220 kV变电站35 kV电容器组差压保护频繁动作的原因分析

姚宸扬，纪 涛，宋贤良

（国网浙江德清县供电公司，浙江 德清 313200）

220 kV变电站35 kV电容器组差压保护频繁动作的原因分析

姚宸扬，纪 涛，宋贤良

（国网浙江德清县供电公司，浙江 德清 313200）

某变电站35 kV 1号电容器连续在4天内发生了3起差压保护动作事件。经过现场检查及电容器试验后，排除了电容器内部故障的可能性。在考虑外部因素时提出假设，并通过理论分析和电能质量测试，最终证实了谐波是导致电容器熔丝多次熔断的主要原因。

电容器；内部故障；谐波电流；放大效应

0 引言

无功功率以及电压调整对电网的安全可靠运行非常重要。电网需要保持系统中无功功率的平衡，同时该平衡与电压有着密切的关系，无功电源的充足与否，关系着电压的合格水平。为了维持电压在规定的范围内，必须采取无功补偿措施，最常用的无功补偿方式是并联电容器。

目前，德清县境内变电所主变压器低压侧母线上均装设了并联电容器并配置电容器保护。其保护配置一般为：高电压保护、低电压保护、过电流Ⅰ段、Ⅱ段保护以及不平衡电压保护，不平衡电压保护、差压保护一般两者取其一。

1 事件简介

2014年10月，德清县境内220 kV莫梁变电站（以下简称莫梁变）35 kV 1号电容器配置差压保护连续4天内发生3起差压保护跳闸事件，莫梁变35 kV系统为分列运行，具体情况如下：

（1）10月18日11∶21，莫梁变35 kV 1号电容器Ⅰ组电容器开关因差压保护动作跳闸，11∶24Ⅱ组电容器开关也因差压保护动作跳闸，经现场检查Ⅰ组C相5号熔丝熔断，Ⅱ组C相6号熔丝熔断，于当天停役作更换熔丝处理。

（2）10月19日，35 kV 1号电容器Ⅱ组电容器开关、Ⅰ组电容器开关于11∶18和11∶21因差压保护动作先后跳闸，现场检查Ⅰ组C相5号熔丝熔断，Ⅱ组C相6号熔丝熔断，于10月20日进行更换熔丝处理。

（3）10月21日，35 kV 1号电容器Ⅱ组电容器开关、Ⅰ组电容器开关于11∶19和11∶20因差压保护动作先后跳闸，现场检查Ⅰ组C相3号熔丝熔断，Ⅱ组C相4号熔丝熔断。

2 故障范围的分析

2.1 差压保护原理及分析

如图1所示，电容器组的差压保护是通过检测同相电容器组2个串联段之间的电压，经过比较后作出相应判断。当设备正常时，两段的容抗相等，两者压差为零。当某段出现故障时，由于容抗的变化使各自分压不相等而产生压差，当压差超过允许值时，保护动作。这主要是用于避免单相电容器个别元件短路、击穿、断线等故障退出运行后事故的扩大[1]。内部元件故障靠熔丝来隔离故障，本次事件中，单个熔丝熔断后，引起了非故障相电容器及故障相中健全元件电压的升高，因此导致了差压保护动作。

图1 差压保护原理

2.2 电容器内部常见故障及判断

熔丝熔断的原因有很多，最为常见的是电容器内部故障。实际运行中具体表现为：

（1）渗漏油。并联电容器渗漏油是一种最常见的异常现象，渗漏油的主要原因是出厂产品质量不良，运行维护不当，长期运行缺乏维修，外皮生锈腐。经现场观察，本次故障所涉及电容器并无此现象。

（2）外壳膨胀。主要原因是：在高电场作用下，电容器内部绝缘发生游离而分解出气体。部分元件击穿，电极对外壳放电，密封外壳内部对外压差逐渐增大。经现场观察，本次故障所涉及电容器并无此现象。

（3）瓷瓶表面闪络放电。主要原因是绝缘存在缺陷、表面脏污等。经现场检查，1号电容器组并无表面脏污，是否存在绝缘缺陷需经绝缘试验后方可确认。

（4）电容量的影响。电容量的变化会影响容抗大小，从而造成差压保护的动作。电容量是否变化需经试验后方可确认[2]。

因此必须对1号电容器组进行绝缘电阻和电容量试验，才能确定故障具体原因。在对1号电容器组各相电容器进行试验后发现，绝缘电阻值和电容量都在标准范围内，因此可以判定：熔丝熔断并非电容器内部故障所致。

3 谐波对电容器的影响

电容器作为无功补偿设备接入电力系统以后，不仅承受电网工频电压，产生工频电流，在电网非正弦用电设备谐波源的作用下还会产生高次谐波电流，电容器是在工频电压源和高次谐波电流源这2种不同性质的电源下工作。由于电容器是容性电抗，在与感性电抗并联时，由用户谐波源流入电容器的谐波电流将发生变化[3]。此外，畸变的电压会使电容器产生额外的功率损耗，严重时会引起发热、局部放电，导致电容器损坏。

另外，该事件中差压保护动作时间都在11∶20左右，其中10月20日开关未跳闸，是因为11∶20左右时2组电容器均在检修状态，并未投运。因此可以假设是电网中某周期性负荷的谐波分量造成电容器的熔丝烧断。

3.1 并联电容器组的谐波放大效应

如图2所示，所谓谐波放大,是指电容器组投入后，由于电容器组的谐波阻抗是容性的，就会在电源或电容器回路中，通过比谐波源产生的谐波电流还要大的谐波电流。当电源阻抗与电容器阻抗构成谐波谐振条件时，更会使谐波电流异常扩大，同时造成系统谐波电压的增大[4]。

图2 系统等效模拟

查阅《2014年德清县电网等值阻抗表》，莫梁变35 kV母线侧系统阻抗标幺值为0.150 2，则：

图3所示为事件发生时莫梁变电容器组的接线方式（以A相为例），根据试验报告中单个电容的电容量一般为4.56μF左右，计算电容器阻抗：

串联电抗器实测电感L=0.84 mH，计算串联电抗器感抗：

由于事故发生时，1组电容器与2组电容器并联运行，因此2个电容器组的并联阻抗为：

图3 莫梁变电容器组接线方式

3.2 谐波源的确定

如图4所示，事件发生时莫梁变运行方式为35 kV系统分裂运行，Ⅰ段母线上接有通杭3154线，溪梁3887线，城山3152线，莫能3153线共4条出线。其中溪梁3887线一直处于冷备用状态，城山3152线在事件发生的4天中并无负荷，莫能3153线是接绿能发电厂的线路，当时也无负荷，因此可以排除三者是谐波源的可能性。为进一步确认，仅需对通杭3154线进行试验分析。

图4 莫梁变35 kVⅠ段母线运行方式

通过分析10月18日通杭3154线电流遥测量曲线（见图5）可以发现，每晚10∶00过后，通杭3154线的电流有效值由0 A短时间增加至600 A以上，而电容器组的熔丝也是在此时间段熔断的。35 kV 1号电容器组的熔丝烧断极有可能与通杭3154线的用户有关。因此可以设想：当有一定量的谐波进入莫梁变35 kVⅠ段母线时，由于1号电容器的放大作用，其谐波电流值超过整定值，从而导致其熔丝熔断。而通杭3154线上恰好接有大用户某金属制品有限公司，由于其铸钢连轧机组为非线性负载设备，极有可能是电网出现谐波的主要原因。

图5 通杭3154线电流曲线

3.3 电能质量分析

3.3.1 电压质量分析

通过试验记录反映，35 kV母线曾监测到多达200次的暂态电压事件。图6中可以发现，在10月27日21∶58，35 kVⅠ段母线的A，B，C三相电压的波形发生了明显的畸变，其中6次、8次谐波电压畸变率超过了1.2%的门槛值，威胁电网的安全稳定运行。

图6 35 kV莫梁变35 kVⅠ段母线电压波形（10月27日21∶58）

3.3.2 电流质量分析

通过对通杭3154线间隔的电能质量测试，谐波电流的超标较为严重。表1为3154线的谐波电流测试数据，由表1可见，35 kV通杭3154线谐波电流以6次、7次、9次、10次为主，其中6次、8次、9次、10次谐波电流分别超过了国标规定的限值。根据如图7所示的电流波形不难发现，通杭3154线用户的负荷电流具有较大的冲击波动性，生产期间电流波动较大，且A，B，C三相电流波形带有明显的畸变。

图7 35 kV通杭3154线电流波形（用户启动生产时）

图8为当时电容器总柜间隔上另一台电能质量分析仪所测谐波数据，可见其谐波总有效值波动性较大，尤其以用户刚投运的时候最为严重。其中在22∶00，通杭3154线用户启动机组时，电容器间隔谐波电流总有效值达到336 A。通过图3电容器组接线方式计算，此时每个电容器上流过的电流约为336/12=28 A，超过熔丝的熔断值25 A，因此导致熔丝烧断，继电保护差压保护动作。

表1 35 kV通杭3154线的谐波电流

图8 35 kV电容器间隔谐波电流总有效值趋势

4 结论及建议

当谐波次数接近9次时，莫梁变35 kV系统容易出现并联谐振，电容器支路的谐波电流将被放大到较为严重的程度。通杭3154线用户是莫梁变35 kVⅠ段母线谐波的主要来源，其6次、8次、9次、10次谐波电流均超标，且均接近系统并联谐振时的谐波次数。用户在启动非线性负载设备时，流过电容器组单个电容器的谐波总有效值达28 A，超过熔丝熔断值25 A，因此导致电容器的熔丝烧断。单个熔丝烧断引起了非故障相电容器及故障相中健全元件上电压的升高，继电保护设备差压继电器启动，最终使得35 kV 1号电容器保护动作跳闸。

针对该问题，建议采取以下处理方法：

（1）在谐波源处进行谐波治理。谐波的就地治理是较为常用的方式，开展用户某金属制品有限公司现场消谐装置的专项检查，主要是对谐波试验中发现超标的6次、8次、9次和10次谐波设置滤波回路，确保控制在国家标准允许范围之内。

（2）在微机保护上加入针对谐波分量的保护类型。为避免高次谐波分量对电容器组的危害，可在谐波较为严重的变电所内加入电容器谐波保护。目前常用的谐波保护主要有单次谐波过电压保护、单次谐波过电流保护、电流波形总畸变率保护和电压波形总畸变率保护[6]。

[1]张雄伟.并联电力电容器保护[J].电力电容器与无功补偿，2008，29（6）∶46-48.

[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，2002，21（1）∶9-12.

[3]柯于刚.三星形接线电容器组电容量测量异常分析及对策[J].浙江电力，2016，35（9）∶32-34.

[4]赵荣普.并联电容器的运行维护及故障分析[J].云南水力发电，2009，25（1）∶93-95.

[5]刘贤斌.微机型并联电容器谐波保护的研究[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2012，34（2）∶32-39.

[6]周辉，潘建，高健.变电站并联电容器谐波放大及改进措施[J].华中科技大学学报，2007，35（6）∶70-73.

[7]孔斌，刘宪林.农网变电所并联补偿电容器谐波放大问题分析[J].中国农村水利水电，2008，43（4）∶133-134.

[8]刘贤斌.微机型并联电容器谐波保护的研究[J].电力电容器与无功补偿，2013，34（2）∶12-16.

（本文编辑：徐 晗）

Cause Analysis on Frequent Differential Protection Actions of 35 kV Capacitor Bank in 220 kV Substation

YAO Chenyang，JI Tao，SONG Xianliang

（State Grid Zhejiang Deqing Power Supply Company，Deqing Zhejiang 313200，China）

∶Three differential protection action events occurred in 35 kV#1 capacitor bank in a substation in four days.By field examination and capacitor test，the possibility of internal capacitor fault is excluded.The paper makes assumptions while its takes the external factors into account，and through theoretical analysis and power quality test it proves that the frequent capacitor fusing is mainly caused by harmonic.

∶capacitor；internal fault；harmonic current；amplification effect

.201704017

1007-1881（2017）04-0068-05

：TM773+.4

：B

2016-11-07

姚宸扬（1990），男，助理工程师，从事电力系统继电保护工作。