并聯電容器組的使用淺談

李朝順，王 勇

(沈陽電力勘測設計院，遼寧 沈陽 110003)

1 并聯電容器組的作用

并聯電容器是一種無功補償設備。通常(集中補償式)接在變電站的低壓母線上，其主要作用是補償系統的無功功率，提高功率因數，從而降低電能損耗、提高電壓質量和設備利用率。

通過簡單的計算，可以得出表1。

表1 安裝并聯電容器組的效益匯總

2 并聯電容器組安全運行的條件

為了保證并聯電容器組可靠安全的運行，必須采取有效的措施，使電容器組的三相電容經常保持平衡，條件是：

⑴ 不發生過電壓，主要是操作過電壓，這是電容器和附屬設備損壞的主要原因。

⑵ 不受電力系統高次諧波、三相電壓不平衡和一相接地的影響。

⑶ 必須保證電容器(元件)故障后，剩余健全電容器(元件)的過電壓不超過額定電壓的1.1倍。

3 并聯電容器組的保護與接線方式

并聯電容器的接線方式有：采用開口三角電壓保護的單星形接線、相電壓差保護和相電流橫差保護的非對稱接線，中性點電流差保護的雙星形接線。

3.1 開口三角電壓保護的接線方式

開口三角電壓保護的接線方式見圖1。

圖1 開口三角電壓保護接線圖

這種接線法是所有并聯電容器組接線保護法中，最簡單、可靠的。放電線圈作為殘余電容電荷快速放掉外，還作繼電保護。加入一塊電壓繼電器，便構成完整的一套裝置。如果開口三角電壓偏低，加入一只升壓小變壓器，達到電壓繼電器啟動的要求。

3.2 相電壓差保護接線方式

相電壓差保護接線方式圖2。

圖2 相電壓差保護接線圖

這種接線法，同開口三角電壓法一樣，簡單可靠。采用非對稱接線的目的，主要是提高部分電容器保護的靈敏度。

3.3 雙星形中性點電流差接線方式

雙星形中性點電流差接線方式見圖3。

圖3 雙星型中性點電流差保護接線圖

這種接線法適用于電容器組的容量較大和臺數較多。目的就是降低一臺電容器損壞時的故障電流。為了提高這種接線的繼電保護靈敏度，可以采用電流互感器的電流比是5/5A，還可以采用兩星形的非對稱的接線法。令左邊星的并聯臺數比右邊多一臺。按左邊星計算繼電保護啟動值，并整定。當右邊星電容器故障時，就可以得到繼電保護的靈敏度高于左邊星，加速繼電保護動作。

4 一臺電容器的元件接線方式和一相電容器的接線方式

4.1 一臺電容器的元件接線法

這里規定一臺電容器的接線法，目的就是一個元件短路故障時，限制一臺電容器的故障電流不超過它的額定電流的兩倍。

4.1.1 內熔絲電容器的元件接線法

1974年德國Held首先提出內熔絲電容器的內熔絲的試驗條件后。1984年瑞典ASEA公司則做了具體的規定，見圖4。為了限制健全元件注入故障元件的電流。英國BICC和瑞典ASEA規定每段元件并聯數是9～10。

圖4 內熔絲電容器元件接線圖

4.1.2 外熔絲電容器的元件接線法

為了限制外熔絲電容器的故障電流不超過它的額定電流2倍。ASEA的電容器元件接線法，是少并多串。國產11kV/ 3，100kVAR電容器元件接線是4并4串。而瑞典ASEA則是分成兩支路，每支路是3并4串。15kV電容器的元件接法見圖5。

圖5 外熔絲電容器元件接線圖

4.1.3 無熔絲電容器的元件接線法

無熔絲電容器的元件是串聯或兩個元件并聯之后再串聯，如1984年華東電管局供用電處編的《并聯電容器的補償裝置技術》介紹日本日新公司的單臺66kV/ 3、3334kVAR集合式電容器的一臺元件接線圖如圖6(a)。美國電力公司(AEP)新設計的138kV，57.6MVAR電容器組的一臺電容器元件接線圖如圖6(b)。

11kV/ 3及以下無熔絲電容器的元件接線。取6個元件串聯，一個元件短路時，健全元件過電壓是它的額定電壓1.2倍。即應停止運行。

圖6 一臺電容器的元件接線圖

4.2 一相電容器的接線法

這里討論的是一相兩段以上電容器的接線法。內、外熔絲電容器的接線法基本上是先并后串。但應先計算一臺電容器故障時的故障電流是否超過它的額定電流兩倍。否則應先串后并。

為了保證電容器剩余健全元件的過電壓不超過1.1倍和故障電流不超過2倍。無熔絲電容器的一相接線是先串后并，見圖7(a)和(b)。

圖7 一相電容器接線圖

5 附屬設備的技術條件

并聯電容器組的附屬設備有：連接導線、絕緣子、隔離開關，斷路器、串聯電抗器、放電裝置、電流互感器和熔斷器等。這些設備的額定電壓必須符合系統的額定電壓。它們的額定電流大于1.1×1.3=1.43倍電容器組的額定電流，需要著重說明的是斷路器、串聯電抗器、放電裝置、電流互感器和熔斷器五種設備。

5.1 斷路器

并聯電容器組對斷路器的要求很嚴格。一是三相同步，如果不同步后合閘的一相將發生起弧，產生過電壓。二是不發生操作過電壓，發生操作過電壓時，燒損斷路器的觸頭外，還損壞電容器。采用真空斷路器，則需加裝金屬氧化物避雷器(MOA)。11kV和35kV電容器組選用MOA的參數見表2。

表2 并聯電容器組選用MOA的參數

表中直流——毫安殘壓U1mA是投入運行時和維護期間必須測定的參數，好判定它的好壞。

MOA應安裝在電容器組的末端，原因是產生高電壓行波到達電容器末端的反射，兩倍升高，易造成套管閃絡放電，燒斷導線。

5.2 鐵芯電抗器

為避免過電壓和過電流都會引起電抗器溫度過高和發生噪音，應按照1.35倍電容器組電流設計電抗器的容量。為了限制合閘涌流，最好選用0.1%～1%參數的串聯電抗。

5.3 放電裝置

放電裝置是并聯電容器組停止運行后，將殘留在電容器的電荷電壓放掉，避免下一次投入運行時，發生兩倍以上的合閘過電壓，或停運期間，誤擊工作人員。放電的措施有二：一是電阻放電，在五分鐘內，從運行電壓降到50V。二是放電線圈或電壓互感器，它除了放電作用外，還有作為系統三相電壓不平衡的開口三角電壓的繼電保護，或者一相電容器上，下兩層的電壓不對稱的繼電保護。如果放電線圈只作為放電作用，它的二次側接線宜加入適當的電阻負荷，避免過電壓時，鐵芯飽和產生鐵磁諧振(Ferroresonance)，損壞放電線圈。

5.4 電流互感器

雙星型電容器組中性點電流差保護用的電流互感器。因一臺電容器故障時，通過它的電流較少，它的電流比值宜選5/5A可以提高繼電保護的靈敏度。

采用中性點電流差保護最大的缺點是，電容器組內任何一臺電容器故障時，若擊穿點重燃，產生高頻諧波的過電壓，它的電流在兩星間循環，在電流互感器二次側線圈感應更高的電壓，將擊穿電流互感器二次側的線圈、電纜和繼電器。使繼電保護失去作用，至而電容器組發生嚴重的故障及至火災，這是國內外雙星型電容器組發生故障時，出現的現象。防止電流互感器因高頻諧波擊穿的對策，最有效的措施是電流互感器一次回路串接容抗3.6%的電抗器，抑制高頻諧波的過電壓。

5.5 熔絲保護

熔絲保護分外熔絲和內熔絲兩種。

⑴ 外熔絲保護是美國首先倡導，分熔絲管和熔體兩部分。美國西屋公司的熔絲管耐爆能量是50kJ。熔絲的額定電流是電容器額定電流的1.65倍～2倍。0.1s的熔斷電流為300s熔斷電流的6倍～7倍。一臺電容器全短路時的故障電流是電容器額定電流12倍。

⑵ 內熔絲保護，首先是由德國W.Held等提出它的試驗要求條件后，瑞典ASEA(ABB)明確地指出，熔絲的熔斷電流是元件額定電流的15倍～20倍，熔斷時間只有兩三周波(a few cycles)，少于1s大于0.1ms(0.1ms

6 并聯電容器組繼電保護計算公式

內、外熔絲和無熔絲并聯電容器組的繼電保護整套有關計算公式。對稱和非對稱接線保護的計算共用一個公式表示。

6.1 符號說明

表3 符號說明

6.2 開口三角電壓保護計算公式

表4 開口三角電壓保護計算公式

6.3 相電壓差保護計算公式

表5 相電壓差保護計算公式

6.4 雙星電流差保護計算公式

表6 雙星電流差保護計算公式

(續)

以上三種繼電保護整定均未考慮系統三相電壓不平衡和電容誤差。宜在電容器組投入運行前測定為準，如有必要，可參考ANSI/IEEE標準C37.00-1980“并聯電容器組保護導則”給出的表7的計算公式[14]，進行計算。

表 電容器組固有不平衡的位移值表

7 結語

本文是從原理到應用，探討并聯電容器組的選擇法，并聯電容器組的作用、效益、安全運行必具的條件和可靠的接線方式和保護方案。提出繼電保護整定的計算公式，以符合內、外熔絲和無熔絲并聯電容器組的接線方式和保護方案。

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