電容器裝置繼電保護方式的合理選擇

費曉峰

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214000）

由于用電設備本身的特性，通常情況下，電力系統需要補償容性無功功率，提高功率因數，并聯電容器承擔了這個任務。并聯電容器裝置是由并聯電容器和相應配套設備組成的，主要包括電抗器、避雷器、隔離刀閘、放電線圈和電流互感器等，并聯電容器提供補償無功功率，配套設備則使其能夠正常投切和安全運行。根據選擇繼電保護方式的不同，依靠放電線圈或電流互感器提供二次繼電保護信號，選擇合適的繼電保護方式可使并聯電容器裝置長期穩定運行，從而保證電網的穩定運行。

1 高壓并聯電容器組的繼電保護方式

高壓并聯電容器組（內熔絲、外熔斷器和無熔絲）均應設置不平衡保護。不平衡保護應滿足可靠性和靈敏度要求，保護方式可根據電容器組接線在下列方式中選取。

（1）單星形電容器組，可采用開口三角電壓保護。

（2）單星形電容器組，串聯段數為2段及以上時，可采用相電壓差動保護。

（3）單星形電容器組，每相能接成4個橋臂時，可采用橋式差電流保護，對于110 kV及以上的大容量電容器組，宜采用串聯雙橋差電流保護。

（4）雙星形電容器組，可采用中性點不平衡電流保護。

（5）不平衡保護的整定值應按電容器組運行的安全性、保護動作的可靠性和靈敏性，并根據不同保護方式進行計算確定[1]。

以上內容摘自GB 50227—2017《并聯電容器裝置設計規范》，為并聯電容器裝置設計的基本依據。按保護的靈敏度由低至高排列，大致是開口三角電壓保護低于相電壓差動保護低于中性點不平衡電流保護低于橋式差電流保護，其中相電壓差動保護和中性點不平衡電流保護的靈敏度差距并不大。通常情況下，裝置的制造成本也遵循這個排序。總體而言不平衡電壓保護（開口三角電壓保護、相電壓差動保護）的靈敏度都小于不平衡電流保護（中性點不平衡電流保護、橋式差電流保護），但制造成本則要看裝置的具體構成，不可一概而論。

2 裝置選擇繼電保護方式的基本原則

一個電容器裝置可選擇的繼電保護方式不是唯一的，在滿足繼電保護靈敏度的前提下，選擇任何一種保護方式理論上都是可行的。以10 kV容量為6 000 kvar電抗率為5%的裝置（額定電壓kV）為例，由于橋式差電流保護在裝置容量較大（20 000 kvar以上）時才會采用，剩下3種繼電保護方式，各地電業局及設計院都有選擇：TBB 10-6000/334-AK（開口三角電壓保護）、TBB 10-6000/334-AC（相電壓差動保護）和TBB 10-6000/334-BL（中性點不平衡電流保護），以上3種方式無論從理論還是實際運行經驗，都是可行的，但是哪種方式相對更合理，值得討論。

3 繼電保護可行性的理論依據

裝置的繼電保護選擇是否合理，首先需要驗證保護的靈敏度。相間電容偏差、串段間電容偏差、臂間電容偏差和測量設備的誤差等會導致裝置初始不平衡輸出，而為了防止不平衡保護誤動作，故規定保護整定值與初始不平衡輸出的比應不小于1.5[2]，此時即可認為保護靈敏度滿足要求，可以通過以下公式計算和驗證。初始不平衡電壓可按下式計算

式中：△Uc為不平衡電壓，V；UEX為電容器組額定電壓，V；α為Cmax/Cmin。

初始不平衡電壓可按下式計算

式中：I0為不平衡電流，A；IEX為電容器組額定電流，A；α為Cmax/Cmin。

整定值計算公式見表1[2]。

表1 內熔絲電容器組不平衡保護計算方式

TBB 10-6000/334-AK（開口三角電壓保護），電容器選用型號為-334-1，每相6并1串，容差控制小于等于1.01，放電線圈保護變比為∶0.1，由此可得，初始不平衡輸出為1 V，整定值為2 V。

TBB 10-6000/334-AC（相電壓差動保護），電容器選用型號為BAMr11/2-334-1，每相3并2串，容差控制小于等于1.005，放電線圈保護變比為11/2∶0.1，由此可得，初始不平衡輸出為0.5 V，整定值為3.3 V。

TBB 10-6000/334-BL（中性點不平衡電流保護），電容器選用型號為BAMr11/-334-1，每相6并1串，容差控制小于等于1.005，電流互感器保護變比為30∶5，由此可得，初始不平衡輸出為131 mA，整定值為535 mA。

可以看到，從保護靈敏度看，3種保護方式都是滿足要求的，開口三角保護靈敏度稍低，相電壓差動保護和中性點不平衡電流保護靈敏度較為接近。

4 從裝置實際布局驗證合理性

圖1為3種保護方式的布置方式，開口三角電壓保護和相電壓差動保護總體布置差不多，中性點不平衡電流保護相對接線較復雜，因為是雙星型接線，且裝置中多1個一次設備（電流互感器），為了能順利走線，電容器采用了雙向朝向的布置方式，這就導致圍欄寬度方向長度的增加。相對而言，從布置方式上看，采用開口三角電壓保護和相電壓差動保護方式更有優勢。考慮到整定值計算還受單臺電容器內部串并聯影響，而此項數據各廠家或有差異，導致保護靈敏度也有差異，部分廠家采用開口三角電壓保護時并不能滿足保護靈敏度，故綜合保護靈敏度考慮，采用相電壓差動保護更具通用性。

圖1 相同型號選擇不同保護方式的3種布置

5 具體問題需要具體分析

國家電網公司為了標準化設計，發布了《國家電網公司輸變電工程通用設備》，其中規定了10、35、66 kV裝置的保護方式。此文件是設計院及需方編制技術規范的指導性意見，多數時候可滿足設計需要，但是具體問題還需具體分析。

5.1 集合式電容器的特點

電容器主要有殼式電容器、集合式電容器和箱式電容器3種類型，殼式電容器由元件、絕緣件、連接件、出線套管和箱殼等組成，其外形比較小，單臺容量及電壓等級都不能做太高，隨著裝置總容量的提高，占地尺寸較大。集合式電容器是由多個電容器單元（殼式電容器的另一種形態）集裝在一個箱體內構成，單臺容量及電壓等級都提高了，裝置的占地相對較小，但是由于內部由電容器單元構成，每臺電容器單元都有獨立的箱殼，所以散熱差，故障率相對較高。箱式電容器主要由日新電機（無錫）有限公司（以下簡稱“我司”）生產，外形上與集合式電容器無明顯差異，一般還是將其簡稱為“集合式電容器”，但其內部結構與殼式電容器相似，直接由元件構成，所以也可將其看作是放大版的殼式電容器。

5.2 集合式電容器的實際應用

目前使用最廣的是殼式電容器裝置，占比超過九成。相對地，設計部門設計電容器裝置時如選用殼式電容器，有《國家電網公司輸變電工程通用設備》作為指導，設計基本都是比較合理的。集合式和箱式電容器裝置由于使用較少，設計部門缺乏相關經驗，故設計會參考殼式電容器裝置的經驗選擇保護方式，這就可能造成設計不合理。

筆者設計過一套66 kV、60 000 kvar集合式電容器裝置，如采用殼式電容器，該規格的裝置是很成熟的設計，我司也有豐富的供貨經驗，但此電壓等級與此容量配置則極為少見，自國網公司集中招標以來，尚屬首次。用戶選擇的繼電保護方式為橋式差電流保護，僅從繼電保護的角度看，選擇是沒問題的，但考慮實際工程卻不是最優方案。依舊可從2個方面驗證，首先計算整定值，驗證保護靈敏度。

5.3 驗證選擇橋式差電流保護的可行性

裝置型號為TBB 66-60000/20000-AQW（橋式差電流保護），電容器選用型號為BAMX73/-20000-1W，每相1臺，電流互感器保護變比為30∶5，箱式電容器整定值計算適用公式[2]見表2。

表2 不采用熔斷器的無熔絲電容器組不平衡保護計算方式

計算可得，初始不平衡輸出為99 mA，整定值為770 mA。可見，保護靈敏度裕度很大，從此角度看，選擇沒有問題。但是實際裝置布置如圖2所示，該方案主要問題是放電線圈和電流互感器的布置，兩者無法同時兼顧使得整個裝置安裝順暢，下圖方案已是經過多次調整后的最優布置方式，但是放電線圈處走排還是比較礙事，需采用高度差實現。

5.4 尋找并驗證更合理的方案

因此需要尋找更合理的方案，總體而言不平衡電流保護裝置的復雜程度都是高于不平衡電壓保護裝置的，而開口三角電壓保護的保護靈敏度相對最低，適用于小容量裝置。故驗證相電壓差動保護即可。

裝置型號為TBB 66-60000/20000-ACW（相電壓差動保護），電容器選用型號為BAMX73/-20000-1W，每相1臺，放電線圈保護變比為73/2∶0.1，計算可得，初始不平衡輸出為0.5 V，整定值為2 V。可見，保護靈敏度滿足要求。實際裝置布置如圖3所示，可見相比圖2整個裝置的走線要順暢很多。而且就制造成本考慮，也是采用相電壓差動保護更具有優勢。在將方案對比呈現給用戶后，用戶也認同改用了相電壓差動保護方式。

圖2 采用橋式差電流保護

圖3 采用電壓差動保護

殼式電容器與集合式電容器和箱式電容器所組成的裝置有很大差別，這是由其本身內部結構及外形所造成的，可以看到，兩種形式的電容器裝置設計不可簡單的相互套用。

6 結束語

電容器裝置想要持續穩定運行，需要選擇合適的繼電保護方式，在滿足繼電保護靈敏度的前提下，還要考慮工程實際方案是否可行。選擇繼電保護方式需要2步驗證，首先需要通過理論計算，計算保護靈敏度是否滿足要求，這一點相對簡單，各廠家根據自身實際情況進行計算即可。其次則需對裝置根據選定的繼電保護方式進行成套布置方案，方案布局需要合理，如果無法協調裝置內各設備間的布局，需要重新考慮其他繼電保護方式。只有理論計算和實際布局都滿足設計需要，才是合理的繼電保護方式。