高压并联电容器的接线方式及故障保护措施

2022-12-22姚成

科技创新与应用 2022年35期

姚成

（日新电机（无锡）有限公司，江苏无锡 214112）

中性点不接地的单星形或双星形接线是高压并联电容器的主要接线方式，这种接线方式可以更好地控制故障电流，进而减少电容器箱壳爆炸着火的概率，将故障的概率降到最低，同时避免故障进一步扩大。另外这种接线方式能够为多种形式的保护方式应用提供便利。要结合具体的接线方式来合理选用故障保护措施，确保故障保护的有效性，降低故障概率，并将故障造成的危害与损失降到最低。因此针对高压并联电容器接地方式及故障保护的研究具有重要意义。

1 电容器相关问题分析

1.1 取消外熔断器问题

近年来，在科技发展的推动下，电容器产品制造技术水平也不断提升，相应的单台电容器故障保护也发生了巨大转变。以往，单台电容器外熔断器保护方式得到了广泛应用。但是随着单台电容器容量的增大及电容器质量的提升，外熔断器的保护作用大打折扣，并且在长期运行之后还容易出现熔管堵塞及误动或者拒动等方面的问题。针对这种情况，有的人提出了将外熔断器直接取消。这种方式过于片面，应结合实际情况，合理取消和保留外熔断器。例如，针对小电流电容器，由于内熔丝难以满足保护需求，因此依然需要借助外熔断器保护的方式。

1.2 外熔断器与内熔丝结合应用问题

内熔丝保护方式存在一定的局限性，比如针对套管内闪络或者引线故障等，内熔丝不动作，因此无法提供相应的保护，由此可见内熔丝存在保护死区的问题。为了提升高压并联电容器故障保护的效果，针对内熔丝保护死区，选择增设外熔断器保护的方式，借助外熔断器来解决内熔丝存在保护死区的问题。但实际上这种方式是不可取的，主要是因为内熔丝保护的电容器在故障发生时，其电流会有所减小，而外熔断器只有在电流增大时才能发挥作用，进而导致外熔断器并不能起到保护的效果，反而还会增加维修工作量。外熔断器与内熔丝结合应用的方式存在一定的不合理因素，对于提升保护效果的意义不大，并且还会增加设备数量及施工难度，同时也会在一定程度上增加维修工作难度，因此这种方式缺乏科学性。

1.3 电抗率选择问题

变电站电压等级是选择电抗率的主要依据，但是电抗率的选择应更多地考虑谐波方面的因素，其受电压等级的影响相对较小。例如，针对220 kV及以上配置12%电抗率，针对110 kV及以下的配置4.5%～5.0%的电抗率[1]。这一选择标准只与电压有关，未考虑谐波状态情况。针对这种情况，国家出台了相关标准，对抗电率的选择做出了统一规范，从谐波的角度对电抗率的选取做出了明确要求，如系统中主谐波次数大于等于3次时，应选取12%的电抗率。

1.4 保护方式的选择问题

电容器组保护类型主要分为4种，并且保护类型与接线方式有着较强的关联性，因此选择哪种高压并联电容器接线方式便意味着确定了相应的保护类型，与此同时，选择哪种保护类型便意味着确定了相应的接线方式。不同的保护方式其适用范围也不相同，只有结合其适用范围合理选择保护方式才能真正发挥作用，否则保护便形同虚设，无法起到保护作用。以开口三角电压保护为例，这种保护方式在10 kV单串联段中小容量电容器组中具有较强的适用性，不仅保护灵敏性可以满足要求，而且设备相对简单，具有较强的经济适用性。而针对容量稍大的电容器组，则适合选用中性点不平衡电流保护的方式。这种保护方式不仅能够减少并联电容器台数，而且只需1台电流互感器便可以充分发挥保护作用。因此这种方式能够简化接线，涉及到的保护设备相对较少。相电压差动保护也是重要的高压并联电容器保护方式之一，这种保护方式适用于每相电容器由2个或者更多的串联段组成的情况。其优势在于可以根据保护动作准确识别故障相，可以为故障点查找工作提供便利。但实际上这种保护方式的应用并不广泛，主要是10 kV电容器组多数都是单串联段[2]。除此之外，桥式差电流保护也是重要的保护方式之一，在35 kV及66 kV大容量电容器组中的适用性较强。这种保护方式虽然具有较高的灵敏度，但是接线相对较为复杂，而且所需要的设备较多。

2 高压并联电容器组的接线方式

高压并联电容器接线方式的选择，为确保接线方式的科学性，要综合考虑多方面因素，确保所选的接线方式的科学性。如结合单台电容器的容量、中性点接地方式、电容器额定电压、容量等方面的因素。目前应用比较广泛的接线方式主要为三角形接线及星形接线2种方式。例如，三角形接线方式比较适用于小容量电容器组，并且这种接线方式主要应用在工厂企业变电所之中。这种接线方式的优点体现在有助于消除3倍次谐波电流造成的影响。但是三角形接线方式也存在一定的不足，例如，一旦电容器组出现全击穿短路的现象，会导致故障电流能量增大，容易引发电容器油箱爆裂，造成更大的危害。而星形接线方式则不同，在出现同样情况时，故障电流通常不会超过额定电流的3倍，因此故障电流的能量相对更小，可以避免事故进一步扩大。由此可见，相较于三角形接线，星形接线更具可靠性，因此星形接线的方式应用往往更加广泛。针对10～35 kV非直接接地系统，应采用中性点不接地的方式。除此之外，如果电容器组的容量较大，则双星形接线方式更加科学。因为双星形接线的每段并联台数更少，这便意味着事故发生概率也会随之降低。

电容器组内部接线，要严格把控连接顺序，按照先并联再串联的方式进行接线。采用这样的接线方式，在一台电容器发生击穿事故时，电流会随之增大，进而促使熔断器技术做出反应，第一时间熔断，起到更好的保护效果[3]。反之，如果按照先串联后并联的方式接线，在发生同样情况时，则电流相对较小，熔断器不能及时熔断，进而影响其保护作用的发挥，甚至还会导致故障持续时间进一步延长，造成的事故也会进一步扩大。并联电容器主要包括电容器、断路器、熔断器、放电器、放电线圈、隔离开关及避雷器等（图1）。

图1 并联电容器结构图

对于电容器而言，首先要结合实际情况合理选择电容器组的型式。其型式主要包括集合式电容器组及单台电容器组合2种。单台电容器组合不仅更加便捷与更加灵活，而且故障切除的电容器少。但是这种型式却存在设置难度高及占地面积大等方面的局限性。集合式电容器组具有施工便捷、占地面积小的特点，同时针对这种型式的电容器组的维护工作也更加便捷。但是这种型式也存在一定的不足，如在故障发生时需要整组切除，并且针对故障电容器的更换难度较大，同时相较于单台电容器组，其运行的可靠性不强，但是随着电容器质量的提升，这种型式的运行效果也得到了极大的改善。要合理确定电容器的额定电压，同时科学选择单台电容器的容量，尽量选择单台容量最大的电容器，不仅更加便于进行运行维护，而且还有助于缩小占地面积，同时增加电容器布置的灵活性。

3 高压并联电容器的故障保护

3.1 故障保护类型分析

高压并联电容器的故障保护类型，根据主保护形式的不同，可以分为2种类型，即以继电保护为主和以熔断保护为主。其中继电保护则可以分为电压差动保护、中性线不平衡电流保护、开口三角零序电压保护等。熔断器保护则可以分为单独继保、内熔丝加继保、熔断器加继保等。

3.2 高压并联电容器故障保护的特点

以熔断器为主保护的形式，其最大的特点是借助熔断器反应时限的特性，可以实现快速熔断，在第一时间对故障电容器进行隔离，避免事故扩大，同时也能确保其他无故障电容器的稳定运行。相较于这种方式，继电保护的动作时限则相对较长，以此在高压并联电容器故障保护过程中应以熔断器为主保护，并将继电保护作为后备保护措施。目前这种保护形式的应用比较广泛，但是也存在不同意见，比如有人认为目前熔断器的性能尚不足以支撑将熔断器作为电容器的主保护，尤其是国产的熔断器容易出现拒动或者误动等问题，因此保护效果也会大打折扣。针对这种情况，有人主张将熔断器取消，同时将继电保护作为电容器故障保护的主保护[4]。相较于熔断器，继电保护发生误动或者拒动的概率更低，因此保护效果更好，能够有效规避电容器外壳爆裂问题。

这2种故障保护方式各有利弊，但是结合实际应用效果分析，以熔断器作为主保护的方式更加合理，主要是因为熔断器切除故障的效率更高。但是这种故障保护方式的缺点也十分明显，即误动及拒动等问题发生概率高，进而导致保护作用降低。但是以继电保护为主的保护方式虽然具有性能稳定的优势，但是其缺点也同样明显，主要是继电保护反应速度相对较慢。另外这种保护方式不能进行缺台运行，在发生故障时需要将电容器整组切除。

3.3 不同保护方式的比较分析

3.3.1 外熔丝+继保

熔丝保护在单台电容器保护中具有较强的适用性，通过这种方式，可以更好地规避故障扩大，避免发生油箱爆炸等事故。熔丝保护方式成本低廉，并且这种方式的结构简单，施工便捷。受故障电流的影响，能够使熔丝快速熔断，进而第一时间切断故障，并且保护动作会随着故障电流的增大而加快。同时在发生保护动作之后，外熔丝还会留下比较显著的标志，因此可以为故障点查找工作带来极大的便利。由此可见，熔丝保护的优势十分显著，作用非常明显，以此目前对这种保护方式的应用十分广泛。外熔丝主要分为2种型式，即喷逐式及限流式，前者在我国的应用比较广泛，其具有熔丝可更换及结构简单等方面的特点。后者的开断能力更强，但是在做出保护动作之后便无法继续使用，因此其造价较高，目前针对限流式保护方式的应用相对较少。

外熔丝+继保的方式，容电器熔丝的额定电流通常应为保护对象额定电流的1.43～1.55倍，并且还要明确熔断器电流与时间之间的关系（表1）。例如，将电容器额定电流的1.5 N倍作为熔丝额定电流，那么在电容器额定电流超过2.25倍电容器额定电流时，熔断器便会做出保护动作，熔丝熔断，切断故障。如果故障电流小于1.65倍电容器额定电流时，而熔断器不动作，无法起到保护作用[5]。由此可见，熔断器保护也存在保护死区。

表1 熔断器电流与时间的关系

3.3.2 内熔丝+继保

在电容器故障元件被击穿时，内熔丝会第一时间熔断，避免对其他元件造成不利影响，起到有效的保护与隔离作用。但是内熔丝熔断会受到多方面因素的影响，如果工频电流及并联元件放电电流减小，这样一来，便会导致熔丝开断能力降低，而并联连接器件数量同样亦会下降，同时也会造成熔丝开断能力的下降，甚至造成内熔丝丧失保护功能。这是内熔丝的保护死区。及时配合继电保护这一后备保护方式也难以取得理想的保护效果。

3.3.3 外熔丝+内熔丝+继保

这种保护方式将外熔丝与内熔丝相结合，因此保护效果更佳。由于引发极间短路的原因较多，如套管外绝缘发生闪络、极间介质发生绝缘击穿等，这些都会引发极间短路，同时故障电流不会穿过内熔丝，因此属于内熔丝保护死区。与此同时，由于电流峰值大，并且衰减速度较快，继电保护难以充分发挥作用。针对这种情况，需要借助外熔丝来切断故障电流，起到保护作用。采用外熔丝+内熔丝+继保的方式，可以综合各种外熔丝、内熔丝及继电保护的优势，对电容器起到更好的保护作用。但是采用这种保护方式，合理配置外熔丝和内熔丝是关键，是影响故障保护效果的重要基础，未来依然需要加强探索。

3.4 继电保护的类型

继电保护动作是在电容器故障发生时，电流与电压出现不平衡状况，进而便会做出保护动作。因此继电保护通常也被成为不平衡保护，3.3.1、3.3.2、3.3.3中介绍的故障保护方式均将继电保护作为后备保护应用。如果将继电保护作为主保护，则可以更好地对电容器组进行保护。这种保护方式通常都会在电容器内部元件故障率达到50%以上时才会动作。继电保护无论是作为主保护还是作为后备保护，其类型主要包括以下几种。

3.4.1 开口三角零序电压保护

这种保护类型比较常见，尤其在10 kV及35 kV电容器组中具有较强的适用性。这种方式不仅接线方式简单（图2），而且还无需借助互感器，因此结构比较简单，同时还具有较强的灵敏度。另外，这种保护方式由于中性点不接地，因此即使系统发生接地故障，也不会影响其保护作用的发挥。但是这种类型的继电保护也存在一定的局限性，主要表现在受系统电压不平衡的影响较大。

图2 开口三角零序电压保护接线图

3.4.2 电压差动保护

这种接地保护方式更具灵活性，不会受到单相接地故障的影响，同时也不受三相电压不平衡等问题的影响，因此这种保护方式更具稳定性。但是这种接地保护方式也存在一定的不足，如在2个串段内的电容器同时发生故障，并且发生故障的电容器数量一致，针对这种情况则难以做出正确反映。

3.4.3 中性线不平衡电流保护

这种保护方式需要先将电容接成2个并联的不接地的星形，并同时将电流互感器安装于中心线之上。如此一来，电容组间的不平衡将会造成电流从中性点向直接在接地内部传递。这种保护手段具备很大的灵敏度，同时能够和其他保护方式组合使用，特别是设置内部熔丝的情况中适应性更强。在应用这种保护方式的过程中，有时使用电压互感器来取代电流互感器，但是这种方式会导致其灵敏度降低[6]，因此这种方式的应用并不广泛。

总之，不同的继电保护方式有着不同的特点，其适用范围也有所差异，无论是将其作为后备保护还是主保护，都要结合实际需求，合理选择继电保护方式。