并聯電容器保護研究

胡旌杰，譚建成

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著電網規模的不斷擴大，為了提供可靠的電壓穩定性，越來越多的并聯電容器應用于電力系統中。并聯電容器作為電力系統中重要的無功補償設備，具有簡單經濟、方便靈活的特點。但是據統計，我國近年來高壓并聯電容器的年故障率有所回升，從1997年的0.4%左右回升到2000年1%左右，少數城市還有超過4%的，其中爆炸起火的事故僅1999年就有10余起。究其原因，除了產品自身的質量問題外，運行中的操作過電壓問題，加上設備參數配置不合理、保護配置不當等等也是引起惡性事故多發的直接原因。并聯電容器的損壞直接影響到變電站附近區域的電能質量，因此并聯電容器保護的可靠性與相互間的配合尤為重要。電容器保護主要由電容器組內部保護和系統保護兩大部分組成。系統保護主要針對系統浪涌電壓、工頻系統過電壓、超負荷諧波電流、并聯電容器組附近的故障、系統斷電、輸電線路跳閘、斷路器失靈等。而內部保護主要針對故障電容器元件、電容器單元內連線故障、電容器元件或單元的持續過電壓、套管間的閃絡。當電容器組出現故障時，可能會進一步導致重大事故，繼電保護中不平衡保護在切除故障電容器單元或故障元件時，應提示并警報電容器內部出現不平衡現象［1-4］。本文首先分析了并聯電容器組常用的連線方式，對各種接線方式的特點做了簡要分析。然后闡述了對熔絲的種類和工作原理，并對熔絲的選取問題給予了一些建議。在此基礎上，根據不同類型的故障選定了不同的保護措施。而不平衡保護作為電容器組主要的繼電保護方式，本文主要對不平衡保護重點分析并仿真測試，并對報警點跳閘點的設置做出了分析，給保護參數的配置提供了參考建議。在故障發生后，對于電容器組的日常維護修復，本文也提出了一種確定故障相的方法，以減少電容器組的維修時間。

2 并聯電容器組連線

高壓變電所的并聯電容器組通常采用以下四種接線方式。

圖1 并聯電容器組連線常用的四種方式

熔絲和繼電保護是決定電容器組最佳配置的兩個方面。圖1給出了常用的星形連接電容器組配置。

大多數分布和輸送的電容器組都是以星形連接，或者接地或者不接地。

接地電容器組的特性:

(1)為雷電涌流提供一個低阻通道;

(2)保護電容器避開雷電涌壓;

(3)減小開關設備的恢復電壓;

(4)對于三次以及其它諧波電流提供一個低阻通道。

不接地電容器組的特性:

(1)對于零序電流三次與其它諧波電流沒有提供通道;

(2)在系統故障時，不能提供放電通道;

(3)要求中性點與所有電壓線絕緣。

3 熔絲的選擇

并聯電容器的接線設計主要有內熔絲、外熔絲和無熔絲三種類型。并聯電容器保護從保護的類型來分，有熔絲保護和繼電保護兩種類型。通常情況下，含熔絲的電容器把熔絲保護做為主保護，而把繼電保護為后備保護。但內熔絲與外熔絲混用是并聯電容器保護中經常遇到的問題之一，因為內熔絲電容器與外熔絲電容器的結構和動作原理是不同的。

3.1 外熔絲

變電站外熔絲并聯電容器組的配置是每相由一個或多個并聯的電容器單元組成。每個電容器單元由各自的熔絲保護。在電容器組內，如果電容器單元出現過電壓故障，外熔絲可以迅速動作，因此這種電容器單元可以應用于較高的電壓等級。但是，當有一個熔絲動作某個電容器單元切除時，通常希望電容器組仍能持續運行，在這個條件下，要求并聯電容器單元的數量要盡可能的少，因此在已經給定容量的條件下，各個電容器單元的額定功率可能相對較小。

2.2 內熔絲

一般來說，內熔絲電容器單元組成的電容器組和外熔絲的相比較，它含有的并聯電容器單元較少，而所串聯的并聯電容器單元組較多。通常這種電容器單元很大，因為當故障發生時，不希望整個單元被切除。內熔絲和電容器元件串聯。內熔絲電容器單元先由許多元件并聯成一組，然后把幾個組串聯一起而組成，而外熔絲的結構與此恰恰相反。當一個電容器元件出現故障時，內熔絲電容器其通過熔絲的電流將大大超過正常時的電流，這種強電流將使熔絲動作并隔離故障元件。

3.3 無熔絲

無熔絲電容器內部接線方式通常有兩種，一種是電容器單元串聯在母線與中性點間，另一種是電容器單元以串聯與并聯方式連接。第一種接線方式的保護主要基于元件短路故障，因為這種接線方式沒有電容器單元直接并聯，因此放電能量很小，另外一個優點就是這種方式的不平衡保護不需要與熔絲保護相互配合。而另外一種以串聯和并聯組合的方式與前一種相比較，故障時通過其剩余元件上的電壓更高，因此通常其用于低于35kV電容器組。

當內熔絲電容器出現故障時，電容器單元的電容和電流會在元件隔離之后變小，而外熔絲需要電流增大才能動作，此時外熔絲的動作電流值與實際電流值的差值將增大，可能導致外熔絲無法正常完成保護功能。因此，外熔絲與內熔絲的混用，不但會增加維護工作，降低裝置的可靠性，而且很可能根本不能起到保護的作用。

4 不平衡保護

在并聯電容器的繼電保護中，通常會使用過電壓保護、欠電壓保護、過電流保護以及不平衡保護，圖2給出了一個并聯電容器組的保護方案。過電壓和欠電壓保護主要針對系統故障造成的系統過電壓和欠電壓的情況。如果系統電壓超過電容器或其他設備的電壓承受能力，應該在最短的時間內迅速切除電容器組。電流保護主要針對由于相間短路或單相短路接地等故障造成的系統失壓，通常采取一些外部保護設備，如熔斷器、斷路器、線路開關等。不平衡保護主要針對電容器組的內部故障，如內部元件故障、內熔絲和無熔絲電容器組的元件至箱體間的故障、極間故障、電容器單元接線故障、電容器組內的電弧閃絡以及由于故障元件或熔絲動作引起的電容器元件或單元的過電壓［5］。由此可見，不平衡保護是并聯電容器組內部保護的主要成分。不平衡保護利用不平衡原理，在一個正常平衡的電容器中來檢測異常情況的發生，并采取適當的動作。其最重要的功能是及時的從系統中移除故障電容器，否則將導致故障的進一步擴大。并聯電容器的不平衡保護主要是基于對不平衡電流和電壓的測量。具體的保護措施由熔絲的選取、電容器組的大小、接地的選擇、電流或電壓互感器的絕緣等幾個方面來決定。

圖2 并聯電容器組保護方案

4.1 不接地單星形電容器組的不平衡保護

圖3為不接地單星形電容器組的中性點不平衡保護方法，圖(a)中三個電壓互感器連接在中性點與端點之間，二次側以開口三角形連接，且與過電壓繼電器相連。與圖(b)相比較，圖(a)的方案具有對系統電壓不敏感的優點。此外，圖(a)繼電器中的偏移電壓是圖(b)偏移電壓的三倍。所以對于同樣變比的電壓互感器，圖(a)方案的靈敏度要明顯高于圖(b)。

4.2 接地單星形電容器組的不平衡保護

接地單星形電容器組的不平衡保護方法如圖4所示，這種方法是對三相中電容器組的電壓差動設定的。由于個別電容器元件或單元損壞引起的不平衡信號是通過電容器組的抽頭電壓與母線電壓的比較而來的。在考慮了電容器的誤差和初始不平衡補償后，初始的不平衡信號為零。而之后電容器抽頭電壓與母線電壓之間的任何電壓差都是由于某相內電容器單元的故障造成的不平衡。這種方法的敏感度相對較高，常用于大容量電容器單元組成的高壓電容器組。也可使用電流互感器和H橋式接線構建不平衡電流保護方案。

圖3 不接地單星形電容器組的不平衡測量

圖4 接地單星形電容器組保護方案

4.3 不接地雙星形電容器組的不平衡保護

不接地雙星形電容器組常用的不平衡保護方法如圖5所示。

圖(a)使用電流互感器和過電流繼電器，圖(b)使用電壓互感器和過電壓繼電器連接在兩個星形中性點之間。這兩種方法避免了系統電壓不平衡的影響，而且在平衡時對于三次諧波電流或者諧波電壓也是同樣不受影響的。圖(c)的電容器兩部分的中性點連接在一起，電壓互感器用來測量中性點的電壓，但這個繼電器應該帶有濾波器。

4.4 接地雙星形電容器組的不平衡保護

如圖6所示，接地雙星形電容器組的兩個星形的中性點連接到同一點并接地，電流互感器的二次側交叉連接一個過電流繼電器，以便繼電器對外界影響電容器組的情況做出感應。

圖5 不接地雙星形電容器組保護方案

圖6 接地雙星形電容器組保護方案

5 不平衡計算

為了更好的應用保護繼電器，計算故障電容器單元、元件和熔絲對電容器組的影響是其中的關鍵，以便確定繼電器保護點的設置，同時，也為繼電保護整定計算提供了理論依據。電容器組的配置、系統運行參數以及應用的保護種類決定了這些計算的等式和方程。根據方程以及等式計算出的參數，決定了繼電器的動作跳閘點，因此這些計算參數是衡量保護系統的重要組成部分，同時也是衡量保護系統敏感度和可靠性分析的重要依據。

本實驗采用RTDS全稱為實時數字仿真儀(Real Time Digital Simulator)進行仿真。

如圖7所示，一個不接地單星形外熔絲并聯電容器組，它的配置參數如表1所示。

設并聯電容器串聯組數為S，每相并聯電容器單元數為P，故障電容器單元數為N，電容器單元的額定電壓為U0。初始狀態下，設每個電容器單元的電容值為1單位，串聯組中每個并聯組的電容值為Cg。

故障相各個電容器單元的電容為Cs

中性點電壓為Vn

圖7 接地雙星形電容器組保護方案

表1 并聯電容器組配置參數

由(1)、(2)、(3)式我們可以計算出出中性點電壓所分配的比例值，由V12和V13的測的電壓有效值計算出標簽故障電容器組電壓。

在電容器單元元件沒有損壞時，運用RTDS仿真其各信號的波形如圖8所示。

圖8 接地雙星形電容器組保護方案

由表2可以看出，這種不平衡電壓和電流的算法是可靠的，在誤差所允許的范圍內，仿真結果成功的把一次側的數據轉換到二次側。

表2 計算值與仿真測量值的比較和誤差

在此例中，當一個電容器單元出現故障時，故障相其它標簽電容器單元的電壓要高于1.1U0，這是不允許出現的情況，其可能導致電容器擊穿并可能進一步擴大故障。所以在選擇高壓并聯電容器的并聯單元時，如果允許故障電容器單元切除后電容器組繼續運行，其最少并聯的電容器單元至少要十個或更多。同樣也要考慮到接線、保護方式、串聯段數、允許過電壓倍數等。但是，如果電容器組的并聯過多的電容器單元，有熔絲的電容器組中不僅可能會產生大幅的電流使熔斷絲熔斷，而且對于繼電保護靈敏度也帶來了困擾，因此，限定最多并聯臺數也是確保電容器組安全運行的重要方面。

仿真中性點電壓的測量值與計算值基本一致，在具體應用中，由于制作工藝電容不可能完全相同、諧波影響等因素的存在，會給電容器組造成固有不平衡，因此除了增加一些必要的消除固有不平衡的設備外，還應在電容器組初始化充電后調整中性點不平衡信號的初始值為0，而后再考慮電容器組內部因素造成的不平衡。當故障相其它電容器單元的電壓為1.1U0時，中性點不平衡電壓設為Un，如果下一個電容器單元出現故障，那么故障相其它電容器單元的電壓將要大于，因此，不平衡保護點應設在這兩個信號中間。不平衡保護與其他種類的的保護也應該相互配合，通常不平衡保護的動作時限為0.2s。

6 故障相的確定

并聯電容器組在無功功率補償和電壓調整上起到了重要作用，因此在修復并聯電容器組時，其中斷時間應該盡可能的短。修復時間包括確定故障點和修復還原電容器組運行兩個時間段。如果并聯電容器組是外熔絲型，那么產生故障的單元通常是熔絲熔斷的單元，因此它的故障點確定時間較短。但如果是內熔絲或無熔絲型的電容器組，不會有明顯的跡象顯示故障單元。即使沒有明顯的跡象顯示故障單元，但如果可以確定故障單元的所在相，將會大大減小搜索故障點的范圍，以減小確定故障點的時間。

以圖6單星形不接地電容器組為例，我們在RTDS中建立一個不接地單星形并聯電容器組模型。母線電壓設為35kV，并聯電容器串聯組數為4，每相并聯電容器單元數為6，每個電容器單元的值為0.5μF。當A相含有一個故障單元時，用A1B0C0來表示，以A相的正序電壓測量值VA(V11)為參考量，引起中性點Vn(V0)產生一個幅值大約為0.233kV的不平衡電壓并與VA產生180°的夾角，如圖9所示。同理，當B相含有一個故障單元時，引起中性點電壓Vn與VA產生60°的夾角。當C相含有一個故障單元時，引起中性點電壓Vn與VA產生-60°的夾角。當A相B相各含有一個故障單元時，引起中性點的電壓Vn產生一個幅值大約為0.237kV的不平衡電壓并與VA產生120°的夾角。當A相C相各含有一個故障單元時，引起中性點電壓Vn與VA產生-120°的夾角。當B相C相各含有一個故障單元時，引起中性點電壓Vn與VA產生0°的夾角。當A相B相C相各含有一個故障單元時，中性點不平衡電壓會相互消除，回到平衡點。由于故有不平衡等其它導致系統不平衡的因素存在，為了驗證方案安全性和可靠性，允許±10°的誤差存在。電容器組內各相故障時的中性點不平衡電壓和正序電壓的相位關系如圖9所示。

圖9 A相含有一個故障的并聯電容器組的仿真結果

圖10 無熔絲單星形電容器組內各相故障時中性點不平衡電壓和正序電壓的相位關系

這種方法同樣適用于雙星形以及其他種類連接的電容器組，通過這種方法去尋找故障相內的故障點，極大縮短了故障點確定的時間。

7 結論

(1)并聯電容器組在設計時，應該充分考慮到電容器組的接線方式和熔絲的選取，這些條件將會影響到保護的設置，如果選取不當，不但浪費資源起不到保護作用，甚至可能會造成事故的發生。

(2)在誤差所允許的范圍內，上述故障電流、電壓的算法與仿真結果一致，是可靠的。不平衡保護是并聯電容器組的繼電保護的主要方式，通過不平衡保護計算分析為繼電保護跳閘點和報警點的設置提供了理論基礎。

(3)故障相檢測方法適用于其它連接方式的電容器組，這種方法大大縮短了在維護檢修并聯電容器組工作中的修復時間，對檢修工作具有現實指導意義。

［1］岳地松.1OkV并聯補償電容器保護的整定［J］.電力電容器與無功補償.，29(5):26-28.

［2］王敏.并聯電容器內部故障保護的現狀及分析［J］.浙江電力.2002(1):9-12.

［3］史班，周國良.并聯電容器熔斷器保護及其與不平衡保護的配合問題［J］.浙江電力，2002(1:13-16.

［4］IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks.IEEE Std C37.99-2000.

［5］Satish Samineni，Casper Labuschagne，and Jeff Pope，Schweitzer Engineering Laboratories，Inc.Principles of Shunt Capacitor Bank Application and Protection 978-1-4244-6075-5/10/2010 IEEE.