高压并联电容器装置继电保护的探讨

姚 成

（日新电机（无锡）有限公司，江苏 无锡 214112）

针对当前高压供电而言，最主要采用的无功补偿装置是并联电容器，高压并联电容器是一种非常关键的电力设备，其在运行过程中主要通过向系统提供相容性无功补偿的途径，实现无功功率控制就地平衡。通过该设备运行可以提升功率因数，改善电压质量，降低损耗，提升输电线路与变压器之间容量效率。由于市场需求的日益增多，对相应设备的需要量也在日渐增加，对电容器的科学保护和调整方法也就变得越来越关键。现阶段许多电网都出现了稳定性不高、敏感度不够强的实际保护问题。当处于正在工作状态的高压系统发生电容故障时，可能对后期运行阐述直接影响。所以，通过深入研究高压并联电容器保护整定问题，及时发现问题所在并采取有效保护措施予以解决。

1 并联电容器相关概述

1.1 并联电容器的特点

并联电容器是中国电网中使用最多的一个无功功率补偿装置，目前中国国内电力系统中90%的劳而无功补偿装置均为并联电容器。其在实际应用中具备了如下优点，由于电容器为静止装置，运行与维修简便，且在应用过程中没有产生噪声，能量消耗较少，效率高。现代电容器的能量损耗也只是本身容量的0.02%以下。同时，也是最经济的装置。其一次性投入和运行费用都相当低廉，而且安装调试简便，所以，在实际工作中，得到了普遍应用，可集中布置在中央变电所，也可分散布置在地方供电系统和厂矿用户。

1.2 并联电容器的主要结构分析

并联电容器的基本结构主要包括箱壳、磁芯、绝缘套管等，将多个电容器小部件并联组装在一起就形成了并联电容器。一般情况下，并联电容器组装的时候，会在其内部各个小元件的另一侧加上一个内熔丝。在电容器内部，如果某一元件部位突然发生故障，会导致整个电容器装置出现故障而产生放电的现象，同时，在电容器内部的熔丝因高温而发生断裂。这种情况处理时需利用不锈钢板，采用人字连接的方式构建整个电容器箱壳，从而保证并联电容器箱壳具有优良的抗爆炸性能。必要时，出线套管也应直接连接到箱体盖板的顶部，然后将接头直接连接到套管上。另外，还需要使瓷套、箱盖和连接器之间紧密连接，通过压接连接可避免漏电问题。

2 继电保护方式

电容器内部故障中，因个别电元件发生损害时，如击穿故障。此时内熔丝并未在第一时间切除故障元件，则会引发电容器的并联段短路，从而尽量让故障元器件在全部击穿之前脱离，并防止造成外壳爆裂现象。内外熔丝保护的保护灵敏度相对较高，优于不平衡保护。不平衡保护一般为过大输出电压的保护，并由此构成了各种保护的主要配置方式。过流保护则是后备保护的主要措施，是当主保损坏后包括有对称性失效的，出现不平衡保护器不起作用。尤其是柱上式电容器装置，当内熔丝保护不起作用指每相容量小于的单元电容器而又不设不平衡保护时，则过电流保护为主保护。继电保护的方式主要包括如下几项。

2.1 开口三角电压保护

开口三角电压保护方法，一般应用于单星型并联接线的电容器组，在国内，其以10 kV 或35 kV 以上的电容器组成而在实际生活中进行使用的情况相当普遍，但是由于其在运行过程中，受制于放电电压互感器的作用，其内部会出现不平衡电压，这时就需要采用二次并联的开口三角形，通过这个开口三角形以实现把各相电容器组所产生的电压分别准确的进行反映，而且，由于这个方法构造原理和连接方法都相当简便，不要求专门的电压互感器，因此精度也很好。由于中性点不接地，因此不受系统接地故障的干扰。但缺点则是系统负载电压不平衡的干扰，如10 kV 对地电容不平衡影响较小，故在运行中还比较满意。

2.2 桥式差电流保护

高压并联电容器装置一般可安装速断保护和过流保护，其保护动作一般为重合闸。首先研究了速断保护，因为只要工作模式最小，电容器组端引线发生两相短路，过保护器的灵敏度系数就非常关键，必须满足相应的系数条件；相关动态状态的持续时间也有限制，但至少要超过电容器合闸涌流的时间限制。下一步是过流保护器。必须注意的区域一般是动作电压值，动作电压值必须大于电容器组允许的最大长期过电压。这一方式也适用于较大的电容器组，把全部电容器组分形成了3 个单独的过保护区组。该方式可不受相间电压不平衡的影响[1]。

2.3 相电压差动保护

高压并联电容器装置不受三相电压不稳定和单相接地故障的危害，在故障时分单相动态，由于保护灵敏度较高，所以其在实际运行中还必须装有母线过电压保护器，因为其在工作时受到的电压也比较高，而且，由于其容量又较大、串段较多，当某相的2 个串段内的电容同时出现故障而出现发生故障台数相同时，就极易造成充放电线圈在工作过程中出现意外，因而引起电容器损坏现象出现。

3 高压并联电容器的继电保护及保护整定

3.1 高压并联电容器的保护分析

3.1.1 内熔丝保护

对并联电容器而言，其内部的各个电容器单元通常都安装了内熔丝，以保证发生一个原件突然被击穿的情形时，则会第一时间精确定位存在故障环节，并将其予以隔离，使之处于断电状态。这个过程可以起到保护系统中其他电容元件的目的，维护电容器稳定运行。在实际安装过程中，发挥内熔丝的优势，避免电容器故障扩大化。内熔丝的主要优势在于熔断耗时短，具备较好的可选性。综合上述因素考虑，可以将内熔丝作为保护设备备用。同时，技术人员应定期巡查外熔丝相关情况，及时发现问题，及时采取故障隔离。熔丝一旦熔断后，其间隙也应具备一定的耐压能力，但首先应该承受受在原隔离间中所出现的一定电压，以及在正常工作中的短期过渡过电压。此外，内部或其他不同的组件损坏和能量释放电压值，以防外部短路。然而，过内熔丝不用于跳闸。如果需要跳闸条件，则需要其他类似的外壳保护[2]。

3.1.2 电流保护

电流保护根据常规分类可以细分为2 个主要类别，即过电流保护和分成速断保护。电流保护系统在运行时需要满足最基本的电流敏锐度要求，在这个背景下电力工作人员们更偏好使用三相系统接线。不同类别适应不同场景，以速断保护为例，其适应范围主要以外围性故障为主，例如，套管内部的短路及电容器组导线的故障，现在快速通断保护器已能够适应工作需要，并成为了高压电网中的重点保障，一旦在电容器末端突然出现了某种故障，就需要及时检测一次准确的电流整定值，通过这种方式设定精确的灵敏度参数。而过电流保护在应用过程中具备一定的特殊条件，即稳态过电流的额定电流至少必须维持在1.3 倍的有效值，并且也不得小于上述的数值限制。而针对电容器则必须进行更全面的有效保护，因此应该把其限制在标称额定电流的1.5 倍或2 倍左右，并以其作为有效保护的限值。另外，所有保护动作都必须间隔在1 s 左右，以实现全过程覆盖。如果若将其换算为20 ℃，则可表述为基准值，其转换公式为C20=Cx×[（-4×10-4）×1-（x-20）]。保护整定所使用的灵敏度比率最低必须是2，或超过3 倍或5 倍的额定电流。在瞬态状态当中，充电的输入电流会对电容器产生危害。这种背景下，电力工作人员需要将其管控在0.1～0.2 s 设定动作时限内[3]。电流电压表测试法如图1所示。

图1 电流/电压表测试法

3.1.3 电压保护

从设备类型方面考虑，电压保护器可以分成欠压保护和过压保护2 类。过压保护目的是为了确保并联电容器装置时刻处在平衡工作状态当中，并避免电容器组在运行中电压波动过大。这意味着电容器系统可以显示内部过电压在许多情况下，包括谐波共振和轻负荷运行。所以如果在供电系统上连接有电容器装置，则将会引起频率变化很大的谐波谐振现象，而电容器内部电压分配也将因此改变而导致电容器端电压增高的内部过电压。当电容器装置在过高电压下工作时，由于其内部游离电压增大，就能够引起局部充放电现象，使介质的损失增加，局部电压过流，从而进一步发展到内部绝缘击穿。另外，一旦并联电容器组表现为内部设备故障，就可以修改电容器组自身的容抗，而从中可以发现，过电压也会直接导致迅速增加的极端电压。

除过电压保护之外，欠电压保护器本身也组成了保护整定的重要组成部分。实际工作中，系统在外界的各种因素影响下可能会出现停电故障，但之后的电力系统将会在最短时间内恢复正常输电功能，而此时装设于电网内的并联电容器将无法同步工作切断。受这些情况的影响，带电容的系统变压器就会发生合闸，从而导致了过浪涌谐振的产生。而如果发生这些故障，将可能损害电容及整个系统变压器。在该装置失压时，由于母线与电容之间仍处在连通状态，所以残存于电容中的电压将会损害电容本体。而此时如果将电网重新供电，则仍处于合闸运行状态中的电容也将会发生破坏。在这个背景下，电力工作人员可用原设计额定电压的0.2～0.5 倍为整定值。

3.1.4 桥差不平衡电流保护

在电容器装置内部，当出现电容元件失效问题时，与之相连的内部保险丝会突然熔断。在这种情况下，电源工作人员必须当机立断对故障部件予以隔离。这时，系统中会出现不平衡的桥臂电流差。所以，除了出现失效问题的元件，其他部件都受分压变化的影响，都可能形成强大的过电压。出现故障时，元件本身电压容量也会随之出现变化，造成不平衡电压增加的问题。所以，依据国家现行标准，在设置额定电压时，应将其高于1.3 倍以上的过电压倍数。当采用桥式差动电流保护时，在设置过程中整定值至少与过电压值的1.25 倍对应，确保不会出现某一个环节元件出现故障问题。当所设置的平衡电压值高于标准值时，保护装置则会启动，进而经历短时延迟，控制系统就会停机[4]。

3.2 保护整定值

3.2.1 单台电容量

电容器装置即便处于正常工作状态，如果出现电容变化中的某些细微的不正常改变，则表示装置上的熔丝管对电容器装置造成了干扰，从而导致了装置的失效。在这种状态下，尽管设备仍然能够处于正常工作状态，但是其中的更多设备也可能会受到干扰，所以必须充分确定装置正常工作状态中的电容率改变，因此国内有关文献中明确标明的电容偏差值必须控制在3%～5%的变化范围内。而针对特殊的模型，将单台装置的保护整定值可以分为基准值和警告值2 个方面，因此，对于经过实际得到的基准值也可以做一定的折算处理，将其折算为20 ℃的值，而在这里面一般都要考虑到电容变形率和工作温度间的正反比关系。而针对报警值来说，计算的依据就是接头形式和熔丝形式，在此情况下也可以获取相对精确的整定数值[5]。技术者应根据设备所处的实际情况来区分不同等级的报警等级，依托于故障程度来确定是不是需要断开断路器。

3.2.2 放电线圈

高压并联电容器在大部分情形下，电容放电线圈都和电容产生并联关系，并安装在绝缘隔离框上。为及时监测设备情况，应将电池放电线圈安装至系统某个部位，确保监测的实时性。

但在实际工作流程中，许多电容器装置却不能保护放电线圈，特别是在桥差保护中，因此产生运行问题。例如，互层短路、匝间短路等典型问题。如果监测无法满足实时性的要求，则可能引发放电线圈炸裂的问题。近年来，不少变压器上也已经出现了放电线圈的爆炸情况，为此需要加以注意。而如果放电线圈上具有二次绕组，则其就可以用作电压监测装置，其问题就是，在设备工作过程中，如果电容器发生了事故或是放电线圈发生了问题，与其相关的二次电压就会明显发生变化，而有关技术人员对这一情况如果能进行准确监测，则就可以准确判断不同时期的设备工作实效性情况。对专用保护方法而言，关于放电线圈的保护整定值可以分为基线值和警告值2 个组成部分，对前者而言，是依据母线上电压所表现出的PT 电压，进而监测放电线圈；对后者而言，用变比变化对警报阈值加以控制，通常情况下变化为±1%～±1.5%，但如果放电线圈或二次绕组中的电压变化超过了±2%时，就可能产生警报。而在此情况中，警报阈值也可能被预先设置与变化，而控制系统就会自动地把所有的信息都加以保存，为后续相关监测工作提供可靠信息数据支持。

3.2.3 三相不平衡

在实际运行过程中，有关人员都必须要检查电容器的质量，并利用这个方法来确定电容器所处的运行状况。在上述的判断步骤中，三相不平衡如果超过了一定范围，即可作为辅助性手段对设备运行情况予以评估。工作者必须定期检查，及时上传三相不平衡相关信息，并将其作为设备运行情况的一项重要参照，从而准确评估实时性的设备工作效果。出现特殊现象后，一旦察觉到有异样，就有必要进行全面的精确测量，运用综合监测手段，防止出现事故[6]。相关工作人员需要在此状态下对数据进行记录并找到故障的根本原因。

4 结束语

高压并联电容器继电保护问题是值得供电企业所关心的焦点，但是，传统的保护方式在实际应用中存在一些不足之处，已经无法实现有效对电容器加以保护的目的，同时还可能导致其出现故障，进而对社会的安全产生危害，所以采用特殊的整定方式，监测单台电容器及放电线圈工作情况，还可进行事故警示和运行开关动作，降低不同时期的运行成本，同时还提高了运行实效，有效保障电容器组安全运行。