与保护整定

钱 洁，汪建敏，钟文慧，李 俊，邓 清，秦纪平

（国网江西省电力公司检修分公司，江西南昌 330029）

0 引言

双星形接线电容器组作为无功补偿设备在电网中被广泛应用，电容器组中性线不平衡电流保护配置一般是根据系统潮流和稳定研究结果给出基本参数，或者通过计算额定状态下电压、电流有效值对保护进行整定，这种做法忽略了电容器本身的老化过程对其内部元件电压的影响，任何元件发生故障都将使其余元件上的电压分布改变[1，2]，如保护未能及时动作，可能造成部分电容器元件运行电压过高而加速绝缘劣化，导致连续性击穿甚至爆炸事故的发生[3]。电容器组损坏的主要过程为：

1）电容器内部单个元件损坏，内熔丝熔断，不平衡电流由小变大，保护未切除故障电容器；

2）电容器内部其它元件过电压倍数增加，元件损坏，不平衡电流继续变大，保护未切除故障电容器；

3）多台电容器内部元件击穿，最终导致原完好相电容器损坏，保护动作，开关跳闸。

本文通过分析电容器内部元件故障引起的电压分布变化，推导出中性线不平衡电流的计算公式，修正了双星形接线电容器组中性线不平衡电流保护的整定值。

1 内部元件故障后的电压分布及不平衡电流整定计算

1.1 元件故障后的电压分布计算

电容器的过电压既与母线运行电压有关，也与电容器发生内部故障时电压不均匀分布有关[4]。无功补偿电容器组由数只电容器并、串联组成，每只电容器又由多个电容元件并、串联构成，电容器组内的任何一个元件的故障都将使电压在各电容元件上重新分布，给电容器组的正常运行带来安全隐患[5]，因此分析元件故障后过电压分布有着重要意义。

某500 kV变电站的35 kV无功补偿电容器组的双星形接线方式如图1所示。电容器组带外熔断器，每臂7并4串，型号为TBB22-35-50400/300Mr-2BLW，容量为50400kvar。电容器单元带内熔丝，接线形式为11并4串，型号为BAMr11/2-300-1W，容量为300 kvar。UA、UB、UC分别为35 kV系统相电压。

当系统35 kV三相平衡，且电容器组容量平衡时，电容器组中性点电位为零，流经中性线的电流为零。如有电容器发生故障，则U0和I0均不为零。以电容器组A相单元①故障（图1左图标注处）为例，假设单元内元件电容值为c，电容器内部单元②有k个元件因内熔丝熔断退出运行，则左侧星形中性点点位不为零。

图1 35 k V电容器组双星形接线图及单元元件结构图

单元②（故障元件并联段）的电容值为：

故障电容器完好串电容值为：

故障电容器的电容值为：

完好电容器的电容值为：

单元①（故障电容器并联段）电容值为：

A相故障臂电容值为：

A相正常臂电容值为：

B、C相左右两侧正常臂电容值为都为C。

根据基尔霍夫电流定律：

A相故障臂过电压倍数为：

单元②完好元件过压倍数为：

单元①完好电容器元件过压倍数为：

单元③（故障相A相）过电压倍数为：

非故障相B相、C相过压倍数为：

随着故障元件数增多，单元②过电压倍数越大，当其超过一定数值时，为避免发生事故，保护必须动作。

对于该变电站的电容器组，当单只电容器内部k（1≤k≤11）个并联元件发生击穿故障时，各点过电压倍数随k的变化如表1所示，当k＝11时，即单元②所有元件熔丝熔断，电容器单元完全故障，等同于外熔断器熔断。

表1 各点过电压倍数随k的变化

由表1可知，当故障元件数1≤k≤11时，完好相B、C相电容器上的过压倍数很小，低于1.1倍的长期允许工作过电压水平。当故障元件数k=4时，故障电容器内部完好元件上的过电压将超过其1.3倍的允许值，达到1.3947倍，此时为防止更多元件损坏，保护应该动作，使电容器组退出运行并找到故障电容器，给予更换。

由表1中单元③过电压变化可知，随着元件故障数的增加，过电压倍数减小，即流过故障电容器的电流减小，在内熔丝熔断数量不断增加的情况下，不利于外熔断器动作，因此在不平衡电流整定计算时需区别对待。

1.2 不平衡电流计算

当电容器内部元件发生故障时，故障元件的内熔丝熔断，隔离故障元件。此时故障单元内部的剩余完好元件由于分压变化会产生过电压，同时由于故障单元容量变化，中性线产生不平衡电流[6，7]。随着故障元件数量的增加，剩余完好元件的过电压倍数将会增加，不平衡电流也随之增大。中性线不平衡电流保护的整定，对电容器故障的可靠切除起着决定作用[8，9]。

该500 kV变电站电容器单元采用内熔丝和外熔断器保护。其中内熔丝主要起到隔离故障电容器内部元件的作用，使得电容器组可以在一定程度内带故障运行。外熔断器主要起到隔离故障电容器单元，防止极-壳击穿可能引发的极端短路故障[10，11]，因此需对两种保护在故障电容器组使用时中性线不平衡电流的情况进行分析。

1.2.1 内熔丝保护

由表1知，当k=4时，保护需动作，此时h1=

1.2.2 熔断器保护

电容器元件采用内熔丝，元件损坏以后故障电容器单元的电容值减小，容抗增大，电流减小，不利于外熔断器动作。当电容器单元内部元件串联段部分或全部击穿时、单元内部引线发生短路或电容器外部电路发生故障时，突发的故障电流使熔断器迅速开断，隔离故障。针对此种情况，要求1根外熔断器动作的时候，继电保护就要动作。此时不平衡电流为：

1.3 仿真验证

为验证以上计算公式的正确性，利用PSCAD搭建了电容器组双星形接线模型，如图2所示。额定电压为35 kV，频率为50 Hz，正常臂电容值为55.825 m F。仿真步骤为：

0.5 s时刻断开断路器S1，模拟1个元件故障，k=1；1.1 s时刻断开断路器S2，模拟2个元件故障，k=2；1.7 s时刻断开断路器S3，模拟3个元件故障，k=3；2.3 s时刻断开断路器S4，模拟4个元件故障，k=4。

图2 电容器组双星形接线模型

故障时中性点电压标幺值和不平衡电流仿真结果如表2所示。比较表1和表2数据可知，理论计算结果和仿真计算结果基本一致，说明了理论计算公式的正确性。

表2 单元②故障元件过电压倍数和中性点不平衡电流PSCAD仿真计算结果

综上所述，为使电容器组安全运行，应采用电容器内熔丝保护，根据内熔丝保护进行继电保护调整，从而确保电容器单元内部元件损坏在一个小范围内，且完好元件过电压符合要求，继电保护动作，杜绝更严重故障的发生。

2 结论

1）电容器任一元件熔丝熔断都将引起非故障元件的过电压，过电压会影响电容器内部元件的绝缘性能。对于35 kV结构为7并4串、内部为11并4串的双星形接线电容器组，其内部元件熔丝熔断的数量不允许超过4个，否则继电保护必须动作。

2）为保证不平衡电流保护可靠动作，其整定值应设为0.154 A。

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