高壓并聯(lián)電容器裝置繼電保護的探討

姚 成

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

針對當前高壓供電而言，最主要采用的無功補償裝置是并聯(lián)電容器，高壓并聯(lián)電容器是一種非常關(guān)鍵的電力設(shè)備，其在運行過程中主要通過向系統(tǒng)提供相容性無功補償?shù)耐緩?，實現(xiàn)無功功率控制就地平衡。通過該設(shè)備運行可以提升功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，降低損耗，提升輸電線路與變壓器之間容量效率。由于市場需求的日益增多，對相應(yīng)設(shè)備的需要量也在日漸增加，對電容器的科學保護和調(diào)整方法也就變得越來越關(guān)鍵?，F(xiàn)階段許多電網(wǎng)都出現(xiàn)了穩(wěn)定性不高、敏感度不夠強的實際保護問題。當處于正在工作狀態(tài)的高壓系統(tǒng)發(fā)生電容故障時，可能對后期運行闡述直接影響。所以，通過深入研究高壓并聯(lián)電容器保護整定問題，及時發(fā)現(xiàn)問題所在并采取有效保護措施予以解決。

1 并聯(lián)電容器相關(guān)概述

1.1 并聯(lián)電容器的特點

并聯(lián)電容器是中國電網(wǎng)中使用最多的一個無功功率補償裝置，目前中國國內(nèi)電力系統(tǒng)中90%的勞而無功補償裝置均為并聯(lián)電容器。其在實際應(yīng)用中具備了如下優(yōu)點，由于電容器為靜止裝置，運行與維修簡便，且在應(yīng)用過程中沒有產(chǎn)生噪聲，能量消耗較少，效率高。現(xiàn)代電容器的能量損耗也只是本身容量的0.02%以下。同時，也是最經(jīng)濟的裝置。其一次性投入和運行費用都相當?shù)土?，而且安裝調(diào)試簡便，所以，在實際工作中，得到了普遍應(yīng)用，可集中布置在中央變電所，也可分散布置在地方供電系統(tǒng)和廠礦用戶。

1.2 并聯(lián)電容器的主要結(jié)構(gòu)分析

并聯(lián)電容器的基本結(jié)構(gòu)主要包括箱殼、磁芯、絕緣套管等，將多個電容器小部件并聯(lián)組裝在一起就形成了并聯(lián)電容器。一般情況下，并聯(lián)電容器組裝的時候，會在其內(nèi)部各個小元件的另一側(cè)加上一個內(nèi)熔絲。在電容器內(nèi)部，如果某一元件部位突然發(fā)生故障，會導致整個電容器裝置出現(xiàn)故障而產(chǎn)生放電的現(xiàn)象，同時，在電容器內(nèi)部的熔絲因高溫而發(fā)生斷裂。這種情況處理時需利用不銹鋼板，采用人字連接的方式構(gòu)建整個電容器箱殼，從而保證并聯(lián)電容器箱殼具有優(yōu)良的抗爆炸性能。必要時，出線套管也應(yīng)直接連接到箱體蓋板的頂部，然后將接頭直接連接到套管上。另外，還需要使瓷套、箱蓋和連接器之間緊密連接，通過壓接連接可避免漏電問題。

2 繼電保護方式

電容器內(nèi)部故障中，因個別電元件發(fā)生損害時，如擊穿故障。此時內(nèi)熔絲并未在第一時間切除故障元件，則會引發(fā)電容器的并聯(lián)段短路，從而盡量讓故障元器件在全部擊穿之前脫離，并防止造成外殼爆裂現(xiàn)象。內(nèi)外熔絲保護的保護靈敏度相對較高，優(yōu)于不平衡保護。不平衡保護一般為過大輸出電壓的保護，并由此構(gòu)成了各種保護的主要配置方式。過流保護則是后備保護的主要措施，是當主保損壞后包括有對稱性失效的，出現(xiàn)不平衡保護器不起作用。尤其是柱上式電容器裝置，當內(nèi)熔絲保護不起作用指每相容量小于的單元電容器而又不設(shè)不平衡保護時，則過電流保護為主保護。繼電保護的方式主要包括如下幾項。

2.1 開口三角電壓保護

開口三角電壓保護方法，一般應(yīng)用于單星型并聯(lián)接線的電容器組，在國內(nèi)，其以10 kV 或35 kV 以上的電容器組成而在實際生活中進行使用的情況相當普遍，但是由于其在運行過程中，受制于放電電壓互感器的作用，其內(nèi)部會出現(xiàn)不平衡電壓，這時就需要采用二次并聯(lián)的開口三角形，通過這個開口三角形以實現(xiàn)把各相電容器組所產(chǎn)生的電壓分別準確的進行反映，而且，由于這個方法構(gòu)造原理和連接方法都相當簡便，不要求專門的電壓互感器，因此精度也很好。由于中性點不接地，因此不受系統(tǒng)接地故障的干擾。但缺點則是系統(tǒng)負載電壓不平衡的干擾，如10 kV 對地電容不平衡影響較小，故在運行中還比較滿意。

2.2 橋式差電流保護

高壓并聯(lián)電容器裝置一般可安裝速斷保護和過流保護，其保護動作一般為重合閘。首先研究了速斷保護，因為只要工作模式最小，電容器組端引線發(fā)生兩相短路，過保護器的靈敏度系數(shù)就非常關(guān)鍵，必須滿足相應(yīng)的系數(shù)條件；相關(guān)動態(tài)狀態(tài)的持續(xù)時間也有限制，但至少要超過電容器合閘涌流的時間限制。下一步是過流保護器。必須注意的區(qū)域一般是動作電壓值，動作電壓值必須大于電容器組允許的最大長期過電壓。這一方式也適用于較大的電容器組，把全部電容器組分形成了3 個單獨的過保護區(qū)組。該方式可不受相間電壓不平衡的影響[1]。

2.3 相電壓差動保護

高壓并聯(lián)電容器裝置不受三相電壓不穩(wěn)定和單相接地故障的危害，在故障時分單相動態(tài)，由于保護靈敏度較高，所以其在實際運行中還必須裝有母線過電壓保護器，因為其在工作時受到的電壓也比較高，而且，由于其容量又較大、串段較多，當某相的2 個串段內(nèi)的電容同時出現(xiàn)故障而出現(xiàn)發(fā)生故障臺數(shù)相同時，就極易造成充放電線圈在工作過程中出現(xiàn)意外，因而引起電容器損壞現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 高壓并聯(lián)電容器的繼電保護及保護整定

3.1 高壓并聯(lián)電容器的保護分析

3.1.1 內(nèi)熔絲保護

對并聯(lián)電容器而言，其內(nèi)部的各個電容器單元通常都安裝了內(nèi)熔絲，以保證發(fā)生一個原件突然被擊穿的情形時，則會第一時間精確定位存在故障環(huán)節(jié)，并將其予以隔離，使之處于斷電狀態(tài)。這個過程可以起到保護系統(tǒng)中其他電容元件的目的，維護電容器穩(wěn)定運行。在實際安裝過程中，發(fā)揮內(nèi)熔絲的優(yōu)勢，避免電容器故障擴大化。內(nèi)熔絲的主要優(yōu)勢在于熔斷耗時短，具備較好的可選性。綜合上述因素考慮，可以將內(nèi)熔絲作為保護設(shè)備備用。同時，技術(shù)人員應(yīng)定期巡查外熔絲相關(guān)情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時采取故障隔離。熔絲一旦熔斷后，其間隙也應(yīng)具備一定的耐壓能力，但首先應(yīng)該承受受在原隔離間中所出現(xiàn)的一定電壓，以及在正常工作中的短期過渡過電壓。此外，內(nèi)部或其他不同的組件損壞和能量釋放電壓值，以防外部短路。然而，過內(nèi)熔絲不用于跳閘。如果需要跳閘條件，則需要其他類似的外殼保護[2]。

3.1.2 電流保護

電流保護根據(jù)常規(guī)分類可以細分為2 個主要類別，即過電流保護和分成速斷保護。電流保護系統(tǒng)在運行時需要滿足最基本的電流敏銳度要求，在這個背景下電力工作人員們更偏好使用三相系統(tǒng)接線。不同類別適應(yīng)不同場景，以速斷保護為例，其適應(yīng)范圍主要以外圍性故障為主，例如，套管內(nèi)部的短路及電容器組導線的故障，現(xiàn)在快速通斷保護器已能夠適應(yīng)工作需要，并成為了高壓電網(wǎng)中的重點保障，一旦在電容器末端突然出現(xiàn)了某種故障，就需要及時檢測一次準確的電流整定值，通過這種方式設(shè)定精確的靈敏度參數(shù)。而過電流保護在應(yīng)用過程中具備一定的特殊條件，即穩(wěn)態(tài)過電流的額定電流至少必須維持在1.3 倍的有效值，并且也不得小于上述的數(shù)值限制。而針對電容器則必須進行更全面的有效保護，因此應(yīng)該把其限制在標稱額定電流的1.5 倍或2 倍左右，并以其作為有效保護的限值。另外，所有保護動作都必須間隔在1 s 左右，以實現(xiàn)全過程覆蓋。如果若將其換算為20 ℃，則可表述為基準值，其轉(zhuǎn)換公式為C20=Cx×[（-4×10-4）×1-（x-20）]。保護整定所使用的靈敏度比率最低必須是2，或超過3 倍或5 倍的額定電流。在瞬態(tài)狀態(tài)當中，充電的輸入電流會對電容器產(chǎn)生危害。這種背景下，電力工作人員需要將其管控在0.1～0.2 s 設(shè)定動作時限內(nèi)[3]。電流電壓表測試法如圖1所示。

圖1 電流/電壓表測試法

3.1.3 電壓保護

從設(shè)備類型方面考慮，電壓保護器可以分成欠壓保護和過壓保護2 類。過壓保護目的是為了確保并聯(lián)電容器裝置時刻處在平衡工作狀態(tài)當中，并避免電容器組在運行中電壓波動過大。這意味著電容器系統(tǒng)可以顯示內(nèi)部過電壓在許多情況下，包括諧波共振和輕負荷運行。所以如果在供電系統(tǒng)上連接有電容器裝置，則將會引起頻率變化很大的諧波諧振現(xiàn)象，而電容器內(nèi)部電壓分配也將因此改變而導致電容器端電壓增高的內(nèi)部過電壓。當電容器裝置在過高電壓下工作時，由于其內(nèi)部游離電壓增大，就能夠引起局部充放電現(xiàn)象，使介質(zhì)的損失增加，局部電壓過流，從而進一步發(fā)展到內(nèi)部絕緣擊穿。另外，一旦并聯(lián)電容器組表現(xiàn)為內(nèi)部設(shè)備故障，就可以修改電容器組自身的容抗，而從中可以發(fā)現(xiàn)，過電壓也會直接導致迅速增加的極端電壓。

除過電壓保護之外，欠電壓保護器本身也組成了保護整定的重要組成部分。實際工作中，系統(tǒng)在外界的各種因素影響下可能會出現(xiàn)停電故障，但之后的電力系統(tǒng)將會在最短時間內(nèi)恢復正常輸電功能，而此時裝設(shè)于電網(wǎng)內(nèi)的并聯(lián)電容器將無法同步工作切斷。受這些情況的影響，帶電容的系統(tǒng)變壓器就會發(fā)生合閘，從而導致了過浪涌諧振的產(chǎn)生。而如果發(fā)生這些故障，將可能損害電容及整個系統(tǒng)變壓器。在該裝置失壓時，由于母線與電容之間仍處在連通狀態(tài)，所以殘存于電容中的電壓將會損害電容本體。而此時如果將電網(wǎng)重新供電，則仍處于合閘運行狀態(tài)中的電容也將會發(fā)生破壞。在這個背景下，電力工作人員可用原設(shè)計額定電壓的0.2～0.5 倍為整定值。

3.1.4 橋差不平衡電流保護

在電容器裝置內(nèi)部，當出現(xiàn)電容元件失效問題時，與之相連的內(nèi)部保險絲會突然熔斷。在這種情況下，電源工作人員必須當機立斷對故障部件予以隔離。這時，系統(tǒng)中會出現(xiàn)不平衡的橋臂電流差。所以，除了出現(xiàn)失效問題的元件，其他部件都受分壓變化的影響，都可能形成強大的過電壓。出現(xiàn)故障時，元件本身電壓容量也會隨之出現(xiàn)變化，造成不平衡電壓增加的問題。所以，依據(jù)國家現(xiàn)行標準，在設(shè)置額定電壓時，應(yīng)將其高于1.3 倍以上的過電壓倍數(shù)。當采用橋式差動電流保護時，在設(shè)置過程中整定值至少與過電壓值的1.25 倍對應(yīng)，確保不會出現(xiàn)某一個環(huán)節(jié)元件出現(xiàn)故障問題。當所設(shè)置的平衡電壓值高于標準值時，保護裝置則會啟動，進而經(jīng)歷短時延遲，控制系統(tǒng)就會停機[4]。

3.2 保護整定值

3.2.1 單臺電容量

電容器裝置即便處于正常工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)電容變化中的某些細微的不正常改變，則表示裝置上的熔絲管對電容器裝置造成了干擾，從而導致了裝置的失效。在這種狀態(tài)下，盡管設(shè)備仍然能夠處于正常工作狀態(tài)，但是其中的更多設(shè)備也可能會受到干擾，所以必須充分確定裝置正常工作狀態(tài)中的電容率改變，因此國內(nèi)有關(guān)文獻中明確標明的電容偏差值必須控制在3%～5%的變化范圍內(nèi)。而針對特殊的模型，將單臺裝置的保護整定值可以分為基準值和警告值2 個方面，因此，對于經(jīng)過實際得到的基準值也可以做一定的折算處理，將其折算為20 ℃的值，而在這里面一般都要考慮到電容變形率和工作溫度間的正反比關(guān)系。而針對報警值來說，計算的依據(jù)就是接頭形式和熔絲形式，在此情況下也可以獲取相對精確的整定數(shù)值[5]。技術(shù)者應(yīng)根據(jù)設(shè)備所處的實際情況來區(qū)分不同等級的報警等級，依托于故障程度來確定是不是需要斷開斷路器。

3.2.2 放電線圈

高壓并聯(lián)電容器在大部分情形下，電容放電線圈都和電容產(chǎn)生并聯(lián)關(guān)系，并安裝在絕緣隔離框上。為及時監(jiān)測設(shè)備情況，應(yīng)將電池放電線圈安裝至系統(tǒng)某個部位，確保監(jiān)測的實時性。

但在實際工作流程中，許多電容器裝置卻不能保護放電線圈，特別是在橋差保護中，因此產(chǎn)生運行問題。例如，互層短路、匝間短路等典型問題。如果監(jiān)測無法滿足實時性的要求，則可能引發(fā)放電線圈炸裂的問題。近年來，不少變壓器上也已經(jīng)出現(xiàn)了放電線圈的爆炸情況，為此需要加以注意。而如果放電線圈上具有二次繞組，則其就可以用作電壓監(jiān)測裝置，其問題就是，在設(shè)備工作過程中，如果電容器發(fā)生了事故或是放電線圈發(fā)生了問題，與其相關(guān)的二次電壓就會明顯發(fā)生變化，而有關(guān)技術(shù)人員對這一情況如果能進行準確監(jiān)測，則就可以準確判斷不同時期的設(shè)備工作實效性情況。對專用保護方法而言，關(guān)于放電線圈的保護整定值可以分為基線值和警告值2 個組成部分，對前者而言，是依據(jù)母線上電壓所表現(xiàn)出的PT 電壓，進而監(jiān)測放電線圈；對后者而言，用變比變化對警報閾值加以控制，通常情況下變化為±1%～±1.5%，但如果放電線圈或二次繞組中的電壓變化超過了±2%時，就可能產(chǎn)生警報。而在此情況中，警報閾值也可能被預先設(shè)置與變化，而控制系統(tǒng)就會自動地把所有的信息都加以保存，為后續(xù)相關(guān)監(jiān)測工作提供可靠信息數(shù)據(jù)支持。

3.2.3 三相不平衡

在實際運行過程中，有關(guān)人員都必須要檢查電容器的質(zhì)量，并利用這個方法來確定電容器所處的運行狀況。在上述的判斷步驟中，三相不平衡如果超過了一定范圍，即可作為輔助性手段對設(shè)備運行情況予以評估。工作者必須定期檢查，及時上傳三相不平衡相關(guān)信息，并將其作為設(shè)備運行情況的一項重要參照，從而準確評估實時性的設(shè)備工作效果。出現(xiàn)特殊現(xiàn)象后，一旦察覺到有異樣，就有必要進行全面的精確測量，運用綜合監(jiān)測手段，防止出現(xiàn)事故[6]。相關(guān)工作人員需要在此狀態(tài)下對數(shù)據(jù)進行記錄并找到故障的根本原因。

4 結(jié)束語

高壓并聯(lián)電容器繼電保護問題是值得供電企業(yè)所關(guān)心的焦點，但是，傳統(tǒng)的保護方式在實際應(yīng)用中存在一些不足之處，已經(jīng)無法實現(xiàn)有效對電容器加以保護的目的，同時還可能導致其出現(xiàn)故障，進而對社會的安全產(chǎn)生危害，所以采用特殊的整定方式，監(jiān)測單臺電容器及放電線圈工作情況，還可進行事故警示和運行開關(guān)動作，降低不同時期的運行成本，同時還提高了運行實效，有效保障電容器組安全運行。