不平衡保護技術在集合式電力電容器中的應用

周則望

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214000）

為迎合電力行業發展趨勢和滿足各行業用電需求，近年來電網中高壓并聯電容器的應用越來普遍。目前常用的電容器有小單臺電容器、集合式電容器、箱式電容器等幾種。不同類型電容器的適用范圍、應用效果也存在明顯差異，如果電容器選型不當，將會增加電容器的故障率，甚至引發爆炸事故。集合式電容器的優勢在于占地面積小、接線方式簡單、防火防爆性能好、后期維護壓力小，應用較為廣泛。根據內部接線方式的不同，又可分為常規型、元件非全并聯型、可調容量型等若干種。了解不同類型集合式電容器的結構特點、接線方式、應用范圍，才能更好發揮其無功補償作用。

1 常規集合式電力電容器的不平衡保護技術

1.1 常規集合式電力電容器的接線方式

常規的集合式電容器主要包括內單元和外鐵箱兩部分。內單元由若干個電容器元件并聯或串聯組成，然后將其封裝在一個浸滿油的鐵箱中。在電容器內部接線方式方面，內單元采取“先并后串”形式，而內單元中所有元件全部并聯，如圖1 所示。

圖1 常規集合式電力電容器的內部接線方式

1.2 常規集合式電力電容器的不平衡保護技術

開口三角電壓保護又稱為“零序電壓保護”，其保護機理是首先檢測電容器的端電壓，然后在二次端接成開口三角形，并得出零序電壓，通過電壓對比判斷三相是否平衡。如果三相電壓不平衡，則說明電容器存在故障，從而采取相應的措施切除故障。開口三角電壓保護效果受到多方面因素的影響，例如三相電容是否平衡、三相電源是否對稱、三相串聯電抗器的電抗率是否一致等。相電壓差動保護即“電壓差動保護”，采用相電壓差動不平衡保護的電容器每相由2 節電壓相等的電容器并聯，達到相電壓均攤的效果。同時每相還設置了1 臺帶中間抽頭的一次線圈，并且在一次線圈后再并聯2 個二次放電線圈。二次線圈按差電壓方式接線，引出線接入電壓繼電器，從而實現了相電壓差動保護，其接線方式如圖2 所示。

圖2 采用相電壓差動保護的電容器一相接線示意圖

1.3 兩種不平衡保護技術的比選

本文介紹的開口三角電壓保護和相電壓差動保護，各有其適用范圍和應用優勢。在不平衡電壓方面，開口三角電壓保護的初始不平衡電壓較大，并且影響初始不平衡電壓的因素較多，例如三相電容不平衡、三相電源不對稱等。其優勢在于每組電容器對應1 臺電壓繼電器，加上不需要安裝中間抽頭，因此接線比較簡便。同時該不平衡保護技術還能實時反映出電源缺陷故障，易于維護。缺點也比較明顯，例如靈敏度不高。相比之下，相電壓差動保護的初始不平衡電壓較小，并且主要受到兩串段電容值之比的影響，穩定性和靈敏度都有可靠保證。

2 元件非全并聯集合式電容器不平衡保護技術

2.1 非全并聯集合式電容器的接線方式

在電容器整機容量不斷升高的背景下，電容器內部并聯元件的數量也逐步增加。在并聯模式下，其中某個元件發生擊穿故障后，相連的其他元件也會因為放電能量太大出現熔絲受損問題，引發連鎖反應導致電容器出現開裂或鼓肚的情況。為避免此類問題，非全并聯電容器應運而生。其原理是將部分元件先并聯，然后將其他剩余元件串聯，從而解決了連鎖故障的問題。這種元件非全并聯集合式電容器的內單元采取“先并后串”形式，內單元中所有元件全部并聯，如圖3 所示。

圖3 非全并聯集合式電容器的接線方式

2.2 非全并聯集合式電容器的計算公式

假設電容器內單元中某一元件發生故障，則與該元件并聯的另一完好元件，會出現電壓升高的情況。升高部分的電壓由三部分組成：其一是單元內元件串段間電壓重新分配導致的電壓升高倍數（1+k1）；其二是一相內單元串段間電壓重新分配導致的電壓升高倍數（1+k2）；其三是中性點點位偏移引起的電壓升高倍數（1+k3）。則該元件總的電壓升高倍數（Kv）可表示為：

式（2）中K 為故障單元故障段切除元件數量，K 值可通過公式計算得出：

式（3）中M 為一相中并聯的內單元數目；N 為一相中串聯的內單元數目；m 為內單元中并聯的元件數目；n 為內單元中串聯的元件數目。

3 其他形式集合式電力電容器的不平衡保護技術

3.1 可調容量的集合式電容器的不平衡保護技術

新建變電站的無功補償裝置是參考設計容量配置，但是等到變電站投入運營以后，受到電網電壓升高或用電負荷波動等因素的影響，容易出現無功欠補或過補的情況。這種情況下可以使用可調容量型集合式電容器，從而根據負荷的季節性或階段性變化，來調節并聯電容器組的容量，保證無功負荷始終滿足無功補償需要，并且在一天之中的絕大多數時間里都維持在相對穩定的狀態。可調容量型集合式變壓器的內部接線方式為每個支路中內單元先并聯、后串聯，然后內單元中所有元件并聯，如圖4 所示。

圖4 可調容量合式電容器的內部接線方式

采用圖4 所示接線方式，電容器的每相都有2 個獨立支路和3 個出線套管。分別為A1、A2 和X。出現套管即可單獨使用，可以采用連線的方式，形成“A1-X”或“A2-X”組合使用。組合模式下，套管容量為全部容量的1/2。兩個獨立支路上電容器的容量均分，比例為1:1。

3.2 充氣集合式電力電容器的不平衡保護技術

集合式電容器因為安全運行的需要，內部會充滿絕緣油。隨著投運年限的增加，設備及材料的老化，容易出現絕緣油泄露的情況，造成環境污染和影響設備正常運行。因此電容器“無油化”發展是一種必然趨勢。充氣集合式電容器是在微壓（通常為0.05MPa）狀態下，將SF6 與氮氣按照3:1 的比例混合，利用空氣絕緣代替絕緣油，解決了漏油帶來的污染問題。以10kV 充氣集合式電容器為例，內單元僅有1 串，多個內單元又相互并聯。內單元中元件采用“先并后串”方式連接，具體接線方式如圖5 所示。

圖5 10kV 充氣集合式并聯電容器內部接線方式

由于充氣集合式電容器的保護整定值勉強能滿足要求，因此在電容器投入運行后如果電網電壓波動明顯，則有較大概率出現保護誤動。在應用不平衡保護技術時，需要適當提高Kv（完好元件允許過電壓倍數）值。通常來說，使Kv取值為1.2 或1.25，保護整定值能增加一倍，從而具有更好的補償穩定性。

3.3 自愈集合式電力電容器的不平衡保護技術

所謂自愈式電容器，是以蒸鍍在電介質上的金屬層作為電機，當絕緣介質被擊穿后，擊穿產生的短路能量可以將局部金屬層蒸發從而讓電容器恢復正常運行。當然，由于每次自愈都會消耗一部分金屬層，因此電容器投運一段時間后不可避免會發生自愈失效的問題，進而表現為金屬短路。基于自愈集合式電容器的不平衡保護技術，將一相中多個元件串聯起來，元件之間采用內熔絲保護和壓力保護，形成“雙保險”，保證補償電容器運行穩定，其內部接線方式如圖6 所示。

圖6 10kV 自愈式高壓并聯電容器接線方式

4 不平衡保護技術在集合式電力電容器中的應用實例

4.1 設備及保護方式的初選

某220kV 變電站主變容量為150MVA，在主變低壓（35kV）側進行無功補償。受到場地規劃的限制，必須使用占地面積較小的集合式電容器，容量為15Mvar。在接線方式上有兩種方案：第一種是使用雙出線套管，選用開口三角電壓保護；第二種是使用三出線套管，選用相電壓差動保護。考慮到開口三角電壓保護接線相對簡便，因此首先考慮這種不平衡保護技術。根據產品說明書可知，35kV 集合式電力電容器內部接線為單星形，內單元4 并14 串，內單元中元件全并，并聯數21。根據上述參數，分別計算允許斷開元件數（k）和中性點零序電壓（3Uo）：

在上述兩式中，Kv代表元件過電壓倍數，此處取值為1.15；n 為內單元串聯數，為14；m 為為總并聯數，為4×21=84；UA為放電線圈的電壓比，此處取值為22.2。故式（4）中計算得到K=11.5，式（5）中計算得到3Uo=1.07V。該電容器的保護靈敏系數（KLM）設定為1.3，則保護整定值（UDZ）可通過下式計算得出：

式（6）中保護整定值為0.82V。而根據《3kV～110kV 電網繼電保護裝置運行整定規程》（DL/T 584-2017）中的規定，35kV 補償電容器的保護整定值≥1V，故該變電站的電容器不得采用單星形接線和開口三角電壓不平衡保護技術。

4.2 集合式電容器選型調整與不平衡保護方式的確定

在設備及保護方案初選的基礎上，本文提出了使用帶中間抽頭的集合式電容器，采用相電壓差動保護技術的方案。每相電容器中包含2 個規格相同的串聯電容，每相有3 個出線套管，每個套管分別連接1 臺帶中間抽頭的一次線圈，一次線圈又對應2 個二次線圈，構成了相電壓差動保護。仍然按照式（4）、（5）分別計算K 值和3Uo 值，其中K=11，3Uo=2.14V。靈敏系數仍然取1.3，根據式（6）求出保護整定值（UDZ）為1.65V。該方案下的UDZ＞1V，故滿足標準要求。因此，該220kV 變電站中，最終選擇了35kV 集合式電容器，內部接線方式為帶中間抽頭的單星形型式，采用相電壓差動不平衡保護技術。該方案投入運行后，開展了連續12 個月的觀測，發現該電容器運行穩定、可靠性高，達到了預期的無功補償作用。

結束語

集合式電容器因為易于安裝、體積小巧等優勢在高壓并聯電網中得到了廣泛使用。但是集合式電容器在運行過程中也容易因為電壓不平衡而出現誤動，嚴重時甚至發生電容器爆炸事故，因此在集合式電容器投運以后必須要引進不平衡保護技術。由于集合式電容器的類型多樣，不同類型電容器適用的不平衡保護電壓整定值也有明顯差異。這就需要根據變電站的實際情況和具體需求，在集合式電容器科學選型的基礎上，確定其內部接線方式并計算保護整定值，保證符合行業有關要求，保證集合式電力容器在可靠運行的前提下，正常發揮無功補償效果。