并联电容器组不平衡保护配置原则与方法

徐庆锋，岳陈熙

（1.广西水利电力职业技术学院，南宁 530023;国网湖南省电力有限公司超高压变电公司，长沙 410004）

0 引言

并联电容器是目前应用最广泛的无功补偿设备，它对补偿输电线路、变压器等无功消耗，减少线路上因大量无功传输而引起的电能损失，解决无功电源不足，提高功率因数，调节电压，改善电能质量，保证电力系统安全经济运行具有重要的意义。

目前，单台电容器额定容量已做到50、100、200、334、500 kvar 系列标准化产品，且单台电容器组合灵活，更换故障电容器方便，价格便宜。框架式电容器装置将单个电容器集中组合布置，占地面积小，技术成熟，是目前工程中采用最多的并联电容器形式。

电容器是储能设备，内部场强高达66 MV/mm，对冲击过电压和高频过电压冲击波都非常敏感[1～3]。电容器组由单个电容器串并联而成，单元件发生故障将改变其余元件上的电压分布，产生群爆情况[4、5]。基于这些特点，电容器保护的配置有其特殊性。本文以电容器组不平衡保护作为研究对象，探讨不平衡保护配置原则与方法。

1 并联电容器选型

1.1 容量选择

并联电容器作为重要的无功补偿设备，容量选择应根据本地区电网无功规划并经系统计算后确定，也可按照变压器容量进行估算，无功补偿容量可按主变容量的10%～30%配置[6]。并联电容器总容量确定后，通常将电容器分成若干组再进行安装，单组电容器容量应根据系统短路容量，按照分组投切时电压波动不宜超过母线额定电压的2.5%选取[6]，同时也避免电容器分组过多。计算公式如下：

式中：ΔU为母线电压升高值，kV；US0为电容器投入前的母线电压，kV；Q为电容器组容量，Mvar；Sd为母线三相短路容量，MVA。

1.2 主接线选择

并联电容器组基本接线应采用星形接线，中性点不接地。从检修安全角度考虑，中性点应设置接地开关。对于电容器组内部接线，每相或每个桥臂，应采用先并联后串联的连接方式。考虑到单个电容器的额定电压峰值和耐爆能量，电容器并联总容量不应超过3900 kvar。

1.3 串联电抗器选择

串联电抗器应根据使用条件，选择干式或油浸式电抗器。串联电抗器电抗率应根据电网谐波成分选择，根据经验当谐波为5次及以上时，电抗率宜取5%；当谐波为3次及以上时，电抗率宜取12%，亦可采取5%与12%两种电抗率混装方式。仅用于限制涌流时，电抗率宜取0.1%～1%。

1.4 放电线圈选择

放电线圈应采用专用的油浸式或干式放电线圈。其性能应满足电容器组脱开电源后，在5 s 内将电容器组的剩余电压降至50 V及以下[7]。放电线圈带有二次线圈时，其额定输出、准确级，应满足保护和测量的要求。

2 不平衡保护方式

考虑到大多数电容器组对称故障均从单相故障发展而来，准确的不平衡保护配置对提高保护灵敏度、防止保护误动等有着非常重要的作用[8、9]。按照相关规程规范要求，高压并联电容器组均应设置不平衡保护[7]。不平衡保护应满足可靠性和灵敏性要求，保护方式可根据电容器组接线方式选择。一般有开口三角电压保护、相电压差动保护、桥式差电流保护、中性点不平衡电流保护[10]。

2.1 开口三角电压保护

利用放电线圈的二次线圈接成开口三角形，在开口处接一个低整定值的电压继电器构成开口三角电压保护。开口三角电压保护接线图（见图1）。

图1 开口三角电压保护接线图

该保护使用设备数量少、安装简单，不受系统接地故障和不平衡电压影响，不受三次谐波影响。当用于多段串联时，由于放电线圈电压变比大，保护整定难以与电容器内熔丝配合，放电线圈三相性能差异和电源不平衡都会产生不平衡电压，影响保护灵敏性。该保护一般用于10 kV 电压等级，20 Mvar及以下单星形简单接线电容器组。

2.2 相电压差动保护

当电容器组每相有两个及以上的串联段组成，可将放电线圈的二次线圈按差电压接线并接入电压继电器构成相电压差动保护，相电压差动保护接线图见图2。该保护不受系统接地故障和系统电压不平衡影响，不仅动作比较灵敏，还可以判断出故障相别。缺点是使用的设备比较复杂，特殊情况需增设电压放大回路，对称故障时保护不会动作。当保护串联段增多时，保护灵敏度显著降低，使用范围受限。主要用于35 kV及以下电压等级容量不超过20 Mvar电容器组。

图2 相电压差动保护接线图

2.3 桥式差电流保护

当并联电容器组的串联段数为双数并可分成两个支路从而形成桥差接线，在桥路上接1 台TA，即构成桥式差电流保护，桥式差电流保护接线图见图3。该保护可以判断故障相别，灵敏度高，但发生对称故障时，保护不动作。为保证安全需选择特殊变比的电流互感器，如5/1A或3/1A甚至1/1A。

图3 桥式差电流保护接线图

2.4 中性点不平衡电流保护

将一组电容器分成两个星形电容器组，在两个星形接线的中性点间装设小变比的电流互感器，即构成中性点不平衡电流保护，中性点不平衡电流保护接线图见图4。该保护不受外界影响、灵敏度高；缺点是安装时调平衡麻烦[11]，对称故障时保护不动作。容量超过20 Mvar时，保护灵敏度不够，现均以桥式差电流保护替代。

3 不平衡保护配置方法

3.1 主要步骤

（1）根据系统计算或按照通用配置，确定电容组容量和接入点电压。

（2）按照容量和电压选择单台电容器容量。对于单台电容器内部故障，采用内熔丝加继电保护方式。

（3）确定单台电容器容量后，根据总容量、电压和单台电容器容量，按照“先并后串”原则选择串并联方式。

（4）按照电容器组容量和串并联方式选择不平衡保护方式，配置不平衡保护互感器。

（5）按照不平衡保护选择，从一次设备角度调平衡各支路参数[11，12]，文献[9]给出了整定方法。

（6）带电运行，实测运行中各支路不平衡参数符合要求。

3.2 配置方法

按照3.1步骤，结合几类不平衡保护特点，按表1所列适用范围进行配置。

表1 各不平衡保护方式适用范围

3.3 对比分析

（1）从保护信号类型看，开口三角电压保护和电压差动保护采用电压信号；桥差电流保护和中性点不平衡电流保护采用电流信号。电压信号易受系统干扰，如三相电压不对称、运行电压的波动等，难以区分系统电压波动和电容器本身故障，可靠性不如电流保护，整定特性也不如电流保护[8]。

（2）从信号源看，开口三角电压和中性点不平衡电流保护取单组信号；相电压差动保护和桥差电流保护取三组信号，且均采用差动方式。单组信号不能选相，对对称故障无效，灵敏性不如三组信号，尤其采用三组信号的差动保护方式时，保护原理即具有很高的灵敏性，这一点对于串联电容器组也同样有效[13]。

综上所述，桥差电流保护具有极好的灵敏性和适应性，一次接线符合串联段数为双数并可分成两个支路特征时，应优先选用。差压保护次之，在不满足桥差接线，但满足单相对称串联接线时应优先选用，对应差压TV 与放电线圈合并设置。开口三角保护再次之，在不满足差压保护接线时选用，适用于10 kV小容量单星形简单接线电容器组。

4 案例分析

4.1 35 kV电容器组故障

某500 kV 变电站一组35 kV 框架式电容器组，串抗率12%，容量60 Mvar，单台电容器容量500 kvar，内熔丝保护，双星形接线，配置差压保护、中性点不平衡电流保护、过流保护。2020年8月某日上午11 时，晴天，电容器保护动作。保护动作情况见表2。保护整定见表3。

表2 保护动作情况

表3 保护整定情况

经现场检查，电容器组A相有单台电容器发生炸裂，连锁引起三相过流，差压保护最先动作，然后过流Ⅰ段动作。中性点不平衡电流未达定值，未动作。由此可见，双星形中性点不平衡电流保护对大容量电容器组而言，灵敏度不足。差压保护最先动作，灵敏性好，印证了3.3节的对比分析。

4.2 电容器组更换

在电容器组更换设备选型中，按照《35 kV～750 kV变电站、农网变电站用并联电容器成套装置采购标准第38 部分》（Q/GDW13053.38-2018），选取单星桥形接线，取代双星型接线方式，从一次设备源头解决不平衡保护配置问题。电容器组选用单台电容器容量500 kvar，总容量60 Mvar，每相电容器采用4 串（5+5）并方式，采用内熔丝保护方式。通过更换保护插件、升级保护软件，完成单星桥差电流配置，满足电容器组不平衡保护配置要求。

5 结论

并联电容器组在电力系统中有着广泛的应用，不平衡保护作为并联电容器组的主要保护形式，以其灵敏度高、易于实现，得到广泛应用。本文对4种不平衡保护配置进行对比分析，结果表明：大容量电容器组应优先选用桥电流差动保护，对小容量电容器组应优先选用差压保护，对简单接线电容器组应选用开口三角电压保护，中性点不平衡电流保护应避免选用。