高壓并聯電容器裝置繼電保護的探討

姚 成

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

針對當前高壓供電而言，最主要采用的無功補償裝置是并聯電容器，高壓并聯電容器是一種非常關鍵的電力設備，其在運行過程中主要通過向系統提供相容性無功補償的途徑，實現無功功率控制就地平衡。通過該設備運行可以提升功率因數，改善電壓質量，降低損耗，提升輸電線路與變壓器之間容量效率。由于市場需求的日益增多，對相應設備的需要量也在日漸增加，對電容器的科學保護和調整方法也就變得越來越關鍵。現階段許多電網都出現了穩定性不高、敏感度不夠強的實際保護問題。當處于正在工作狀態的高壓系統發生電容故障時，可能對后期運行闡述直接影響。所以，通過深入研究高壓并聯電容器保護整定問題，及時發現問題所在并采取有效保護措施予以解決。

1 并聯電容器相關概述

1.1 并聯電容器的特點

并聯電容器是中國電網中使用最多的一個無功功率補償裝置，目前中國國內電力系統中90%的勞而無功補償裝置均為并聯電容器。其在實際應用中具備了如下優點，由于電容器為靜止裝置，運行與維修簡便，且在應用過程中沒有產生噪聲，能量消耗較少，效率高。現代電容器的能量損耗也只是本身容量的0.02%以下。同時，也是最經濟的裝置。其一次性投入和運行費用都相當低廉，而且安裝調試簡便，所以，在實際工作中，得到了普遍應用，可集中布置在中央變電所，也可分散布置在地方供電系統和廠礦用戶。

1.2 并聯電容器的主要結構分析

并聯電容器的基本結構主要包括箱殼、磁芯、絕緣套管等，將多個電容器小部件并聯組裝在一起就形成了并聯電容器。一般情況下，并聯電容器組裝的時候，會在其內部各個小元件的另一側加上一個內熔絲。在電容器內部，如果某一元件部位突然發生故障，會導致整個電容器裝置出現故障而產生放電的現象，同時，在電容器內部的熔絲因高溫而發生斷裂。這種情況處理時需利用不銹鋼板，采用人字連接的方式構建整個電容器箱殼，從而保證并聯電容器箱殼具有優良的抗爆炸性能。必要時，出線套管也應直接連接到箱體蓋板的頂部，然后將接頭直接連接到套管上。另外，還需要使瓷套、箱蓋和連接器之間緊密連接，通過壓接連接可避免漏電問題。

2 繼電保護方式

電容器內部故障中，因個別電元件發生損害時，如擊穿故障。此時內熔絲并未在第一時間切除故障元件，則會引發電容器的并聯段短路，從而盡量讓故障元器件在全部擊穿之前脫離，并防止造成外殼爆裂現象。內外熔絲保護的保護靈敏度相對較高，優于不平衡保護。不平衡保護一般為過大輸出電壓的保護，并由此構成了各種保護的主要配置方式。過流保護則是后備保護的主要措施，是當主保損壞后包括有對稱性失效的，出現不平衡保護器不起作用。尤其是柱上式電容器裝置，當內熔絲保護不起作用指每相容量小于的單元電容器而又不設不平衡保護時，則過電流保護為主保護。繼電保護的方式主要包括如下幾項。

2.1 開口三角電壓保護

開口三角電壓保護方法，一般應用于單星型并聯接線的電容器組，在國內，其以10 kV 或35 kV 以上的電容器組成而在實際生活中進行使用的情況相當普遍，但是由于其在運行過程中，受制于放電電壓互感器的作用，其內部會出現不平衡電壓，這時就需要采用二次并聯的開口三角形，通過這個開口三角形以實現把各相電容器組所產生的電壓分別準確的進行反映，而且，由于這個方法構造原理和連接方法都相當簡便，不要求專門的電壓互感器，因此精度也很好。由于中性點不接地，因此不受系統接地故障的干擾。但缺點則是系統負載電壓不平衡的干擾，如10 kV 對地電容不平衡影響較小，故在運行中還比較滿意。

2.2 橋式差電流保護

高壓并聯電容器裝置一般可安裝速斷保護和過流保護，其保護動作一般為重合閘。首先研究了速斷保護，因為只要工作模式最小，電容器組端引線發生兩相短路，過保護器的靈敏度系數就非常關鍵，必須滿足相應的系數條件；相關動態狀態的持續時間也有限制，但至少要超過電容器合閘涌流的時間限制。下一步是過流保護器。必須注意的區域一般是動作電壓值，動作電壓值必須大于電容器組允許的最大長期過電壓。這一方式也適用于較大的電容器組，把全部電容器組分形成了3 個單獨的過保護區組。該方式可不受相間電壓不平衡的影響[1]。

2.3 相電壓差動保護

高壓并聯電容器裝置不受三相電壓不穩定和單相接地故障的危害，在故障時分單相動態，由于保護靈敏度較高，所以其在實際運行中還必須裝有母線過電壓保護器，因為其在工作時受到的電壓也比較高，而且，由于其容量又較大、串段較多，當某相的2 個串段內的電容同時出現故障而出現發生故障臺數相同時，就極易造成充放電線圈在工作過程中出現意外，因而引起電容器損壞現象出現。

3 高壓并聯電容器的繼電保護及保護整定

3.1 高壓并聯電容器的保護分析

3.1.1 內熔絲保護

對并聯電容器而言，其內部的各個電容器單元通常都安裝了內熔絲，以保證發生一個原件突然被擊穿的情形時，則會第一時間精確定位存在故障環節，并將其予以隔離，使之處于斷電狀態。這個過程可以起到保護系統中其他電容元件的目的，維護電容器穩定運行。在實際安裝過程中，發揮內熔絲的優勢，避免電容器故障擴大化。內熔絲的主要優勢在于熔斷耗時短，具備較好的可選性。綜合上述因素考慮，可以將內熔絲作為保護設備備用。同時，技術人員應定期巡查外熔絲相關情況，及時發現問題，及時采取故障隔離。熔絲一旦熔斷后，其間隙也應具備一定的耐壓能力，但首先應該承受受在原隔離間中所出現的一定電壓，以及在正常工作中的短期過渡過電壓。此外，內部或其他不同的組件損壞和能量釋放電壓值，以防外部短路。然而，過內熔絲不用于跳閘。如果需要跳閘條件，則需要其他類似的外殼保護[2]。

3.1.2 電流保護

電流保護根據常規分類可以細分為2 個主要類別，即過電流保護和分成速斷保護。電流保護系統在運行時需要滿足最基本的電流敏銳度要求，在這個背景下電力工作人員們更偏好使用三相系統接線。不同類別適應不同場景，以速斷保護為例，其適應范圍主要以外圍性故障為主，例如，套管內部的短路及電容器組導線的故障，現在快速通斷保護器已能夠適應工作需要，并成為了高壓電網中的重點保障，一旦在電容器末端突然出現了某種故障，就需要及時檢測一次準確的電流整定值，通過這種方式設定精確的靈敏度參數。而過電流保護在應用過程中具備一定的特殊條件，即穩態過電流的額定電流至少必須維持在1.3 倍的有效值，并且也不得小于上述的數值限制。而針對電容器則必須進行更全面的有效保護，因此應該把其限制在標稱額定電流的1.5 倍或2 倍左右，并以其作為有效保護的限值。另外，所有保護動作都必須間隔在1 s 左右，以實現全過程覆蓋。如果若將其換算為20 ℃，則可表述為基準值，其轉換公式為C20=Cx×[（-4×10-4）×1-（x-20）]。保護整定所使用的靈敏度比率最低必須是2，或超過3 倍或5 倍的額定電流。在瞬態狀態當中，充電的輸入電流會對電容器產生危害。這種背景下，電力工作人員需要將其管控在0.1～0.2 s 設定動作時限內[3]。電流電壓表測試法如圖1所示。

圖1 電流/電壓表測試法

3.1.3 電壓保護

從設備類型方面考慮，電壓保護器可以分成欠壓保護和過壓保護2 類。過壓保護目的是為了確保并聯電容器裝置時刻處在平衡工作狀態當中，并避免電容器組在運行中電壓波動過大。這意味著電容器系統可以顯示內部過電壓在許多情況下，包括諧波共振和輕負荷運行。所以如果在供電系統上連接有電容器裝置，則將會引起頻率變化很大的諧波諧振現象，而電容器內部電壓分配也將因此改變而導致電容器端電壓增高的內部過電壓。當電容器裝置在過高電壓下工作時，由于其內部游離電壓增大，就能夠引起局部充放電現象，使介質的損失增加，局部電壓過流，從而進一步發展到內部絕緣擊穿。另外，一旦并聯電容器組表現為內部設備故障，就可以修改電容器組自身的容抗，而從中可以發現，過電壓也會直接導致迅速增加的極端電壓。

除過電壓保護之外，欠電壓保護器本身也組成了保護整定的重要組成部分。實際工作中，系統在外界的各種因素影響下可能會出現停電故障，但之后的電力系統將會在最短時間內恢復正常輸電功能，而此時裝設于電網內的并聯電容器將無法同步工作切斷。受這些情況的影響，帶電容的系統變壓器就會發生合閘，從而導致了過浪涌諧振的產生。而如果發生這些故障，將可能損害電容及整個系統變壓器。在該裝置失壓時，由于母線與電容之間仍處在連通狀態，所以殘存于電容中的電壓將會損害電容本體。而此時如果將電網重新供電，則仍處于合閘運行狀態中的電容也將會發生破壞。在這個背景下，電力工作人員可用原設計額定電壓的0.2～0.5 倍為整定值。

3.1.4 橋差不平衡電流保護

在電容器裝置內部，當出現電容元件失效問題時，與之相連的內部保險絲會突然熔斷。在這種情況下，電源工作人員必須當機立斷對故障部件予以隔離。這時，系統中會出現不平衡的橋臂電流差。所以，除了出現失效問題的元件，其他部件都受分壓變化的影響，都可能形成強大的過電壓。出現故障時，元件本身電壓容量也會隨之出現變化，造成不平衡電壓增加的問題。所以，依據國家現行標準，在設置額定電壓時，應將其高于1.3 倍以上的過電壓倍數。當采用橋式差動電流保護時，在設置過程中整定值至少與過電壓值的1.25 倍對應，確保不會出現某一個環節元件出現故障問題。當所設置的平衡電壓值高于標準值時，保護裝置則會啟動，進而經歷短時延遲，控制系統就會停機[4]。

3.2 保護整定值

3.2.1 單臺電容量

電容器裝置即便處于正常工作狀態，如果出現電容變化中的某些細微的不正常改變，則表示裝置上的熔絲管對電容器裝置造成了干擾，從而導致了裝置的失效。在這種狀態下，盡管設備仍然能夠處于正常工作狀態，但是其中的更多設備也可能會受到干擾，所以必須充分確定裝置正常工作狀態中的電容率改變，因此國內有關文獻中明確標明的電容偏差值必須控制在3%～5%的變化范圍內。而針對特殊的模型，將單臺裝置的保護整定值可以分為基準值和警告值2 個方面，因此，對于經過實際得到的基準值也可以做一定的折算處理，將其折算為20 ℃的值，而在這里面一般都要考慮到電容變形率和工作溫度間的正反比關系。而針對報警值來說，計算的依據就是接頭形式和熔絲形式，在此情況下也可以獲取相對精確的整定數值[5]。技術者應根據設備所處的實際情況來區分不同等級的報警等級，依托于故障程度來確定是不是需要斷開斷路器。

3.2.2 放電線圈

高壓并聯電容器在大部分情形下，電容放電線圈都和電容產生并聯關系，并安裝在絕緣隔離框上。為及時監測設備情況，應將電池放電線圈安裝至系統某個部位，確保監測的實時性。

但在實際工作流程中，許多電容器裝置卻不能保護放電線圈，特別是在橋差保護中，因此產生運行問題。例如，互層短路、匝間短路等典型問題。如果監測無法滿足實時性的要求，則可能引發放電線圈炸裂的問題。近年來，不少變壓器上也已經出現了放電線圈的爆炸情況，為此需要加以注意。而如果放電線圈上具有二次繞組，則其就可以用作電壓監測裝置，其問題就是，在設備工作過程中，如果電容器發生了事故或是放電線圈發生了問題，與其相關的二次電壓就會明顯發生變化，而有關技術人員對這一情況如果能進行準確監測，則就可以準確判斷不同時期的設備工作實效性情況。對專用保護方法而言，關于放電線圈的保護整定值可以分為基線值和警告值2 個組成部分，對前者而言，是依據母線上電壓所表現出的PT 電壓，進而監測放電線圈；對后者而言，用變比變化對警報閾值加以控制，通常情況下變化為±1%～±1.5%，但如果放電線圈或二次繞組中的電壓變化超過了±2%時，就可能產生警報。而在此情況中，警報閾值也可能被預先設置與變化，而控制系統就會自動地把所有的信息都加以保存，為后續相關監測工作提供可靠信息數據支持。

3.2.3 三相不平衡

在實際運行過程中，有關人員都必須要檢查電容器的質量，并利用這個方法來確定電容器所處的運行狀況。在上述的判斷步驟中，三相不平衡如果超過了一定范圍，即可作為輔助性手段對設備運行情況予以評估。工作者必須定期檢查，及時上傳三相不平衡相關信息，并將其作為設備運行情況的一項重要參照，從而準確評估實時性的設備工作效果。出現特殊現象后，一旦察覺到有異樣，就有必要進行全面的精確測量，運用綜合監測手段，防止出現事故[6]。相關工作人員需要在此狀態下對數據進行記錄并找到故障的根本原因。

4 結束語

高壓并聯電容器繼電保護問題是值得供電企業所關心的焦點，但是，傳統的保護方式在實際應用中存在一些不足之處，已經無法實現有效對電容器加以保護的目的，同時還可能導致其出現故障，進而對社會的安全產生危害，所以采用特殊的整定方式，監測單臺電容器及放電線圈工作情況，還可進行事故警示和運行開關動作，降低不同時期的運行成本，同時還提高了運行實效，有效保障電容器組安全運行。