一起并联电容器组不平衡电压保护动作原因分析及思考

南方电网红河供电局 岳倩倩 余云光 黎慧明 余 炜 谭智斌 高 林

随着电网规模的不断发展，电网无功需求日益增大，无功补偿装置应用广泛。并联电容器组具有投资小、运维费用低等显著优点，目前仍是电网无功补偿的首选装置[1]。由于应用规模大，故障也随之增多。行业内有调查报告表明，在并联电容器组故障中电容器本体故障仅占较小部分，大部分故障发生在并联电容器组电抗器、避雷器、放电线圈等相关配套设备[2]。运维经验表明，部分并联电容器组故障频发的原因是设计存在缺陷、却得不到足够重视，且这类问题一般比较隐蔽，导致故障频发而找不到问题所在。

本文以某110kV变电站10kV并联电容器组不平衡电压保护频繁动作事件为背景，结合并联电容器组设计规范及保护原理，分析了不平衡电压保护频繁动作的原因，并从中得到一些启发。文中所述并联电容器组发生不平衡电压保护动作后，在半年内重复多次发生不平衡电压保护动作。检修人员多次检查并联电容器组主设备，均未发现可能导致不平衡电压保护动作的设备故障。每次排查完毕设备重投后运行正常，但在日后运行过程中又重复发生不平衡电压保护动作。

1 故障电容器组简述

图1为文中所述故障的10kV并联电容器组接线图。其接线型式不满足《35kV～220kV变电站无功补偿装置设计技术规定》推荐接线型式[3]，图中QS为并联电容器组断路器，QG为接地开关，L为干式空心电抗器，FV为避雷器，TV为放电线圈，C为电容器。其中避雷器及放电线圈与电容器并联并组成单星形，星形中性点通过中性点避雷器接地。该并联电容器组配置不平衡电压保护，保护电压模拟量取自放电线圈二次侧，放电线圈二次绕组组成不完全三角形。

图1 故障并联电容器组接线图

当并联电容器组正常运行时，由于三相负载平衡，中性点避雷器上几乎没有电流，中性点对地相当于开路，该并联电容器组接线等效于图2。等效图的接线型式及保护方式符合《标称电压1000V以上交流电力系统用并联电容器第3部分：并联电容器和并联电容器组的保护》推荐[4]，配置不平衡电压保护，其保护原理如图3。并联电容器组正常运行时，三相电压是一组对称量，放电线圈二次绕组组成的不完全三角形开口电压3U0为零，当并联电容器组由于外部或内部原因导致三相参数不平衡时，开口电压3U0升高，达到保护整定值后保护动作，跳开并联电容器组。

图2 故障并联电容器组等效图

图3 不平衡电压保护原理图

事故并联电容器组于2020年6月发生不平衡电压保护动作，动作后检修人员对并联电容器组电容器、电抗器、避雷器及放电线圈进行检查，未发现异常。检查完毕后，并联电容器组重新投入运行，未见异常。然而运行一段时间后，该并联电容器组又一次发生不平衡电压保护动作，检修人员对设备进行检查仍未发现设备异常。上述情况重复发生多次，检查均未发现设备异常。

2 故障原因分析及改进措施

并联电容器组的接线型式主要有星形和三角形接线两种，根据设计容量的不同，每相又可以分成多个桥臂组成桥式接线[3]。其中单星形接线在3000kVar及以下并联电容器组中最为常见。并联电容器组除配置过流保护外，根据接线型式的不同还需配置不同的保护。中性点接地单星形并联电容器组一般配置中性点电流保护或中性点电压保护，中性点不接地单星形并联电容器组一般配置不平衡电压保护，单相双桥臂并联电容器组一般配置相电压差动保护，单相四桥臂一般配置桥式差电流保护[4]。

2020年12月，事故并联电容器组再一次发生不平衡电压保护动作，检修人员对设备进行全面检查，最终发现中性点避雷器绝缘不合格，避雷器极间电阻仅48欧姆，可以认为避雷器本体击穿，中性点直接接地。

据图1，当并联电容器组中性点避雷器击穿后，该并联电容器组接线型式实际变成中性点接地单星形，如图4所示。根据《标称电压1000V以上交流电力系统用并联电容器第3部分：并联电容器和并联电容器组的保护》，这种接线型式并联电容器组应当配置中性点电流保护或中性点电压保护，而不应配置不平衡电压保护[4]。

如图4所示，当中性点避雷器击穿后，放电线圈相当于通过电抗器接在10kV母线上，当系统发生单相接地故障时，不平衡电压可以通过放电线圈二次开口三角采样，从而导致并联电容器组不平衡电压保护动作。10kV系统是小电流接地系统，系统单相接地故障多发，因此当中性点避雷器击穿后，系统单相接地故障导致并联电容器组不平衡电压保护频繁动作。

图4 中性点避雷器击穿后的接线方式

综上分析，事故并联电容器组的接线型式不符合标准要求，建议依据典型设计，采用中性点不接地单星形接线，拆除中性点避雷器；此外根据《35kV～220kV变电站无功补偿装置设计技术规定》规定，选择保护并联电容器装置的金属氧化物避雷器的额定电压应考虑系统单相接地引起的工频电压升高[3]。因此并联电容器组避雷器应安装于电容器线端与地之间，而不应与电容器并联，否则无法限制系统单相接地引起的工频电压升高。从图1可以看出，故障并联电容器组避雷器的安装方式不符合标准要求；结合以上两点，需对该并联电容器组进行改造，拆除中性点避雷器，并将并联电容器组避雷器直接接地，改进接线如图5。

图5 改进的接线方式

综上，本文针对10kV并联电容器组不平衡电压保护频繁动作特定事件，结合保护原理分析了不平衡电压保护动作的原因，并提出相应的改进措施；从事件处理中可以看出，在并联电容器组不平衡电压保护动作缺陷处理中，检修人员缺乏对保护原理的分析，事故检查试验缺乏针对性，处理方式比较常规，往往不能及时发现缺陷或问题；部分并联电容器组设计不符合规范，厂家在产品设计时应严格遵循相关标准要求，创新性设计应经充分论证方可投入应用，否则可能导致设备运行异常。