電容器組反時限過電壓保護的實現

施靜輝 ，寇英剛 ，許慶強 ，張 琦

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024）

隨著現代工業技術的發展，換流設備和電弧爐等非線性用電設備在各行各業中被廣泛地使用。由于這些負荷在使用中會產生大量的諧波，造成電網電壓發生畸變，從而使得電能質量下降。因此，現代電網中廣泛使用并聯電容器組，既能夠為電網提供無功功率，又能有效濾除諧波來改善電能質量。

高壓并聯電容器組保護裝置的配置與定值計算方法在標準DL/T 584—2007《3 kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》和GB 50227—2008《并聯電容器裝置設計規范》中都有詳細的規定。在上述標準中所列出的電容器組過電壓保護是定時限特性保護[1，2]，不分故障（或異常）程度的輕重一概以固定的時限動作，結果要么是過保護，要么是欠保護。

1 問題的提出

對于電容器組的過電壓情況，電力企業一、二次專業的要求既相互統一又存在矛盾。在電容器組過電壓情況下，兩者都希望具有相應的保護來保證電容器組不被損壞。另一方面，一次專業要求電容器組對過電壓有較高的設備裕度，而二次專業要求相對比較低的保護動作時間與定值。

按照DL/T 584—2007《3 kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》和GB 50227—2008《并聯電容器裝置設計規范》中相關規定，電容器組要裝設反映過電壓的保護，同時要求過電壓繼電器宜有較高的返回系數[1，2]（這在微機保護裝置中很容易實現），同時在DL/T 584—2007中還推薦優先使用帶反時限特性的電壓繼電器[1]，但未提供反時限特性方程。所以對于電容器組的過電壓情況，傳統做法都按照DL/T 584—2007中規定來配置定時限過電壓保護：過電壓定值取1.1倍額定值，動作時間小于60 s[1]。這滿足了繼電保護要求的相對比較低的保護動作時間和定值要求，但是無法充分利用電容器組本身的設備裕度（如表1所示，過電壓和最大持續時間關系）。為了在電容器組過電壓的情況下綜合考慮兩者的要求，既能夠對電容器組過電壓實施有效的保護，又能夠充分利用電容器組本身的設備裕度，所以使用反時限過電壓保護來滿足這兩者的要求。隨著計算機和電子技術的發展，在微機保護裝置中可以方便地實現各種反時限動作特性方程，以滿足不同的實際需求。

表1 電容器過電壓倍數與最大持續時間

2 反時限過電壓保護特性方程的擬合

如表1所示，在標準DL/T 840—2003和GB/T 11024—2001中對電容器容許承受的過電壓倍數以及持續時間均做了詳細的規定[3，4]。

表1中，Ue為電容器組額定電壓。根據表1中的數據，以過電壓和額定電壓比為橫坐標值，以電容器組在某電壓下允許的持續時間為縱坐標值，粗略地繪制過電壓特性曲線。可以看到，過電壓特性曲線是具有反時限特性，即過電壓程度越高，要求的動作時間越短。

按照DL/T 584—2007中的規定，同時為了降低數據的離散度，減小擬合曲線的誤差，提高擬合曲線的精度，在擬合時不考慮表1中在1.1倍額定電壓時對應的數據。借助Matlab數學軟件中曲線擬合工具，經過反復擬合、對比和排除，最終選用如下的反時限擬合方程：

需要說明的是：由于表1中數據過少，擬合出的反時限特性方程不一定完全合適，有賴于通過在不同過電壓倍數下的試驗提供大量試驗數據，數據越多則擬合出的過電壓反時限特性方程越精確，越接近實際情況。對式（1）考慮一定的可靠系數并適當簡化，可以得到如下所示的反時限特性方程。

在實際工程應用中，對電容器組反映過電壓的動作時間和設備裕度的利用有不同的要求。但必須滿足表1中相關規定[3，4]。標準允許時間和通過式（2）計算得到的時間的比值如表2所示。

表2 標準允許時間和計算時間的比值

參考常用的反時限保護方程式的表達方式，同時保證過電壓反時限特性方程能滿足表2中最小時間比值，實際采用如下所示的方程來在微機保護裝置中實現反時限過電壓保護。

式（3）中：Ue為電容器組額定電壓；Tp為時間系數，取值范圍為0.01～1.15（已考慮保留一定的裕度）；t為動作時間，s。

反時限過電壓保護的特性曲線如圖1所示。從圖中可以看到，通過設定時間系數Tp可以滿足實際工程應用中對電容器組設備裕度利用的不同要求。

3 反時限過電壓保護的實現和應用

按照上述擬合的特性方程式（3）在微機保護裝置中采用查表法來實現反時限過電壓保護，即在微機保護裝置初始化時，按照特性方程式（3）在內存中生成一個查詢表，在反時限過電壓保護啟動后，按照電壓比值來查表，進行時間累加。當累加的時間大于等于預定數值時，裝置出口跳閘來切除電容器組。反時限過電壓保護的相關定值如表3所示。

表3 反時限過電壓保護的相關定值

表3中，定值“額定電壓二次值”按照相電壓來整定。對于定值“電壓輸入方式”：為“0”時表示用相電壓引入微機保護裝置；為“1”時表示用相間電壓引入微機保護裝置，微機保護裝置可以根據相間電壓自動算出相電壓。反時限過電壓保護的邏輯如圖2所示。

圖2中，U2e為定值“二次額定電壓值”。根據上述方法，在RCS-9631C電容器保護測控裝置中實現反時限過電壓保護。在程序實現時做了如下處理：（1）考慮系統中實際存在的諧波，相電壓計算是考慮到10次諧波；（2）對于電壓變比大于2.20的情況，都使用在變比為2.20時的數據來累加時間；（3）在任何情況下，只要時間累加值大于等于標準中規定的1.1倍持續時間8 h所對應的數據時保護動作。

以表3中定值默認值情況，借助OMICRON保護測試儀，對RCS-9631C電容器保護測控裝置中的反時限過電壓保護在各種過電壓水平情況下的動作時間進行測試，測試結果如表4所示。

由表4可以看到，實際動作時間的誤差在可接受的范圍之內，同時可以看到在過電壓比值較小時，由于反時限曲線的切線斜率較大，所以引起的相對誤差比較大。

基于該方法實現的反時限過電壓保護目前已經在馬來西亞國家電網公司的相關項目中得到應用。該反時限過電壓保護能夠很好地解決過電壓保護動作時間和電容器組設備裕度利用這兩者之間的合理協調問題，在現場運行過程中取得了較好的效果，得到了用戶的認可。

表4 反時限過電壓保護測試結果

4 結束語

本文在分析了電容器組定時限過電壓保護動作時間和電容器組設備裕度利用兩者之間存在的矛盾，同時基于電容器組相關標準中的數據，借助Matlab數學軟件進行曲線方程擬合，在擬合出方程上考慮一定的裕度，得到可應用于實際的反時限過電壓保護的特性方程。在RCS-9631C電容器保護測控裝置實現了基于該特性方程的反時限過電壓保護，并且應用到實際工程中，很好地解決了過電壓保護動作時間和電容器組設備裕度利用這兩者之間的合理協調問題，取得了較好的效果。

[1]DL/T 584—2007，3 kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程[S].

[2]GB 50227—2008，并聯電容器裝置設計規范[S].

[3]DL/T 840—2003，高壓并聯電容器使用技術條件[S].

[4]GB/T 11024—2001，標稱電壓1 kV以上交流電力系統用并聯電容器[S].