電力電容器組不平衡電壓保護動作原因分析及故障診斷

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(國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000)

1 引言

電力電容器組作為電力系統中的重要設備之一，在補償系統的無功功率、提高功率因數、改善電壓品質、減少線路的損耗、提高電網輸送電能能力、保證發電機的出力和設備的運行能力等方面發揮著不可替代的作用。然而近年來，隨著電網的不斷發展，無功補償裝置的大量投運，電力電容器組在運行中問題頻出，特別是電容器組不平衡電壓保護動作導致其開關跳閘的現象時有發生。表1是對某市電容器組一年內的故障情況統計表。

從表1中可以看出，電力電容器組不平衡電壓保護動作占總故障次數的84%[1]，已經嚴重影響到了電容器組的安全穩定運行，亟需探索其產生原因并提出解決方案。

表1 電容器組故障情況統計表[1]

2 電力電容器組不平衡電壓保護

2.1 保護原理

電力電容器組不平衡電壓保護又稱開口三角形保護、零序電壓保護，原理為檢測電容器組端電壓，在二次端接成開口三角形得出零序電壓，判斷三相是否平衡，進而得出設備是否存在故障。

2.2 保護定值的整定

整定電壓值按單臺電容器(或電容器內小電容元件)切除、擊穿后，故障相其余單臺電容器所承受的電壓(或電容器內小電容元件)不長期超過額定電壓1.1倍的原則確定整定值，并且可靠躲過電容器組正常運行時的最大不平衡電壓，其動作時間為0.1～0.2s[2]。

電力電容器組不平衡電壓保護的整定值為：

(1)

其中，Udz為動作電壓；Uch為差電壓；ny為電壓電壓互感器變比；Klm為靈敏系數。

對有專用單臺熔斷器保護的電容器組：

(2)

對未設置專用單臺熔斷器保護的電容器組：

(3)

其中，K故障切除的電容器數；β為任意一臺電容器擊穿元件的百分數 ；N為每相電容器的串聯段數，M為每相各串聯電容器并聯臺數，Uex為電容器組的額定電壓。

3 不平衡電壓保護動作原因分析

3.1 電容器組三相電容量不平衡

中性點不接地的星型接線電容器組，當三相電容器組電容值不平衡時，運行中會產生電壓分布不均的情況。電容值小的一相或承受較高的電壓，并隨著電容值不平衡加大，電壓分布不均的情況也隨之加大。電容量不平衡產生的原因大致有兩種情況：一是產生于電力電容器組本身，由于電容器制造工藝、產品質量以及長時間運行絕緣下降等原因，導致電容量變化，引發不平衡現象；二是由于電容器組內部的內熔絲熔斷切斷故障元件導致電容量出現不平衡。

3.2 不平衡電壓保護整定有誤

電力電容器組不平衡電壓保護整定有誤也是導致其保護動作的重要原因之一，主要體現在：

(1)電壓定值選擇不合理，定值整定太低，不能躲過正常運行的不平衡電壓；

(2)保護出口時間整定太短，躲不過電容器組投入時產生的不平衡電壓時間。

根據DL/T584-1995《 3～110kV電網繼電保護裝置運行整定規程》中規定，不平衡電壓保護整定值應按照本文2.2中的公式進行整定。

3.3 電壓諧波污染放大

電網中若接入大量的非線性負載，可能會造成電網電流、電壓波形發生畸變，引起電網的諧波“污染”。為有效地抑制諧波污染，電力系統通常采用在并聯電容器的回路中串聯電抗器的方法，防止諧波對電容器造成危害，避免電力電容器的接入對電網諧波的過度放大和諧振。但是，若串聯電抗器與電容器組組合不正確，可能會造成諧波電壓放大的現象，引起保護誤動作。

根據串聯電抗器的選擇與諧波放大關系問題，通過建立帶有諧波源的電容器裝置簡化電路模型，推導得出諧波電壓放大率計算公式：

(4)

式中，s=QCN/Sd，K為電抗率(K=XL/XC)；Sd為電容器裝置接入處母線的短路容量；QCN為電容器裝置容量；XL為串聯電抗器基波電抗；XC為電容器組基波容抗。

3.4 三相放電線圈性能存在差異

如果三相放電線圈性能(包括伏安特性)存在較大差異，即便一次系統平衡，也可能會在二次側產生不平衡電壓，甚至引起保護誤動。因此，應注意放電線圈的選用和產品質量把關。

4 不平衡電壓保護動作后的故障診斷

4.1 接頭發熱對電容器組運行的影響

電力電容器組運行過程中，因接頭發熱而退出運行的現象時有發生。由于電容器投入后滿載運行，若電容器施工中或長期運行后如果接頭壓接不實，就可能會引起接頭發熱。除此之外，還應檢查電容器組刀閘、地刀等設備接頭情況，接點是否松動，接觸是否良好。

4.2 合閘時不平衡電壓和時間配合問題

在電力電容器組斷路器合閘過程中，會產生不同程度的操作過電壓，這個操作過電壓會導致放電線圈的勵磁特性發生變化，并在放電線圈二次側出現一個大于保護定值的零序電壓，若超出保護定值延時范圍之外，零序電壓衰減后仍大于保護定值，就會造成保護誤動。如若發生此現象，應略微調高保護定值。

4.3 電容器與電抗器配合問題

電容器批量化生產制造過程中不可避免的存在電容差，電容器組組裝時不可能使其電容量完全均衡。雖然《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》中規定：電容器的實測電容值與額定值的偏差不超過額定電容值的-5%～+10%，但在實際安裝施工中，即使每個電容器的實際電容量均滿足要求，如果將電容量正偏差的電容器均放在一相上，負偏差的放在另一相，亦會造成電容器組三相電容量的不平衡。若此時放電線圈三相變比、角差也出現偏差，且電容器的正偏差和放電線圈的正偏差組合在一起，也有可能造成跳閘[3]。

4.4 電容器三相電容量不平衡或放電線圈變比不一致

導致電容器三相電容量不平衡或放電線圈變比不一致有諸多原因，主要包括以下幾種情況：

(1)在實際運行中，大量的非線性負載的存在會產生大量諧波源，導致電源質量不佳，產生的不平衡電壓導致電容器三相電壓不平衡，容易導致部分電容擊穿，電容量發生變化，三相電容量不平衡。

(2)為了保證電網電壓質量，電容器組頻繁投切，投切電容器產生的操作過電壓易損壞放電線圈，導致放電線圈匝間短路甚至擊穿，使變比準確度受到影響。

(3)在運行過程中，線路單相接地時可能會產生弧光接地過電壓，時斷時續的過電壓會導致外熔絲熔斷，嚴重的會導致電容擊穿，使電容量發生變化。

5 實例分析

2016年6月15日，某110kV變電站10kV#3電容器不平衡電壓保護動作，#3電容器開關跳閘。現場人員開展了電容器試驗、電抗器試驗、電纜絕緣試驗等，其中部分數據如表2、表3所示。

表2 10kV#3電容器電容量預試結果

表3 10kV#3電容器放電線圈預試結果

從表中可以看出，各項數據均合格，未發現異常情況。

考慮到改變電站所在地光伏電源分布廣泛，作業人員猜測可能是諧波“污染”問題導致電力電容器組不平衡電壓保護動作。為此，作業人員進行諧波測試，測量結果發現，10kV#3電容器與其串聯電抗器的配置不正確，導致電網五次、七次諧波放大引起諧振，引起電力電容器組不平衡電壓保護動作，需重新計算并配置串聯電抗器。

6 總結

電容器組電壓不平衡保護動作跳閘，一般是由于電容器組三相電容量不平衡、不平衡電壓保護整定有誤、電壓諧波污染放大、三相放電線圈性能存在差異等原因導致。因此，在運行中的電容器組發生不平衡電壓保護動作，應檢查電容器的電容量是否發生變化、保護定值是否合適、電容器與電抗器配合是否合適、放電線圈的變比是否發生變化等等。