并聯電容器保護與監測一體化實施方案

甘景福, 王增平，林一峰

(1.唐山供電公司，河北 唐山 063000；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

并聯電容器保護與監測一體化實施方案

甘景福1, 王增平2，林一峰2

(1.唐山供電公司，河北 唐山 063000；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

并聯電容器是重要的無功補償裝置，具有調節系統電壓，改善電能質量的作用。但經常出現電容器損壞的現象，電容器裝置故障率偏高，影響電網的安全運行。并聯電容器故障一般是從內部串并聯元件中個別元件的異常、故障開始逐步演化的。為改善電容器運行狀況，將電容器保護與監測功能進行整合，利用繼電保護裝置采集電壓電流信息計算電容值，在保護裝置中增加基于電容值變化的保護和監測功能。并增加記錄電容器諧波分布、瞬時過壓過流工況自動錄波、電容容量變化記錄功能，為電容器故障診斷提供診斷依據。所提出利用電容器線路參數特征的電容值計算方法有很高的普適性，實際利用繼電保護裝置進行電壓電流提取具有較高的精確度，并且計算電容值誤差很小，滿足保護與監測要求。記錄的諧波含量、過壓過流、電容值變化信息對電容器故障的研究有較高的應用價值。

并聯電容器；電容器保護；在線監測；故障診斷

0 引言

高壓并聯電容器作為一種重要的無功電源，對于改善電力系統結構，提高電能質量有著重要的作用[1]。高壓并聯電容器長期在額定狀態運行，諧波、過電壓等因素對其健康狀況有著明顯的損害。同時隨著無功電壓自動控制系統的使用，高壓并聯電容器的投切更趨頻繁。惡劣的運行環境造成高壓并聯電容器故障率較高[2-3]。由于高壓并聯電容器一般布置在變壓器中低壓側母線，其故障時相當于變壓器中低壓出口短路，對變壓器會造成較大影響，不利于變壓器的安全運行。因此實時、準確把握高壓并聯電容器的健康狀況，避免事故發生十分必要。

為了提高并聯電容器運行可靠性，諸多文獻對并聯電容器的監測保護技術進行了深入研究。主要分為兩類：一類是針對并聯電容器進行不同保護配置和整定研究[4-9]；另一類是研究方法則借助于智能變電站的發展，建立并聯電容器監測系統[10-14]。并聯電容器的保護在不同電壓等級不同接線方式有多種保護配置方式，文獻[4]研究分析了內外熔絲保護、單星形開口三角電壓保護、雙星形中性線電流不平衡保護等多種保護方式。文獻[5-6]對500 kV和1 000 kV進行了專門的配置整定研究。監測方法多為建立在線監測系統，文獻[10-11]分別基于電容值變化和LC振蕩頻率變化實現對并聯電容器的監測，都需從放電PT提取電壓信息。文獻[12] 通過附加裝置提取電壓電流信息，提出了一種基于SCADA系統的在線監測系統。目前針對并聯電容器保護多為不同形式的不平衡保護，不能針對各相單個電容器元件進行保護。在針對不同電壓等級不同接線需進行專門的保護配置研究。電容器組故障初期多為單一元件異常、故障引起，無法在故障初期進行預警，保護靈敏性較差，動作時損失已經較為嚴重。而監測方法對并聯電容器提取信息，多依賴一次設備或需附加設備進行提取，僅作為智能變電站系統中的參考[13-15]。并聯電容器的保護與監測兩者基本是分開考慮的，將兩者相結合，可以繼電保護裝置為基礎，在不改變一次設備、二次設備改變較小的情況下，增加對并聯電容器的監測功能，同時具備繼電保護裝置的實時可靠性，具有較高的靈敏性，降低故障發生概率，提升并聯電容器運行狀況[16-18]。

本文在繼電保護裝置的基礎上，提出一種并聯電容器保護與監測一體化實施方案研究。首先利用保護裝置，不依賴附加設備提取電容器電壓電流信息，利用電容器每相參數中電抗為主要成分的特征，提出一種適用于各種接線形式計算電容器電容值的方法，在現有保護裝置中，增加在線監測模塊，實現對并聯電容器電容值的在線監測功能，并利用裝置可拓展性，在裝置中增加對電容器異常故障進行錄波，記錄諧波含量、電容量變化，為電容器損壞提供診斷依據。

1 保護原理

高壓并聯電容器的故障一般是從內部串并聯元件中個別元件的異常、故障開始逐步演化的。當高壓并聯電容器內部單一元件發生異常、故障時，其外部電氣量的變化往往不大，只是其內部健康的其它元件承受的電壓會有所增高。隨著運行時間的增長，其它健康的串并聯元件由于不良運行條件的影響可能陸續發生異常和故障，最后引發高壓并聯電容器的故障。

在故障初期，單一元件發生故障或異常能夠通過并聯電容器組的電容值變化反映出來。為實現上述目的，利用繼電保護裝置獲得并聯電容器的電壓電流，不增加附加設備，計算出電容值，實現對并聯電容器的在線監測。并聯電容器接線形式可以分為兩類，一是中性點接地，該接線形式下，電路等效圖如圖1所示。已知串聯電抗器等參數，可由式(1)計算出三相阻抗值從而得出電容值。

(1)

圖1 中性點接地等效電路

二是中性點不接地，該接線形式等效電路如圖2所示。

圖2 中性點不接地等效電路

(2)

其中U0未知，三個方程4個未知量無法進行求解。由于每項支路阻抗主要成分是容抗，由并聯電容器標準知，電容器阻值很小，忽略每相阻抗，即為純容性電路，增加條件

三相向量圖如圖3所示。

圖3 電壓電流向量圖

2 保護監測功能實現方案

保留傳統電容器保護：限時電流速斷保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護。在繼電保護裝置中增加針對并聯電容器電容值的判據，電容量預設整定值一般采用停電試驗時的電容量測量值，保護可靠系數為1.2，保護整定值為0.8CO

電容量值監測原理，電容值偏差允許值需綜合考慮繼電保護裝置的測量精度等因素的影響并保留適當的裕度，根據并聯電容器組狀態檢修試驗規程規定[19]，當計算電容值Ck與額定值CO，不滿足0.95CO

圖4 保護監測一體化流程圖

第一步，利用現有互感器采集電壓、電流信息。第二步，利用所采集的電壓電流在保護裝置中完成各相電容器電容值的計算。第三步，根據所提出基于電容值變化的保護判據，當電容值變化超出整定值時，由保護出口發出動作信號，并對電容器進行故障錄波并向監控系統發出警告信號。第四步，同時完成對電容器在線監測，當電容值變化超出規程時，向變電站監控系統發出電容警告信號；實時記錄諧波含量、過壓過流、電容值變化信息。

3 并聯電容器監測裝置的實現

微機保護裝置硬件平臺具有開放性，能夠容易地對硬件進行局部或整體升級，而不影響保護對外接口。擴展性是指對于現場的不同保護應用和對資源的不同需求可方便地增減相應的模塊，不必對硬件軟件進行重新設計。利用微機保護裝置的開放性和可擴展性，在微機保護裝置中可增加并聯電容器在線監測功能。

表1 諧波列表顯示

如圖5，其中電壓/電流互感器利用保護裝置現場配置無需再增加設備，繼電保護裝置中電流、電壓采集計算模塊，繼電保護模塊，人機交互模塊，通信模塊都為微機保護裝置已經具有的配置。其中對繼電保護模塊進行功能拓展，利用電壓電流計算電容值，并增加電容值變化的保護判據；增加在線監測模塊，其中所需數據直接從電壓、電流模塊獲取，計算出電容值，實現對電容器電容值的在線監測，當電容值超出規程之后，通過通信模塊向監控系統發出警告信號，并記錄的諧波含量、過壓過流、電容值變化信息。

圖5 并聯電容器監測裝置功能示意圖

以微機保護裝置為基礎，樣機研制成功，對裝置進行測試，其中電壓的測量精度：幅值精度≤±0.1%，角度偏差≤±0.1°；電流測量精度：幅值精度≤ ± 0.4%，偏差角度≤ ± 0.1°。

裝置在電容器容量在偏差±20%范圍內(當超出該范圍保護已動作)，且三相阻抗偏差任意組合情況下，不考慮PT/CT誤差影響條件下，阻抗計算精度可達到0.2%，電容值計算精度可達到0.5%;電壓不平衡條件下，不影響測量精度。證明算法實踐可行，具有較高的精度，可以實現對并聯電容器的保護監測功能。

圖6～8和表1為裝置在線監測功能，其中圖6為裝置查看電容器狀態主界面，圖7為模擬半年內電容值變化記錄功能，圖8為對電容器三相電壓的錄波，表1顯示的為某一時刻各諧波含量。裝置具有存儲功能，該數據可為電容器故障提供研究基礎。

圖6 電容器監測主界面

圖7 電容值變化曲線

圖8 錄波記錄

4 結論

本文所提出并聯電容器保護與監測一體化實施方案，在繼電保護裝置的基礎上，不依賴附加設備提取電容器狀態量，有很高的普適性，數據實時性強，可靠性高；能保留原有保護功能，提高保護可靠性；并增加并聯電容器的在線監測功能，在并聯電容器故障初期，發出預警，減少損失；對諧波、過壓過流、電容值變化進行記錄，為電容器故障診斷提供診斷依據。

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Research on the Implementation Scheme of Shunt Capacitor Protection and Monitoring

GAN Jingfu1，WANG Zengping2， LIN Yifeng2

(1.Tangshan Power Supply Company， Tangshan 063000， China;2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Shunt capacitor is used as a reactive power supply device, which has the function of regulating the system voltage and improving the quality of the power supply. However, damages often occur in shunt capacitor and cause the failure. The high failure rate of the capacitor and the occurrence of multiple burst and group of injury problems could result in significant grid-voltage fluctuation as well as active power and reactive power loss, and meanwhile, it could reduce the capacitor service life, and then eventually affects the safe operation of the power grid. In order to improve the operation reliability of the shunt capacitor, the capacitor protection and monitoring function are integrated, and the capacitance value is calculated by the voltage and current information collected by a relay protection device. And the functions such as recording the capacitor harmonic distribution, instantaneous overvoltage and over-current condition automatically, and capacitance capacity change, are provided which lay a basis for the fault diagnosis of the capacitor. The proposed method by using capacitor line parameters for capacitance calculation has extensive applicability, and the actual use of the relay protection device for voltage and current extraction is of high accuracy with small error in calculating the capacitance value, which meets the requirements of protection and monitoring. The recorded harmonic consist of the information of over-voltages, over-currents, and change of the capacitance value, so it also has great value for the research of capacitor fault.

shunt capacitor； capacitor protection； online monitoring； fault diagnosis

楊成順(1984-)，男，博士，講師，研究方向為輸電線路裝備與電網安全，三維虛擬仿真技術。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.003

2016-11-09。

國家自然基金重點項目(51637005)。

TM73

A

1672-0792(2017)05-0011-05