500 kV變電站雙星形并聯電容器組過電壓分析與保護整定

錢 潔，汪建敏，鐘文慧，李 俊，鄧 清，秦紀平

（國網江西省電力公司檢修分公司，江西南昌 330029）

0 引言

雙星形接線電容器組作為無功補償設備在電網中被廣泛應用，電容器組中性線不平衡電流保護配置一般是根據系統潮流和穩定研究結果給出基本參數，或者通過計算額定狀態下電壓、電流有效值對保護進行整定，這種做法忽略了電容器本身的老化過程對其內部元件電壓的影響，任何元件發生故障都將使其余元件上的電壓分布改變[1，2]，如保護未能及時動作，可能造成部分電容器元件運行電壓過高而加速絕緣劣化，導致連續性擊穿甚至爆炸事故的發生[3]。電容器組損壞的主要過程為：

1）電容器內部單個元件損壞，內熔絲熔斷，不平衡電流由小變大，保護未切除故障電容器；

2）電容器內部其它元件過電壓倍數增加，元件損壞，不平衡電流繼續變大，保護未切除故障電容器；

3）多臺電容器內部元件擊穿，最終導致原完好相電容器損壞，保護動作，開關跳閘。

本文通過分析電容器內部元件故障引起的電壓分布變化，推導出中性線不平衡電流的計算公式，修正了雙星形接線電容器組中性線不平衡電流保護的整定值。

1 內部元件故障后的電壓分布及不平衡電流整定計算

1.1 元件故障后的電壓分布計算

電容器的過電壓既與母線運行電壓有關，也與電容器發生內部故障時電壓不均勻分布有關[4]。無功補償電容器組由數只電容器并、串聯組成，每只電容器又由多個電容元件并、串聯構成，電容器組內的任何一個元件的故障都將使電壓在各電容元件上重新分布，給電容器組的正常運行帶來安全隱患[5]，因此分析元件故障后過電壓分布有著重要意義。

某500 kV變電站的35 kV無功補償電容器組的雙星形接線方式如圖1所示。電容器組帶外熔斷器，每臂7并4串，型號為TBB22-35-50400/300Mr-2BLW，容量為50400kvar。電容器單元帶內熔絲，接線形式為11并4串，型號為BAMr11/2-300-1W，容量為300 kvar。UA、UB、UC分別為35 kV系統相電壓。

當系統35 kV三相平衡，且電容器組容量平衡時，電容器組中性點電位為零，流經中性線的電流為零。如有電容器發生故障，則U0和I0均不為零。以電容器組A相單元①故障（圖1左圖標注處）為例，假設單元內元件電容值為c，電容器內部單元②有k個元件因內熔絲熔斷退出運行，則左側星形中性點點位不為零。

圖1 35 k V電容器組雙星形接線圖及單元元件結構圖

單元②（故障元件并聯段）的電容值為：

故障電容器完好串電容值為：

故障電容器的電容值為：

完好電容器的電容值為：

單元①（故障電容器并聯段）電容值為：

A相故障臂電容值為：

A相正常臂電容值為：

B、C相左右兩側正常臂電容值為都為C。

根據基爾霍夫電流定律：

A相故障臂過電壓倍數為：

單元②完好元件過壓倍數為：

單元①完好電容器元件過壓倍數為：

單元③（故障相A相）過電壓倍數為：

非故障相B相、C相過壓倍數為：

隨著故障元件數增多，單元②過電壓倍數越大，當其超過一定數值時，為避免發生事故，保護必須動作。

對于該變電站的電容器組，當單只電容器內部k（1≤k≤11）個并聯元件發生擊穿故障時，各點過電壓倍數隨k的變化如表1所示，當k＝11時，即單元②所有元件熔絲熔斷，電容器單元完全故障，等同于外熔斷器熔斷。

表1 各點過電壓倍數隨k的變化

由表1可知，當故障元件數1≤k≤11時，完好相B、C相電容器上的過壓倍數很小，低于1.1倍的長期允許工作過電壓水平。當故障元件數k=4時，故障電容器內部完好元件上的過電壓將超過其1.3倍的允許值，達到1.3947倍，此時為防止更多元件損壞，保護應該動作，使電容器組退出運行并找到故障電容器，給予更換。

由表1中單元③過電壓變化可知，隨著元件故障數的增加，過電壓倍數減小，即流過故障電容器的電流減小，在內熔絲熔斷數量不斷增加的情況下，不利于外熔斷器動作，因此在不平衡電流整定計算時需區別對待。

1.2 不平衡電流計算

當電容器內部元件發生故障時，故障元件的內熔絲熔斷，隔離故障元件。此時故障單元內部的剩余完好元件由于分壓變化會產生過電壓，同時由于故障單元容量變化，中性線產生不平衡電流[6，7]。隨著故障元件數量的增加，剩余完好元件的過電壓倍數將會增加，不平衡電流也隨之增大。中性線不平衡電流保護的整定，對電容器故障的可靠切除起著決定作用[8，9]。

該500 kV變電站電容器單元采用內熔絲和外熔斷器保護。其中內熔絲主要起到隔離故障電容器內部元件的作用，使得電容器組可以在一定程度內帶故障運行。外熔斷器主要起到隔離故障電容器單元，防止極-殼擊穿可能引發的極端短路故障[10，11]，因此需對兩種保護在故障電容器組使用時中性線不平衡電流的情況進行分析。

1.2.1 內熔絲保護

由表1知，當k=4時，保護需動作，此時h1=

1.2.2 熔斷器保護

電容器元件采用內熔絲，元件損壞以后故障電容器單元的電容值減小，容抗增大，電流減小，不利于外熔斷器動作。當電容器單元內部元件串聯段部分或全部擊穿時、單元內部引線發生短路或電容器外部電路發生故障時，突發的故障電流使熔斷器迅速開斷，隔離故障。針對此種情況，要求1根外熔斷器動作的時候，繼電保護就要動作。此時不平衡電流為：

1.3 仿真驗證

為驗證以上計算公式的正確性，利用PSCAD搭建了電容器組雙星形接線模型，如圖2所示。額定電壓為35 kV，頻率為50 Hz，正常臂電容值為55.825 m F。仿真步驟為：

0.5 s時刻斷開斷路器S1，模擬1個元件故障，k=1；1.1 s時刻斷開斷路器S2，模擬2個元件故障，k=2；1.7 s時刻斷開斷路器S3，模擬3個元件故障，k=3；2.3 s時刻斷開斷路器S4，模擬4個元件故障，k=4。

圖2 電容器組雙星形接線模型

故障時中性點電壓標幺值和不平衡電流仿真結果如表2所示。比較表1和表2數據可知，理論計算結果和仿真計算結果基本一致，說明了理論計算公式的正確性。

表2 單元②故障元件過電壓倍數和中性點不平衡電流PSCAD仿真計算結果

綜上所述，為使電容器組安全運行，應采用電容器內熔絲保護，根據內熔絲保護進行繼電保護調整，從而確保電容器單元內部元件損壞在一個小范圍內，且完好元件過電壓符合要求，繼電保護動作，杜絕更嚴重故障的發生。

2 結論

1）電容器任一元件熔絲熔斷都將引起非故障元件的過電壓，過電壓會影響電容器內部元件的絕緣性能。對于35 kV結構為7并4串、內部為11并4串的雙星形接線電容器組，其內部元件熔絲熔斷的數量不允許超過4個，否則繼電保護必須動作。

2）為保證不平衡電流保護可靠動作，其整定值應設為0.154 A。

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