高压并联电容器的接线及保护方式的选择

邹振球

（日新电机（无锡）有限公司，江苏无锡 214112）

并联电容器在使用过程中，过电压产生、保护配置不科学，均是导致故障产生的原因。为此，可通过保护配置优化，及时检测并防控电容器故障问题。为保障电网安全运行，并联电容器装置应做好并联电容器各部件的合理接线并配备科学的保护配置，通过电容器装置统一性及可靠性提升，降低事故概率，并有效降低产生的危害。

1 配电网中并联电容器应用现状

并联电容器装置应用中出现的问题有外熔断器及内熔丝混用，导致电容器继电保护整定值计算误差较大。保护选型或选型计算时存在选择哪种公式的问题。对并联电容器的保护成效会受到一定影响。

2 高压并联电容器各元件接线要求

并联电容器结构包含避雷器、放电线圈及电容器等多个元件，在并联电容器中接入各个元件时，要把控好接线方法，做到正确，布线合理。

2.1 电容器接线

应以系统设计要求为依据确定电容器组容量大小。布设时，要求电容器额定电压具备运行时工频过电压承受能力，具体数值应不超过电容器额定电压的110%。有限流电抗器串联在电容器回路上时，与电网接入端电压相比，电容器两侧电压值会显著提高，这是由于电抗率选择时，未能以电容器额定电压作为计算依据所致。为此，多段串联电容器组接线时，需要根据电容器组额定相电压与串联段数的比值计算电容器额定电压，进而以此为依据确定具体的电抗率。单台电容器容量计算时，除了电容器组总容量以及串联段数以外，还需要将可并联接入的电容器总量纳入考量。有电抗器串联在电容器组上时，需要利用电容器组及电抗器额定容量的差值，求出电容器组的总输出容量值。

2.2 串联电抗接线

串联电抗器的作用是对充电涌流、谐波产生一定的抑制作用，若电容器额定电流不足充电时涌流的5%，则串联电抗接线时，电抗率应高于0.1%，但不可超过1%，以此有效抑制充电涌流。而谐波电流控制时，若接入电网的谐波不小于5，则应将电抗率的取值设定为4.5%～5%。而在电网谐波≥3次以上时，电抗率应以12%为宜。通常情况下，电抗器额定电流应不小于电容器额定电流，可按照应用场合的不同选用空芯或铁芯（又分为干式铁芯，油浸铁芯）两种类型电抗器。在合闸涌流限制、谐波电流抑制时，串联电抗器需安装于电源侧。安装在中性点侧，电抗器不会承受过高的电压，且可减少短路电流产生的冲击力，有利于规避安全事故，可保障电网安全运行，同时也可节约电抗器安装成本。

2.3 其他元件接线

放电线圈接线时，合闸过程中若是有剩余电荷存在，可能导致过电压产生，为防止这一现象，要确保电容器组与电源分离后，放电线圈具备快速降低电压的能力，即电容器上的电压需在5 s 时间内降低至50 V 以内，此外，为保障放电线圈接线的安全性，放电器回路中，不可接入保护熔断器，也不可连接刀开关。同时，为避免电容器组操作过程中有过电压形成，接入避雷器时所选器型应选用金属氧化型避雷器，其中以氧化锌避雷器为最佳。

3 高压并联电容器的保护方式筛选

3.1 保护方式类型

高压并联电容器运行时，内部元件故障发生率较高，并且极间短路故障也较为常见，此外还可能出现外壳短路故障。目前，电容器内部故障应以内熔丝保护为主，而应将继电保护作为后备保护。由于以往以熔断器保护为主的保护方式虽能快速完成故障切除，但其存在拒动、误动或群爆的隐患，若以之作为电容器内部故障主保护可能会出现可靠性不足的问题。为防止此问题出现，可通过应用断电保护方式增强故障主保护的可靠性。

3.2 几种常用的继电保护方式

利用继电保护方式时，一旦某个电容器出现故障，其电容值会发生改变，因而故障电容及正常电容间的电压值会高低不等，且电压也各不一致，由于电流及电压差值存在会引发保护操作，因而继电保护属于不平衡保护方式，保护时需将整组电容器全部切除。利用继电保护作为主保护方式时，主要是针对电容器组施加保护，且要确保电容器组三相平衡，不可出现缺台运行现象。继电保护的整定以内部元件故障率为依据，超过50%时方可实施保护动作。故障单元电容值越高时，单元总数越多时，继电保护取样信号越强。

3.2.1 开口三角零序电压保护方式

高压并联电容器中，10 kV 容量6000 kvar 以下的电容器组多采用开口三角零序电压保护方式，可通过放电线圈二次结成作为开口三角，利用两条线将开口端电压与保护装置连接。此种接线方式具备很高的保护灵敏度。由于中性点不必接地，因而即便系统发生接地故障，也不会影响电容器组。但若是系统电压出现不平衡现象时会对电容器组运行带来相应影响。由于10 kV 电容器组所受对地电容不平衡影响并不大，因而此种保护方式在10 kV 电容器组中应用较多。开口三角零序电压保护接线图详见图1所示。

图1 开口三角零序电压保护接线图

3.2.2 电压差动保护方式

此种保护模式下，需利用电压互感器测量电压相至中性点之间的电压变化情况。一旦电容器出现故障，此相会释放对应信号。通常在各相存在两个串段的电容器组中应用电压差动保护方式居多，此种保护方式下，电容器每一个串段连接一个一次线圈，而二次线圈连接时，则需采用差动连接方式。在三相电压高低不一时并联电容器运行不会受到影响，且单相接地故障出现后，电容器仍可正常工作。故障发生时可分相实施保护，且具备更高的保护灵敏度。若是两个串段或多个电容器同时出现故障，则难以正常做出保护动作。这是此种保护方式的缺陷所在。此种保护方式主要应用于等级为10 kV 容量6000 kvar 以上及35 kV 容量20000 kvar 以下，且有专用放电线圈的并联电容器保护中。

3.2.3 中性线不平衡电流/电压保护方式

此种保护方式应用下，通常采用不接地星形方法连接电容器，可设置两个容量不一的星形，且在二者之间接入一个用于检测电流值变化的互感器，由于二者容量不同，电流会发生流动，且流动范围始终在两星形中间范围内。网络是否平衡不会对此种保护方式产生影响，且对谐波的敏感度不强。电容器设有内熔丝时可应用此种保护方式，且计算用于检测电流的互感器额定数值时，应将系统电压的具体等级纳入考量。其中一个电容器因短路而被击穿时，若各相仅有一个串段，会因高频放电电流流经电流互感器而导致其被毁坏。图2为采用中性线不平衡电流保护方式的接线方法。

图2 中性线不平衡电流保护方式接线图

3.2.4 桥式差流保护

高压并联电容器组的各个相均应按照两臂式连接，将电流互感器接入到两臂中点或与中点相接近位置处，各处出现故障，均会导致不均衡电流在电流互感器处经过。在多电容器组中此种继电保护方式较为适用，可构建三个独立的保护区，并且相间电压不平衡问题对桥式差流保护的影响较小。等级为35 kV 容量30000 kvar 以上66 kV 容量20000 kvar 以上。桥式差流保护如图3所示。

图3 桥式差流保护示意图

4 配电网并联电容器事故分析及保护方式优化

4.1 外熔断器应用故障调查

某变电站35 kV 电容器组出现了故障，其中8号电容器合闸时出现零压保护动作弹跳，一个电容器瓷瓶折断且C 相外熔器全部熔断爆炸，母排有变形现象。此变电站共有八组35 kV 电容器组，各组均配备36台电容器，采用的是单星型接电方式，电容器容量均为7200 kvar。故障发生前，该站35 kV 系统采用母线分段运行模式，301母联开关为热备用状态。

4.2 故障原因分析

通过调取装置记录故障波形图，发现合闸过程中C 相电流一直处于零状态，保护装置录波并无故障出现，确定合闸时C 相熔断器全部熔断，因而合闸时C相并无电流。经母线电压波形分析发现（图4），三相过电压均较高，特别是B 相过电压幅值高于保护装置记录限值，而A 相及C 相分闸后存在相互反相脉冲，二者产生时间有11 ms，此时存在较高的重燃过电压。因此可判定，内部场强过大、开关重新启动是电容器被击穿的主要原因，在高值过电压形成后，电容器内部出现了极间短路。极间短路发生后，极间电压升高，使一台电容器被击穿，故障电容器回路放电时产生强冲击电流，使无故障电容器外熔丝被熔断，因冲击电流远远超出了熔断器的防爆炸限值，因而本工程中出现了熔断器爆裂问题，且导致距离较近的母排受到高热影响而发生了变形。工作人员查看运行记录时发现，断路器两次重燃时过电压均较高，避雷器属于正常动作，三相动作是否同时发生不能确定。

图4 分闸时录波图

4.3 保护方式优化分析

通过了解本次事故发生原因发现，熔断器作为保护方式并不可靠，由于大电流电熔器外熔丝不具备良好的开断性能，本电站应淘汰熔断器保护方法。同时，电容器组开关选型需要进一步加强，应选用具备良好电容电流开断性能的断路器，以防止开断过程中出现开关重燃问题，进而有效防止重燃时产生过电压。

5 结束语

电容器组是由电容器、电抗器、外熔丝、保护二次设备等多个配套元件组合而成的，电容器组设备选型时要遵循科学性与合理性原则，做好设备保护配置优化，以便从源头上防止电容器组出现运行事故。电容器组接线时，应掌握各元件接线方法及要求。设备配置过程中，应尽可能避免混合应用内熔丝及外熔断器，同时应根据系统谐波大小科学选择电抗率，且结合电网实际情况科学选用开口三角零序电压保护、电压差动保护、中性线不平衡电流/电压保护、桥式差流保护四种继电保护方式，通过加大保护配置投入为电容器组的运行安全提供保障。