一起并聯電容器組不平衡電壓保護動作原因分析及思考

南方電網紅河供電局 岳倩倩 余云光 黎慧明 余 煒 譚智斌 高 林

隨著電網規模的不斷發展，電網無功需求日益增大，無功補償裝置應用廣泛。并聯電容器組具有投資小、運維費用低等顯著優點，目前仍是電網無功補償的首選裝置[1]。由于應用規模大，故障也隨之增多。行業內有調查報告表明，在并聯電容器組故障中電容器本體故障僅占較小部分，大部分故障發生在并聯電容器組電抗器、避雷器、放電線圈等相關配套設備[2]。運維經驗表明，部分并聯電容器組故障頻發的原因是設計存在缺陷、卻得不到足夠重視，且這類問題一般比較隱蔽，導致故障頻發而找不到問題所在。

本文以某110kV變電站10kV并聯電容器組不平衡電壓保護頻繁動作事件為背景，結合并聯電容器組設計規范及保護原理，分析了不平衡電壓保護頻繁動作的原因，并從中得到一些啟發。文中所述并聯電容器組發生不平衡電壓保護動作后，在半年內重復多次發生不平衡電壓保護動作。檢修人員多次檢查并聯電容器組主設備，均未發現可能導致不平衡電壓保護動作的設備故障。每次排查完畢設備重投后運行正常，但在日后運行過程中又重復發生不平衡電壓保護動作。

1 故障電容器組簡述

圖1為文中所述故障的10kV并聯電容器組接線圖。其接線型式不滿足《35kV～220kV變電站無功補償裝置設計技術規定》推薦接線型式[3]，圖中QS為并聯電容器組斷路器，QG為接地開關，L為干式空心電抗器，FV為避雷器，TV為放電線圈，C為電容器。其中避雷器及放電線圈與電容器并聯并組成單星形，星形中性點通過中性點避雷器接地。該并聯電容器組配置不平衡電壓保護，保護電壓模擬量取自放電線圈二次側，放電線圈二次繞組組成不完全三角形。

圖1 故障并聯電容器組接線圖

當并聯電容器組正常運行時，由于三相負載平衡，中性點避雷器上幾乎沒有電流，中性點對地相當于開路，該并聯電容器組接線等效于圖2。等效圖的接線型式及保護方式符合《標稱電壓1000V以上交流電力系統用并聯電容器第3部分：并聯電容器和并聯電容器組的保護》推薦[4]，配置不平衡電壓保護，其保護原理如圖3。并聯電容器組正常運行時，三相電壓是一組對稱量，放電線圈二次繞組組成的不完全三角形開口電壓3U0為零，當并聯電容器組由于外部或內部原因導致三相參數不平衡時，開口電壓3U0升高，達到保護整定值后保護動作，跳開并聯電容器組。

圖2 故障并聯電容器組等效圖

圖3 不平衡電壓保護原理圖

事故并聯電容器組于2020年6月發生不平衡電壓保護動作，動作后檢修人員對并聯電容器組電容器、電抗器、避雷器及放電線圈進行檢查，未發現異常。檢查完畢后，并聯電容器組重新投入運行，未見異常。然而運行一段時間后，該并聯電容器組又一次發生不平衡電壓保護動作，檢修人員對設備進行檢查仍未發現設備異常。上述情況重復發生多次，檢查均未發現設備異常。

2 故障原因分析及改進措施

并聯電容器組的接線型式主要有星形和三角形接線兩種，根據設計容量的不同，每相又可以分成多個橋臂組成橋式接線[3]。其中單星形接線在3000kVar及以下并聯電容器組中最為常見。并聯電容器組除配置過流保護外，根據接線型式的不同還需配置不同的保護。中性點接地單星形并聯電容器組一般配置中性點電流保護或中性點電壓保護，中性點不接地單星形并聯電容器組一般配置不平衡電壓保護，單相雙橋臂并聯電容器組一般配置相電壓差動保護，單相四橋臂一般配置橋式差電流保護[4]。

2020年12月，事故并聯電容器組再一次發生不平衡電壓保護動作，檢修人員對設備進行全面檢查，最終發現中性點避雷器絕緣不合格，避雷器極間電阻僅48歐姆，可以認為避雷器本體擊穿，中性點直接接地。

據圖1，當并聯電容器組中性點避雷器擊穿后，該并聯電容器組接線型式實際變成中性點接地單星形，如圖4所示。根據《標稱電壓1000V以上交流電力系統用并聯電容器第3部分：并聯電容器和并聯電容器組的保護》，這種接線型式并聯電容器組應當配置中性點電流保護或中性點電壓保護，而不應配置不平衡電壓保護[4]。

如圖4所示，當中性點避雷器擊穿后，放電線圈相當于通過電抗器接在10kV母線上，當系統發生單相接地故障時，不平衡電壓可以通過放電線圈二次開口三角采樣，從而導致并聯電容器組不平衡電壓保護動作。10kV系統是小電流接地系統，系統單相接地故障多發，因此當中性點避雷器擊穿后，系統單相接地故障導致并聯電容器組不平衡電壓保護頻繁動作。

圖4 中性點避雷器擊穿后的接線方式

綜上分析，事故并聯電容器組的接線型式不符合標準要求，建議依據典型設計，采用中性點不接地單星形接線，拆除中性點避雷器；此外根據《35kV～220kV變電站無功補償裝置設計技術規定》規定，選擇保護并聯電容器裝置的金屬氧化物避雷器的額定電壓應考慮系統單相接地引起的工頻電壓升高[3]。因此并聯電容器組避雷器應安裝于電容器線端與地之間，而不應與電容器并聯，否則無法限制系統單相接地引起的工頻電壓升高。從圖1可以看出，故障并聯電容器組避雷器的安裝方式不符合標準要求；結合以上兩點，需對該并聯電容器組進行改造，拆除中性點避雷器，并將并聯電容器組避雷器直接接地，改進接線如圖5。

圖5 改進的接線方式

綜上，本文針對10kV并聯電容器組不平衡電壓保護頻繁動作特定事件，結合保護原理分析了不平衡電壓保護動作的原因，并提出相應的改進措施；從事件處理中可以看出，在并聯電容器組不平衡電壓保護動作缺陷處理中，檢修人員缺乏對保護原理的分析，事故檢查試驗缺乏針對性，處理方式比較常規，往往不能及時發現缺陷或問題；部分并聯電容器組設計不符合規范，廠家在產品設計時應嚴格遵循相關標準要求，創新性設計應經充分論證方可投入應用，否則可能導致設備運行異常。