電力電容器組不平衡保護綜述

莊麗嬌

摘 要：科技日益進步，經濟持續發展，用戶用電對電能的要求也日益升高。其中，電壓質量是很重要的一個方面，不單對用戶生產、生活、工作有重大影響，對整個電網的安全穩定經濟運行也有著至關重要的作用。輸電線路在同等條件下，電壓越低傳輸的電能就越小。因此，必須保證無功電源的供應，即在變電站及用戶負荷處，將一定量的電容器串聯、并聯在一起，形成電容組，使其達到一定的容量、滿足一定的電壓要求，補償系統無功、調節該節點電壓。文章介紹電容器組主接線與不平衡保護之間的對應關系，根據運行經驗提出電容器組故障的查找方法。

關鍵詞：電力電容器；不平衡保護；接線方式

中圖書分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）32-0131-02

科技日益進步，經濟持續發展，用戶用電對電能的要求也日益升高。不單是對電能數量的需求不斷增長，其對電壓質量要求也越來越高，即不單要有足夠的電能，還要有穩定的電能——即電壓、頻率、波形需符合要求，才能保證用戶的用電設備持續保持最好的工作性能，從而保證工效效率。其中，電壓質量是很重要的一個方面，不單對用戶生產、生活、工作有重大影響，對整個電網的安全穩定經濟運行也有著至關重要的作用。

與電壓質量息息相關的就是無功電源，無功不足，會使得系統的電壓幅值降低，對整個電網來說，電壓過低可能引起電壓崩潰，進而使系統瓦解，造成負荷大幅流失；對單個元件而言，電壓的降低可能使其無法運行在最佳工況，同時造成電能損耗增大，甚至可能損壞設備，同時輸電線路在同等條件下，電壓越低傳輸的電能就越小。因此，必須保證無功電源的供應。同時，為了確保電網經濟運行與用戶的用電正常，又必須減小無功功率的流動，因此，無功補償的基本原則是就地補償。即在變電站及用戶負荷處，將一定量的電容器串聯、并聯在一起，形成電容組，使其達到一定的容量、滿足一定的電壓要求，補償系統無功、調節該節點電壓。

1 電容器組接線方式的決定因素

電容器通常是將若干元件封裝在一鐵殼內，構成電容器單元，再由各單元先并后聯，封裝在鐵箱內組成的。

當電容器組所接入電網的電壓等級、容量要求確定以后，接線方式的選擇則關系到了電容器組的安全性、可靠性以及經濟性。決定接線方式的主要因素包括以下幾個方面。

1.1 受耐爆容量限制

電容器組在運行過程中，若其中某個電容器擊穿短路，這個電容器將承受來自其自身及其他并聯電容器組的放電。為防止故障元件受放電能量過大沖擊，導致電容元件爆炸，必須限制同一串聯段上的并聯臺數，即有所謂的最大并聯臺數問題。可以通過減少并聯數與增大串聯段數的方法，來降低沖擊故障電容器的放電能量。

1.2 接線方式與設備不配套的限制

20世紀90年代末至21世紀初，由于工藝上的改進，使電力電容器的介質，結構發生改變，普遍采用了全膜電容器。電容器的容量越來越大，因此派生出了很多新的結構與接線方式。同時，在一段時間內，由于缺乏較高的

66 kV電壓等級的放電線圈，致使其保護選擇及相應接線方式的應用受到限制，因此使相關接線方式適用范圍受到了限制。由于這種不配套的限制，導致該時期電容器運行故障明顯上升。經過陣痛之后，對配套設備的研究也跟上技術的研發進度，因此，這種限制現在基本消除。

1.3 與應用的場合有關

在電力企業中，多采用星形接法，在工礦企業變電所中多采用三角形接法。采用三角形接法時，能夠過濾掉3次諧波電流，可以消除其對設備的影響，但其缺點是當電容器發生擊穿短路時，其它相電容器的放電電流會對故障電容器產生沖擊。星形接線時，電容器故障情況下受到其它兩相容抗的限制，來自系統的工頻短路電流最大不超過其額定電流的3倍，且不受其它相電容器放電電流的影響，相對而言可靠性更高。

2 電容器組接線方式及其相應不平衡保護

電容器組的接線方式較多，相應也產生了不同的不平衡保護。一般來說，同種不平衡保護接線下，既可采用電流式、也可采用電壓式保護，其根本原理都是利用元件發生故障時產生的不平衡量來作為保護判據。在此僅列舉三種方式，其余接線方式讀者可再查找有關資料。

2.1 單星形接線采用零序電壓保護

主要是利用電壓互感器的開口三角電壓形成不平衡電壓，此時電壓互感器一次繞組還可兼作放電線圈，可防止反復投入電容器組時，因殘余電荷造成電容器組過電壓。見圖1單星形接線采用零序電壓保護。

2.2 雙星形主接線方式時采用中性線電流不平衡保護

對于雙星形接線的電容器組，可采用中性線電流不平衡保護。當同相的兩電容器組中發生電容器故障時，流過兩串電容器組的電流不等，則中性線上必流過不平衡電流。見圖2雙星形主接線方式采用中性線電流不平衡保護。

2.3 單相為兩組電容器組串聯的星形接線采用電量壓差動保護方式

同樣的，電壓互感器的一次繞組可以兼作放電線圈，二次繞組則接成壓差式反極性串連法，正常運行時電容容抗值相等，壓差為零；當有電容器損壞時，由于一次繞組分壓不等，則二次繞組出現差壓，使保護動作。見圖3單相為兩組電容器組串聯的星形接線采用電量壓差動保護方式。

3 不平衡保護動作原因分析

①配套設備各相性能差異較大產生不平衡分量。三相放電線圈及電抗器如果性能差異較大，那即使在母線側的三相電源平衡，電容器組一次側平衡的情況下，在二次側也可能產生一個虛假的不平衡電壓。如果不平衡電壓保護設定值較低，則這個不平衡電壓可能引起誤動。當然，隨著放電線圈及電抗器制作工藝的進步，這種情況還是較少發生。然而，在電容器組的選型及驗收啟動時，還是要關注這些參數。特別是負荷側有較大的諧波源時，由于頻率的升高，容抗、感抗之間的差異更大。

②母線三相不平衡導致電容器組產生不平衡分量。電容器組主接線方式采用星形接線，受到母線不平衡分量的影響較小，基本為零，因此不至于會產生不平衡電壓或電流。若是采用三角形接法，則母線三相不平衡時，即使其幅值差為2%，相角差為1°時，該不平衡電壓可能達到5%以上的額定電壓值。電容器組投入運行時，對于10 kV電壓等級的來說，操作時的過電壓可能導致其產生不平衡分量，甚至造成擊穿。

③電容器組各相容抗不平衡導致不平衡分量出現。三相電容值不平衡時，比如其單個電容器組容抗出現差異乃至發生故障擊穿，則由于電壓分配的原因，電容值小的相或串聯段所承受的電壓值就更高，不平衡分量由此出現。而承受電壓值較高的，其運行工況較差，因此進一步惡化，不平衡分量越來越大，最終導致不平衡保護動作。

4 電容器組故障的防范與查找

4.1 嚴格控制電容器的運行工況

在運行中應嚴格監視電容器組的運行工況，如運行溫度、電壓電流等。電容器受運行溫度的影響較大，當運行溫度升高10℃時，其電容量下降的速度就提高一倍，而長期受高溫影響會使其內部絕緣介質老化、損耗角增大，最終使電容器內部溫升過高，如此循環，使其使用壽命降低，嚴重時可能造成熱擊穿，一般來說，應控制其溫度在40℃以內。根據相關規程規定，電容期的允許工作電壓為其額定值的1.1倍，允許工作電流為額定電流的1.3倍，在運行過程中應嚴格監視這些電氣量，當超過規定值時，應立即退出電容器組的運行。

4.2 減少抑制操作過電壓

35 kV及以下的電容器組投切時，宜采用真空斷路器，其較好的機械特性，可避免操作時產生過電壓。斷路器分閘時，合閘相相角超接近零，則熄弧時間就截止長，介質恢復的強度就越高；相反，電流相角較大時分閘，熄弧時間越短，介質強度恢復不夠，容易再次燃弧。而在合閘時，若在斷口電壓為零的瞬時投入電容器組，則產生過電壓的機率就會小很多。因此，可通過采用相位控制器來控制投切時間。

也可利用氧化鋅避雷器來抑制過電壓，當產生過電壓時，可利用避雷器釋放能量。

4.3 控制電容器安裝工藝

電容器安裝過程中，其接頭的安裝工藝對今后的運行情況有較大影響。首先，接線端與母線鋁排的連接，要注意其對電容器組施加的應力，如調整不當，可能使其發生滲漏。另外，各電容器之間的連接大多是采用銅鉸線連接在一起的，而電容器組母線所采用的一般是鋁排，因此在其連接過程中，應采用銅鋁過渡接頭；否則，直接接到鋁排上，接頭會發熱，最終可能導致不平衡保護動作。

在某站的電容器組運行過程中，曾發現在24 h內，不平衡保護接連動作兩次，經檢查，均是外熔絲熔斷，導致不平衡保護動作，在兩個熔斷的熔絲處檢查，均在連接母排的地方有過熱現象。對整臺電容器組停運后徹查的結果是，其施工過程對接線頭的壓接不實，導致運行過程中發熱，處理后，電容器組運行正常。

參考文獻：

[1] GB 50227-2008，并聯電容器裝置設計規范[S].

[2]國家電網公司.110～500kV變電站通用設備典型規范[M].北京：中國電力出版社，2006.