解決電容器組不平衡保護死區的新方案

胡志剛，張雙瑞，陳 力

(天津市電力公司，天津 300250)

0 引言

高壓并聯電容器組不平衡保護主要以檢測電容器組間容差變化引起的電壓、電流變化值作為保護動作條件，以達到防止電容器元件在過電壓下長時間運行的目的。但當電容器組間電容均勻損壞時，不平衡保護將無法檢測出不平衡電壓、電流，致使電容元件過電壓但保護不動作，可能導致電容器元件因過壓燒毀，甚至使電容器組發生爆炸。

內熔絲保護電容器組有效控制了個別電容器元件故障放電對相鄰電容器元件造成的破壞。但相應故障元件切除后與之并聯的完好電容元件承擔的電壓升高，可能造成這些完好元件的繼續損壞，甚至因承擔的電壓太高產生“群爆”，造成更大的破壞。理論上個別元件故障后，因與之并聯的完好元件電壓升高，所以其繼續故障的幾率更大。故增設電容器開口三角不平衡電壓、相電壓差動、橋式差電壓、橋式差電流等保護來防止電容器持續損壞或爆炸。

1 電容器組不平衡保護存在的問題

在同樣的運行環境下，個別元件的擊穿主要取決于電容元件的產品質量差異。即個別元件的故障不一定如電容器組不平衡保護整定原理所考慮的那樣只在同一個并聯段內發生，很可能發生在不同串、并聯段，甚至不同相中。

以開口三角不平衡電壓保護為例，其驅動保護動作的不平衡電壓源主要受三相電容容差影響，假設三相容差為β，則保護測得的開口三角不平衡電壓如下式所示(考慮三相電源對稱并忽略串聯消弧電抗器時)：

(1)

式中：UEX為電容器組額定相電壓。

從式(1)可以看出，開口三角不平衡電壓保護無法判別每相中的個別電容元件切除后對與其并聯的完好元件造成的影響，只能檢測到三相有容差時的不平衡電壓。當三相電容同時出現熔絲切除問題時，雖然與故障切除元件并聯的完好元件將承擔更高的運行電壓，但開口三角不平衡電壓保護將無法判別。

考慮極限情況，假設三相中每相都有一個并聯段內相同數量的電容元件擊穿切除后，三相容差依然是0，開口三角測得的不平衡電壓依然為0，開口三角不平衡電壓保護不會動作。但與切除元件并聯的完好電容元件則會承擔更高的電壓，如果該電壓積累到了1.3倍甚至1.5倍以上的電容器組額定電壓，則其故障幾率大幅度增加，甚至可能因此產生嚴重的“群爆”事故，導致電容器組發生惡性事故。以上分析是電容器不平衡保護的“死區”問題，簡單利用電容器組的不平衡電壓對電容器組進行保護，并不能有效保護電容器組的安全運行。這種保護原理既存在“死區”問題，在實際運行中誤動的幾率又比較大，在現階段已經和內熔絲保護電容器組的大規模投運不相適應。其他類型的電容器組不平衡保護均存在類似的問題。

2 電容器組不平衡保護的改進方案

2.1 改進思路

現場大部分電容器一般都裝設過電壓(低電壓)及過電流保護。過電壓保護通過母線TV獲得母線電壓，過電流保護通過在U相、W相兩相裝設TA來獲得電流，防止電容器組內部及其電纜短路造成故障越級，同時作為不平衡保護的后備保護。改進方案考慮再增加一相TA，利用一種新型微機保護，來實現對內熔絲電容器組的保護。

增加TA后，通過實時檢測到電容器組的三相電壓和電流UU、UV、UW、IU、IV、IW，由微機保護裝置分離出來的基波值，對電容器組的三相電容值進行實時計算，再通過計算后的電容值綜合考慮電容器內故障元件切除后，與之并聯的完好電容元件可能分擔電壓值來決定電容器組是否可以繼續運行。

2.2 改進的新原理

對電容值的實時計算可通過以下分析求得。假設三相電容值分別為(1-δU)C、(1-δV)C、(1-δW)C，其中C為額定電容值。為簡化計算，僅考慮電容器組采用三相星形接線，而不考慮串聯電抗器，假設電容器組中性點為O，電位為UO，則成立以下等式。

ω(UU-UO)(1-δU)C=IU

(2)

ω(UV-UO)(1-δV)C=IV

(3)

ω(UW-UO)(1-δW)C=IW

(4)

根據基爾霍夫定律，則有：

IU+IV+IW=0

(5)

由式(2)-(5)4個等式可以求得其中的4個未知數δU、δV、δW和UO。

電容器組開口三角不平衡電壓保護測得的開口三角電壓也可以通過計算得出：

U△=3UO-(UU+UV+UW)

(6)

式(6)在系統電源對稱情況下與式(1)相同。

根據基波狀態下的δU、δV、δW計算值，可以計算O點實際電位和三相電容器組各自分擔的實際電壓。假設U、V、W三相實際電壓為UUS、UVS、UWS，O點實際電位為UOS，則：

(7)

繼而可得出三相電容器分擔的電壓值UUO、UVO、UWO,UUO=|UUO|，UVO=|UVO|，UWO=|UWO|。

2.3 定值整定

電容器組內元件出現故障被切除后，被切除元件并聯段內的完好元件將承受更高的運行電壓。由于電容器元件間的電容值存在誤差，且個別元件的性能存在差異，出現元件擊穿的概率并不一定限于一個并聯段內，這就給保護定值的設定帶來了難度。 由于每個并聯段間的電容差異無法在設計環節控制，且對保護的影響不大，一般認為現場投運的電容器元件都是標準元件，電容值相等。為了提高電容器本體保護的靈敏性，實際運行中，按一個并聯段內連續故障概率較大的元件進行保護整定。

為簡化分析，假設每相電容器組的內部接線為M并N串。一個并聯段內出現K個電容元件切除后，該相的容差：

(8)

該值與實測電流、電壓計算出的δU、δV、δW值有一定偏差。由δU、δV、δW反推K時需對K進行取整修正。

由δU、δV、δW推倒出K后，可以求出與K個故障電容元件并聯的完好元件分擔的電壓(設故障元件出現在U相)：

(9)

該電壓與電容器元件的額定電壓比值應小于等于電容器的過電壓系數，即：

(10)

式中：Ue為單個電容器元件的額定電壓；kv為常規電容器過電壓系數。

kv可根據電容器的耐壓強度及工藝水平，確定取值范圍在1.15～1.5。指定kv后，可以設定該保護的電壓定值UDZ=kvUe。

2.4 方案的可行性及實施中應注意的問題

2.4.1 可行性

實施上述保護方案可以通過直接對電容器及串聯電抗器的阻抗參數的監視來完善電容器保護的配置。因微機保護可以分離出各次諧波，故電容器容差值的計算可以在基波下進行，計算比較準確。串聯電抗器偏差、母線TV變比差異等因素在電容器設備運行中的變化較小，基本不影響對電容器組回路電容值的測量。而系統諧波分量可以通過微機保護的計算分離出去，也不會對計算產生影響。在電容器額定電壓條件下運行時，其工作電流也在TA的額定電流以內，對于大多數電容器保護現場應用的5P10級電流互感器也能夠滿足測量精度的要求。故該保護的優勢比較明顯，如果其經過實際運行檢驗，可以考慮用該保護替代現有的電容器組不平衡保護。

2.4.2 應注意的問題

該保護的驅動電壓(U值)計算在實際應用中較復雜。現在密集型內熔絲保護電容器組的內部接線隨著逐漸改進越來越復雜，而串聯電抗器、內放電電阻等重要計算參數也應當在U值計算過程中予以體現，對于有著不同內部接線的電容器組，其U值計算程序應當根據實際接線狀況而改變。

在TV斷線、TA斷線、TA擊穿、弧光過電壓、電容器組共振等特殊情況下，應對保護功能深入分析，避免該類故障或其他特殊情況下的保護誤動、拒動行為。

該保護對母線TV、電容器TA的依賴性增強，在設計之初應認真考慮母線TV二次負擔、電容器TA三相伏安特性一致性、保護裝置測量精度及零點漂移等問題，防止保護誤動。

3 結束語

電容器組的“爆炸”問題一直是困擾制造廠、設計及技術人員的難題，雖然現在隨著無人值班變電站的大范圍推廣，電容器組爆炸傷人事故大幅度減少，但電容器組保護的誤動及拒動依然給運行單位造成重要影響。而現場因為對電容器組不平衡保護整定原理的不理解，不平衡保護定值過分減小造成電容器組不平衡保護頻繁誤動也給運行單位帶來了很大麻煩。除了運行維護不到位的原因外，電容器組不平衡保護原理自身的缺陷也是制約電容器保護正確動作的主要原因。隨著現代計算機技術的迅猛發展，以前電磁型保護無法實現的技術手段應該考慮運用到保護設備上。變電站保護原理除了變壓器差動保護、小電流接地保護等少數保護應用了新的技術原理，其他大部分保護原理依然是電磁型保護的技術原理，計算機優勢未得到發揮和應用。以上提出的新型電容器保護的改進方案，因客觀條件所限未進行仿真試驗和實際運行檢驗，希望廣大技術人員能夠對此進行分析論證，并能夠發現更多技術先進的保護原理投入現場保護中，使電網運行更加安全可靠。

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