并联电容器组的不平衡保护方式

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摘 要 在当前电网运行中，无论是电网企业本身还是电力用户设备都大量配套安装有相应的电容器组，确保高压并联电容器组的安全运行，是关系电网能否安全运行的重要事项，同时也是电网企业和电力用户需要面对解决的现场实际问题，目前现场采取的第一道防线是安装并联电容器单台保护专用熔断器、第二道防线是针对不同接线的并联电容器组采取相应的不平衡保护方式。实践证明这两种保护方式起到了互补的作用，运行效果还是比较令人满意的。文章对并联电容器组的不平衡保护方式进行探讨。

关键词 并联电容组；不平衡；保护方式

中图分类号：TM531 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）21-0057-02

1 电力系统异常运行情况下的电容器保护的整定方式

1）电流速断保护，其动作电流是按系统最小运行方式下，电容器组端部引线之间两相短路电流的值来整定，其灵敏系数大小取2。保护时限整定值以大于电容器组充电时的涌流时间，一般选0.1 s～0.2 s即可，防止误动作产生。

2）过电流保护，其动作电流和时限值按电容器组所能够允许的长期最大过流值来整定，保护动作后发信号并反时限切断电容器组。

当具有多组电容器时，过电流保护可装于电容器组总回路上，也可分别装于各分组电容器回路上。当串联电抗器安装于电容器组电源侧时，电容器分组回路的过电流保护动作于跳开本组电容器回路的断路器；当串联电抗器前发生短路时，则应跳开电容器总回路的断路器。当串联电抗器安装于电容器组中性点侧时，电容器回路中出现短路故障也应跳开电容器总回路的断路器。

3）过电压保护，其对并联电容器允许承受过电压的能力，并联电容器允许在1.1UN（UN-额定电压）下长期运行；在1.15UN下运行30min：在1.2UN下运行5min；在1.3UN下运行1min。为安全起见，过电压保护的整定值可根据以下原则确定：在1.1UN动作于信号；在1.2UN时经5 s～10 s延时动作于跳闸，延时的目的是为了避免由于瞬时电压波动引起误动。

过电压保护装置的跳闸设计尚应注意以下几点：①当变电站中只装设一组电容器时，动作于跳闸；但如有两组以上的电容器时，可每次只切除一组电容器，当电压降至允许值时，应即停止切除其余的电容器组；②过电压继电器应选择高返回系数（0.98以上）的晶体管式电压继电器，不宜选用常规的电磁式电压继电器；③过电压继电器可接于电容器组放电线圈或放电用电压互感器的二次侧；也可接于母线电压互感器的二次侧。但接于母线电压互感器二次侧时，应经由电容器装置的断路器或隔离开关的触点闭锁，以使电容器组从电源上断开后，过电压继电器不再投入工作（电压降至允许值时电容器组是否重新投入，应由电容器组自动投切装置判断或操作人员判断后手动投入）。

4）母线失压保护，并联电容器组母线突然失去电压时，如果电容器组不切除，可能产生几种危害：①由于电源线路的自动重合闸，使电容器组失去电压后未经放电而立即恢复带电，使电容器造成过电压损坏；②在变电站母线恢复供电时，这时变压器是带电容器合闸的，在电容器带电时的涌流以及过电压往往会造成对电容器和其它设备的损坏；③变电站恢复送电过程中如果负荷太小，也会使电压过高而对电容器组造成损坏。

因此，并联的电容器组应装设一套带时限动作于跳闸的母线失压保护。

该失压保护的动作整定值既要考虑保证在失压后并且电容器尚有残余电压时能够可靠动作，又必须防止在系统电压瞬间下降时产生误动作。其失压保护的动作整定值可按50%～60%的电网标称电压整定。在时限上着重考虑以下因素：①母线失压后电容器组应在线路自动重合闸重新来电前断开；②当备用电源自动投人前，应先将电容器组从母线上断开；③同级母线上其他出线故障时，在其他出线的故障切除前电容器组一般不宜先跳闸。

2 电容器组中个别或少数电容器内部发生故障时的保护

这是为了防止由于个别或少数电容器内部元件击穿，引起其他完好电容器大量连续损坏的保护措施，以防止故障扩大。较理想的保护方式是：当个别或少数电容器内部电容元件故障击穿后，由故障电容器的单台保护用熔断器将故障电容器切除。故障电容器切除后，会在电容器组内部产生不平衡，但电容器组仍可继续运行。只有当运行电压升高到超过允许值时，才由电容器组内部保护装置动作将全部电容器组切除。

其保护的基本原理是：切除单台故障电容器后，所引起的电容器组内电容量的不平衡，由电流差或电压差来实现保护动作，所以把对电容器组内部故障的保护就称为不平衡保护。根据电容器组接线方案，可分别选择不同的不平衡保护方式。运行经验表明，由于不平衡保护装置所需的费用只有整个电容器组费用的2%～3%左右，只要能防止一次连续性的破坏事故，节约的价值将是十分可观的。

1）GB50227标准对并联电容器组不平衡电流保护的选择作了如下规定：①单星形接线的电容器组，一般采用开口三角电压保护；②两段及以上的串联单星形接线的电容器组，一般可采用电压差动保护；③单星形电容器组，一般采用桥式差电流保护；④双星形接线的电容器组，一般采用中性点不平衡电流保护方式。

2）GB50227标准保护装置动作值的整定原则规定如下：①已装单台外熔丝保护的电容器组，其不平衡保护按单台电容器过电压允许值来整定。②对于内熔丝保护和无熔丝保护的电容器组，其不平衡保护动作值按电容器内部元件过电压允许值来整定。现行标准中对电容器内部元件过电压允许值并未作规定，所以设计时如有需要可请制造厂家提供。

3）几种保护的接线方式和整定。

①接线图l为开口三角电压保护。

C-电容器；L-放电器；KV-电压继电器。

图1

正常情况下，由于三相平衡，开口三角电压为零。当熔断器断开部分电容器或元件内部击穿时，因为容抗的变化，其中性点会出现偏移电压，并且开口电压达到中性点偏移电压的3倍。开口端出现的差电压Uo可由式（1）算出：

（1）

式中：Uo—开口三角端的电压，V；

UNφ—正常时额定相电压，V；

M—每相每段电容器并联台数；

N—每相电容器串联段数；

K—因故障被断开的电容器台数。

这种保护方式的优点是：不需专用的互感器并且接线简单；不受系统不平衡电压以及系统接地故障的影响；灵敏度高不受三次谐波的影响。所以在国内10 kV电容器组中得到广泛应用。35 kV的电容器组也有采用。

②电压差动保护。接线如图2所示（图示为一相接线、其他两相同）。正常运行情况下差电压为零，故障情况下在部分电容器被切除后，差电压值可由式（2）算出：

（2）

这种保护方式的优点是：不受系统三相电压不平衡和单相接地故障的影响；发生故障时保护装置分相动作，易于找出故障相；保护的灵敏度较高。缺点是：使用设备比较复杂，要专门设计的放电器，每相要一套保护；投资费用较高；特殊情况下还要另加电压放大电路；当同相两个串联段中的电容器发生相同故障时保护拒动（但实际运行中出现这种情况的几率不大）。

图2

电压差动保护多用于35 kV及以上容量较大的电容器组以及集合式或箱式并联电容器。

③桥式差动电流保护。接线如图3所示（图中KA为电流继电器）。正常运行时没有差电流，当某一个支路的电容器因故障被切除后。桥式回路中会出现差电流。比如每相2串，并联台数每支路均为M/2时，一个支路中切除K台故障电容器后，桥路差电流可由式（3）算出：

（3）

式中：INC-每台电容器的额定电流，A。

其优点是：由于分相装设，便于判别故障相；由于电容器组是单星形接线，串联电抗器可以接于中性点侧，且并联台数较双星形接线多，电压较稳定；保护灵敏度较高。缺点是：当桥的两臂电容器发生相同故障时，可能发生拒动；并且容量过大时，电容器在全击穿短路情况下的涌流也较大，措施是加装氧化锌避雷器保护。

图3

④双星形中性点不平衡电流保护。接线如图4所示。正常运行时，中性点间的电流为零，当少数故障电容器被切除后，中性点问有不平衡电流通过。当每相臂Ⅳ串的并联台数均为眠时，一相臂中K台电容器因故障被熔丝切断后，不平衡电流可由式（4）算出：

（4）

其优点是对于谐波和三相电压不平衡和单相接地故障其不受影响，结构简单，保护的灵敏度较高。缺点是：安装时，将两个星形的电容器组中各台电容器按电容量的偏差调平衡比较麻烦；在同相两个支路的电容器发生相同故障时，保护装置会拒动（但实践证明这种状况甚少），应加装氧化锌避雷器保护；对于只有一台串联电抗器的双星形接线的电容器组则必需安装在电源侧。

图4

当电容器内部装有熔丝及放电电阻时，因为电容元件击穿后由内熔丝切除，全部都击穿短路的几率很小，所以不论电压等级高低，大多选用此种保护方式。

参考文献

[1]田友元.关于高压电容器的保护方式[J].电力电容器，1993.

[2]蒋利发.并联电容器组的故障保护装置分析[J].广西电业，2009.

作者简介

汪明（1963-），男，江苏滨海人，工程师，大专，研究方向：电力系统及其自动化。