高壓并聯電容器保護配置及整定原則探討

楊萍

（寧夏電力公司超高壓分公司，寧夏銀川750000）

1 引言

電力網中并聯電容器的應用極為廣泛，以并聯電容器補償電網的無功功率是無功功率補償的主要形式。無功功率補償設備一般包括并聯電容器、串聯電容器、同步調相機、無功功率靜止補償器等。以并聯電容補償形式來提高電網的功率因數，力求實現無功功率就地平衡，降低線損，提高電壓質量，是世界各國電網技術發展的趨勢。因此，電容器對于整個電網的合理有效運行起著至關重要的作用。必須仔細分析電容器的原理及一次接線，合理配置電容器保護，保證電容器安全穩定運行。

2 電容器組故障類型及相應的保護配置

電容器裝置的故障類型有兩大類：一是指不正常的運行工況，可能對電容器的安全造成危害；另一種是指電容器裝置內部（包括連接線）故障。電容器保護的設置和選擇相對線路來說要復雜些，它與電容器組的接線方式和故障類型密切相關，而且因各電網的并聯補償電容器接線方式不完全一致，保護配置也有差異。目前并聯電容器的接線方式和保護方式仍有多種。電容器的保護是根據電容器內部及外部故障的特點而設置，主要的保護配置有：過電壓和欠電壓保護、限時電流保護、零壓保護、差壓保護、不平衡電流保護、橋差接線保護。這些保護是電容器的基本保護配置類型，以下就各類基本保護類型的原理及用途以及相對應的定值整定計算做一說明。

2.1 電容器組中性點不平衡保護

對于雙星形接線的電容器裝置通常采用中性點不平衡保護。中性點不平衡保護包括差流保護和差壓保護，保護原理接線如圖1所示。

圖1 電容器裝置中性點不平衡保護

正常運行時，三相電容器容抗對稱，中性線之間流過的電流為零，兩中性點的電位相等，即△U為零。當某一相電容器段因故障而發生擊穿時，中性線有不平衡電流流過，兩中性點的電位也出現了偏移，即△I和△U不為零。這兩種保護只需在兩組串聯的星形中性點接以電流互感器或電壓互感器即可，保護判據為：

電容器組的不平衡電壓（電流）保護整定值應符合以下的要求：

（1）不平衡電壓保護計算公式

式中：△UC為不平衡電壓；UEX為電容器組額定相電壓；KV為完好單元允許過電壓倍數為1.1。

（2）不平衡電流保護計算公式

式中：M為相中并聯單元數；N為相中串聯單元數；IEX為電容器組額定相電流；K為因故障切除的同一并聯段中的電容器臺數。

2.2 電容器組的電壓保護

（1）過電壓保護

若電網電壓過高，會加速電容器的老化，使內部游離增大，將產生局部放電。同時電容器的有功損耗隨之增大，發熱量上升，最后導致擊穿，使電容器損壞。因此從電容器安全運行的角度考慮，并聯電容器應裝設過電壓保護：①保護其整定是以電容器的端電壓不長期超過1.1倍電容器額定電壓的原則整定。②動作時間應在1min以內。③過電壓保護可根據實際情況選擇跳閘或發信號。④過電壓繼電器宜有較高的返回系數。

（2）欠電壓保護

電容器組裝設低電壓保護主要是避免電容器組發生以下幾種危害：①電容器失電壓后，系統重合閘或恢復送電時對電容器組的損害。由于電容器組在系統出現事故，開關跳閘后又自動重合的這段時間內電容器很難放完電。因此，若電容器組無低電壓保護而未切除的話，將是一次帶初始條件的合閘過程，這時可能產生很高的過電壓和沖擊涌流，極易造成電容器組的損壞，甚至引起爆裂。②系統發生事故后，一旦重合閘成功或當變電所恢復送電，而電容器仍接于母線上時，這時變壓器將處于空載裝態。由于變壓器直接帶純電容負荷，而空載變壓器和電容器同時投入，如電容器組無低電壓保護而未切除的話，將出現空變壓器帶電容器組進行沖擊合閘的操作過程。這種操作方式，變壓器中的勵磁涌流有高幅值的偶次諧波，有可能導致串接有電抗器的電容器組發生串聯諧振，產生諧振過電壓和過電流，可能損壞電容器，甚至變壓器。為此需裝設低電壓保護。

然而，當系統出現事故時，系統對無功量的需求將更大，要維護系統電壓不崩潰，電容器組這時是不允許退出運行的。因此，這就決定了電容器組開關的動作時間應大于本側后備保護時間。而從前述可見，電容器組開關的動作時間又必須在重合閘完成時間之前，否則將起不到保護作用。通常最小重合閘時間：

式中tII為對側保護延時段動作時間；tD為斷電時間，對三相重合閘不小于0.3s；tK為斷路器合閘固有時間；△t為裕度時間。

而電容器低電壓保護動作時間（tc）。

式中t為要求配合的后備保護時間；△t為裕度時間，一般為 0.3-0.5s。

要使保護有效，就必須讓電容器低電壓保護動作時間滿足tC≤tDmin，按這條件整定動作時間就滿足電容器組的低電壓保護要求，就可避免重合閘對電容器組危害。電容器低壓保護整定原則：低電壓定值應能在電容器所接母線失壓后可靠動作，而在母線電壓恢復正常后可靠返回，一般整定為0.3-0.6倍額定電壓。保護動作時間應與本側出線后備保護時間配合。另外，為防止TV斷線造成低電壓保護誤動，低電壓保護需經電流閉鎖。

（3）零序電壓保護

當電容器組為單星形接線時，應設置零序電壓保護。正常運行時，三相容抗對稱，I0和U0幾乎為零，當電容器組某相的部分電容器故障時，電容器組的電納將發生較大的變化，在開口三角形出口的零序電壓U0有較大數值，超過整定值時，將整套電容器從母線上切除。采用零序電壓保護判據，其動作靈敏度高，運行可靠，結構簡單，不受系統接地影響，是一種較為理想的保護方式。特別是零序電壓保護，有大量實際運行經驗，用的最為普遍。零序電壓保護又稱開口三角電壓保護，它也可以利用電容器每相關聯的放電線圈或電壓互感器二次側接成開口三角形，如圖2所示。

圖2 利用放電線圈構成的零序電壓保護接線

單星形接線電容器組開口三角保護定值計算：時間 T 為 0.1-0.2s。

式中：M為單臺密集型電容器內部各串聯段并聯的電容器小元件數；N為單臺密集型電容器內部的串聯段數；UEX為電容器組的額定相電壓；UCH為開口三角零序電壓；UBP為開口三角正常運行不平衡電壓；KK為可靠系數，KK≥1.5；K 為因故障切除的同一并聯段中的電容器小元件數。

2.3 電容器組的電流保護

電容器的過電流保護用于保護電容器組，防止過負荷、內部短路及與斷路器之間引起的相間短路。電流保護的整定原則如下：

（1）延時電流速斷保護

速斷保護電流定值按電容器端部引線故障時有足夠的靈敏系數整定，一般整定為3-5倍額定電流?？紤]電容器投入過度過程的影響，速斷保護動作時間一般整定為0.1-0.2s。在電容器端部引出線發生故障時靈敏系數不小于2。

（2）過電流保護

過電流保護電流定值應可靠躲過電容器組額定電流，一般整定為1.5-2倍額定電流。過電流動作時間一般整定為0.3-1s。

3 結束語

電力網中并聯電容器的應用極為廣泛，作為電網無功補償的主要設備，它的作用也舉足輕重。因此必須設置合理有效的保護裝置，才能保證電容器的安全可靠運行。通過對高壓電容器的接線形式、保護原理、整定計算原則的深入詳細的分析和探討，明確了電容器保護的配置和定值計算的原則，保證了電容器安全可靠運行。

［1］崔家佩等.電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算［M］.中國電力出版社，1993.

［2］電力系統繼電保護規定匯編［M］.中國電力出版社，1997.

［3］電力系統繼電保護實用技術問答［M］.中國電力出版社，1997.

［4］大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術［M］.中國電力出版社,2005.