特高压交流工程110 kV并联电容器组单桥差不平衡保护可行性研究

2020-02-01陈伟马倩倩陈智伟蔡林

宁夏电力 2020年6期

陈伟，马倩倩，陈智伟，蔡林

(1.国家电网有限公司，北京 100192；2.国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司，宁夏石嘴山 753000;3.中国电力科学研究院有限公司，湖北武汉 430074)

1 并联电容器装置的运行可靠性

特高压交流工程用的并联电容器装置设计安装在变压器的三次绕组侧，起到补偿系统无功功率和支撑电压的作用，三次侧系统标称电压是110 kV。目前已经投运的特高压交流工程中，绝大部分单组并联电容器装置的额定容量是240 Mvar，电容器单元型号为BAM6.08-556-1W(5%串抗率)和BAM6.56-556-1 W(12%串抗率)。并联电容器装置典型运行工况是高场强下运行，且分合闸频繁操作，过电压和涌流冲击较多，因此，属于故障率较高的电力设备。随着特高压交流输电工程的不断建设，越来越多的110 kV大容量并联电容器装置投入运行，低电压等级并联电容器装置的年故障率为0.3%左右，这对于特高压工程是不能接受的，必须进一步提升并联电容器装置的可靠性。

并联电容器装置保护根据保护对象可分为对单个电容器元件的保护，对多个电容器元件组成的单元保护，对多个电容器单元串并联形成的电容器组保护和由多组电容器组组成的高压大容量并联电容器装置保护[1-2]。其中，一般采用不平衡保护为主保护[3-4]。

用于并联电容器组的不平衡保护的主流方式，分别是中性点不平衡电流保护和桥差不平衡电流保护、电压差动保护、开口三角保护，根据电容器组容量大小和保护装置的灵敏度等来选择具体的保护方式。不平衡保护的整定原则有多种，但对于采用内熔丝保护的电容器单元和集合式高压并联电容器，一般采用故障电容器内完好元件的连续运行电压不超过元件额定电压的1.3倍。

特高压交流工程用110 kV并联电容器装置的额定容量为240 Mvar，由于电容器单元串并联数量多，试验示范工程时认为单桥差不平衡保护不能满足灵敏度和可靠性的要求[5-6]，因此采用可靠系数更高的双塔双桥结构不平衡保护方式。随着电容器容差控制技术不断提升，目前电容器组桥臂间的初始不平衡电容值可以控制在0.1%范围内，不平衡保护的可靠系数得到了很大提升[7-8]，采用单桥差保护也具有一定的可行性，但是否满足要求需要进行研究。如果可以采用单桥差保护，则保护的逻辑可以简化，每组电容器可以减少3台电流互感器，同时占地面积会有所减小。[9-10]

本文对特高压交流工程用110 kV、240 Mvar并联电容器组采用双桥差与单桥差不平衡保护的整定值、可靠系数和灵敏度分别进行详细的分析和计算，验证采用单桥差不平衡保护的可行性。

2 桥差不平衡电流保护计算方法

桥式不平衡电流保护的原理如图1所示[11]，图中两个对角接电源电压U，另两个对角接检流计，设4个臂的阻抗分别为Z1、Z2、Z3和Z4。

电桥平衡的条件是Z1Z4=Z2Z3，电桥平衡时，电流互感器中无电流流过。

当4个臂为全膜电容器时，由于全膜电容器损耗很小，在用作桥式不平衡电流保护时可以忽略电阻分量，仅考虑电容，4个臂的电容值分别为C1、C2、C3和C4。则电桥平衡的条件是C1C4=C2C3。

图1 桥式不平衡保护电路原理

只要某一个臂的电容器出现故障，电容发生变化，就使电桥不再平衡，电流互感器中流过电流，这就是桥式差电流的原理。

假设初始状态C1=C2=C3=C4=C，INø为电容器组额定相电流INø=UωC，C3发生故障，电容值变为C’=(1-η)C，其中η为桥臂间电容值的初始不平衡度，一般取值0.1%。流过各电容器的电流值分别为I1、I2、I3、I4，流过电流互感器的电流即不平衡电流I0，C1和C3上的电压为U1，C2和C4上的电压为U2，则：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

根据电路原理可以推导出桥式不平衡电流保护方式下，不平衡电流与故障电容器元件数之间的关系，如式(7)和式(8)所示：

(7)

(8)

式中：I0—不平衡电流；

k—内熔丝熔断隔离电容器元件的数量；

M—单桥电容器单元并联数；

N—单桥电容器单元串联段数；

m—电容器单元中电容器元件并联数；

n—电容器单元中电容器元件串联段数；

Kv—电容器完好元件允许过电压倍数。

继电保护标准[12]规定，对于电容器，完好元件的连续运行电压的限值是1.15倍额定电压。在2010年以前，集合式电容器单台容量较小，不平衡保护较易整定，在限值较低的情况下也可满足需求。随着单台集合式电容器容量不断增大，内单元连接方式也在更新，部分电容器增加了内熔丝保护，在这种情况下，使用1.15倍元件额定电压下计算的整定值就会偏小，无法与固有不平衡输出进行区别。另一方面，整定值过小有可能导致电容器过早退出运行，未能充分利用，尤其集合式电容器，一旦退出需整组退出，其维护工作量大，周期长，建议将完好元件额定电压由1.15倍放宽到1.3倍，即Kv=1.3。

3 特高压工程用110 kV并联电容器组不平衡电流保护计算

特高压工程用110 kV、240 Mvar并联电容器组每相电容器单元12串12并，采用双桥差不平衡电流保护，串桥结构，其接线原理如图2所示[13]，图中“A”为不平衡保护用电流互感器。这种串联双桥接线方式中两个桥的不平衡电流是相互独立的，可以分开单独进行计算，对于接线相同的两个串联桥，只需要计算任一桥的不平衡电流即可。

图2所示为平衡接线桥，即4个桥臂的电容值和接线方式均相同，这种桥的不平衡电流计算可以直接利用现有标准中的计算公式。虽然图2采用了花式接线，即部分电容器单元之间采用了先串后并的结构，但对于平衡桥来说，花式接线对不平衡电流没有影响。