并聯電容器組不平衡電壓保護動作原因分析

景寧 冉利利

摘 要 并聯電容器組在電力系統中應用非常廣泛，主要用于補償無功功率的不足，進而提高系統電壓質量，降低能量損耗，達到維持系統穩定運行的目的。不平衡電壓保護是電容器組內部故障的主要保護，其動作后需要及時檢查動作原因，以便盡快將故障電容器組投入運行。本文詳細介紹了不平衡電壓保護的原理，分析了不平衡電壓的產生原因，總結了引起不平衡電壓保護動作的故障類型并實際舉例說明，得出了相關結論，對電容器組的運行維護、故障查找判斷有一定的指導作用。

關鍵詞 電容器組 不平衡電壓保護 電容量

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0029-02

1 前言

電力系統中，通常在變電站的低壓側裝設電容器組，用來就地補償無功功率，提高系統電壓質量，降低電能傳輸損耗，保障系統穩定運行。電容補償裝置的安全運行對保障電力系統的供電質量與經濟效益將起到重要作用。并聯電容器組可以接成星形（包括雙星形），也可接成三角形。根據電路原理分析可知，同樣規格的電容器接成三角形時，其產生的無功功率是接成星形時的3倍，但每相電容器所承受的系統電壓也是接成星形連接時的3倍。在容量比較大的并聯電容器組中，小量高次諧波會產生較大的高次諧波電流，可能造成電容器組過負荷，因此可采取在每相電容器組中串接電抗器的方式來限制高次諧波電流。

并聯電容器組常見的故障以及不正常運行狀態有以下幾類：（1）并聯電容器組與開關之間的連接導線以及并聯電容器組內部連接導線之間的相間短路故障、導線與地之間的接地故障;（2）并聯電容器組內部的故障，即電容器組內部短路以及電容器組內部部分電容器故障;（3）并聯電容器組運行中的過負荷;（4）并聯電容器組運行中的過電壓;（5）并聯電容器組運行中的低電壓。本文重點探討電容器組內部故障時的主保護即不平衡電壓保護的原理及影響因素，并附以實際案例。

2 并聯電容器組的不平衡電壓保護

并聯電容器組的不平衡電壓保護是其主要保護，用來反映電容器組內部的各類故障。電力系統中，目前常用的不平衡保護類型有四種：第一種是相電壓差動保護，適用于串聯數量為兩段及以上的單星形電容器組;第二種是開口三角電壓保護，適用于單星形的電容器組;第三種為中性點不平衡電流保護，適用于雙星形電容器組;最后一種為橋式差電流保護，適用于每相可以連接成四個橋臂的單星形電容器組。

并聯電容器組不平衡電壓保護的原理，是把PT作為放電電阻時，其一次線圈與電容器并聯形成放電線圈，其二次線圈中的一套則接成開口三角接線，在開口處連接一只較低整定值的電壓繼電器。在系統正常運行時，所采得的三相電壓較為平衡，開口處電壓則為0V，當某一相電容器發生故障時，三相電壓不平衡，開口處就會出現零序電壓，不平衡電壓保護就是利用這個零序電壓值來啟動繼電器并接通跳閘回路，切除整組電容器，從而起到保護電容器組的目的，因此該保護也被稱為零序電壓保護。目前，在省內新建的110千伏變電站中普遍采用不平衡電壓保護保護電容器組[1]。

3 并聯電容器組不平衡電壓的產生原因

目前在甘肅電力系統中，110千伏及35千伏電壓等級的變電站，并聯電容器組不平衡保護基本全部采用開口三角電壓保護。由于系統中三相電源及負荷不可能完全對稱，所以在并聯電容器組正常運行時，其中性點電位不可能總為0V，會發生偏移，產生不平衡電壓的因素有以下幾個方面。

3.1 放電線圈自身性能差異產生不平衡電壓

并聯電容器組的放電線圈，將高壓并聯電容器連接至電力系統母線，可以確保電容器組從電力系統中切除后，電容器剩余電荷能夠快速釋放，從而有效防止并聯電容器組再次合閘時，由于電容器組仍殘留電荷而產生危及設備及人身安全的過電壓和過電流，保證檢修人員的安全。如果電容器組放電線圈性能（含伏安特性）差異較大，即使在一次系統電源及負荷完全平衡的情況下，二次側也會產生虛假的不平衡電壓，甚至會引起保護誤動。因此，應特別關注并聯電容器組放電線圈的選型，同一組電容器組應選用規格、參數一致的放電線圈。

3.2 系統電壓三相不對稱會產生不平衡電壓

計算可知，電力系統三相電壓幅值偏差2%、相位偏差1°時，其產生的不平衡電壓能夠達到并聯電容器組額定相電壓的6%左右。由此可見系統電壓對開口三角電壓的影響較大。同時，系統電壓中諧波含量也會對開口三角電壓幅值帶來影響，不過其影響比基波小得多。

3.3 并聯電容器組三相電容量不平衡產生不平衡電壓

當并聯電容器組的三相電容量值各不相同時，運行中將產生電壓不平衡現象，產生開口三角電壓。根據分壓原理可知，其電容值小的一相或某一串聯段將承受較高的系統電壓，各相電容值不平衡度越大，則各相電壓不平衡度隨之加大，開口三角電壓也越大。計算可得，若三相電容量不平衡偏差達到6%的額定電容量，也即各相電容量的最大值與最小值之比為1.06時，此時產生的不平衡電壓將達到6%的并聯電容器組額定相電壓[2]。

4 并聯電容器組不平衡電壓保護動作原因分析

4.1 并聯電容器組三相電容量不平衡或電容器組放電線圈參數不相同是不平衡電壓保護動作的主要原因

不平衡電壓保護是從放電線圈二次線圈獲取電壓，當電容組發生內部某一相發生故障時，三相電容量將不平衡，放電線圈二次電壓（也即開口三角電壓）增大，若達到保護定值將導致不平衡電壓保護動作，切除電容器組。導致電容器組三相電容量不平衡或放電線圈變比不一致的原因有以下兩點：

1.運行中AVC系統頻繁投切會使得電容器組產生的操作過電壓，可能損壞電容器組放電線圈，導致放電線圈匝間短路或擊穿，造成放電線圈參數性能發生變化。

2.由于大量電容器組并聯接于低壓不接地系統，運行過程中發生單相接地時，非故障相電壓將升高至線電壓，接地過電壓可能導致電容擊穿，造成三相電容量不平衡。

4.2 電容器安裝過程中，安裝工藝對不平衡電壓保護有較大影響

1.首先，接線端與母線鋁排的連接，要注意其對電容器組施加的應力。另外，各相電容器之間的連接大多是采用銅鉸線連接在一起的，而電容器組母線所采用的一般是鋁排，因此在其連接過程中，應采用銅鋁過渡接頭;否則，直接接到鋁排上，接頭會發熱，最終可能導致不平衡保護動作。在某站的電容器組運行過程中，曾發現在24h內，不平衡保護接連動作兩次，經檢查均是外熔絲熔斷，導致不平衡保護動作，在兩個熔斷的熔絲處檢查，均在連接母排的地方有過熱現象。對整臺電容器組停運后徹查的結果是，其施工過程對接線頭的壓接不實，導致運行過程中發熱，處理后電容器組運行正常[3]。

2.電容器在出廠制造過程中，各電容量很難完全一致。安裝過程中，假如不注意將電容量正偏差的電容器全部安裝于某一相，將會造成并聯電容器組各相電容量不平衡，進而產生不平衡電壓，若電容器組放電線圈參數（主要是變比）也存在偏差，剛好電容器的正偏差和放電線圈的正偏差碰到一起，可能耦合產生較大的不平衡電壓，甚至引起保護動作跳閘。

5 不平衡保護的幾個實際例證

1.110千伏某變電站10千伏161-1號電容器電壓不平衡保護頻繁動作，經檢修試驗人員逐相逐只進行電容量測試，發現A相電容器組中有一只電容器已被擊穿，電容量為0，更換同類型電容器后，投入電容器組，沒有再次跳閘。

2.110千伏某變電站10千伏163-3號電容器近半年不平衡電壓保護頻繁動作。檢查發現電容器中某只電容器外熔絲熔斷，電容器外熔絲接母排處有過熱痕跡，對電容器進行常規試驗檢查、保護傳動，判斷電容器組無故障，保護裝置能夠正確動作，導致電容器組跳閘的原因是電容器組施工中接頭壓接不實。

3.110千伏某變電站新投入164-4號電容器組，不平衡電壓保護動作，經檢查確有不平衡電壓，且超過保護定值不多。經試驗，電容器、放電線圈各項參數均合格，懷疑二者之間不匹配。隨后更換了放電線圈，檢查試驗合格后投入運行[4]。

4.110千伏某變電站10千伏161-1號 電容器組在投入過程中，不平衡電壓保護動作，不能正常投入運行，多次安排工作人員去檢查試驗，均未發現問題。隨后退出不平衡電壓保護出口壓板，用萬用表在不平衡電壓二次線處用檢測，發現在投入的一瞬間不平衡電壓數據偏大，達到保護定值，隨后不平衡電壓快速恢復正常，此時將保護功能壓板投入后，電容器組運行正常，沒有再次跳閘。按照整定計算規程及廠家提供計算說明書，對該電容器組不平衡電壓保護時間定值進行重新計算，并適當延長，運行至今再沒有發生不平衡電壓動作跳閘。

6 結論

1.不平衡電壓保護動作與設備生產質量、安裝工藝等直接相關。新安裝電容器組在剛投入運行中不平衡電壓保護動作發生時，應檢查二次回路接線是否有誤，定值設置是否符合規程要求，各相之間電容量是否平衡，各相放電線圈性能參數是否一致，電容器組與放電線圈配合是否正確。

2.電容器組在運行過程中，受系統電壓、頻繁操作等因素影響，性能發生變化。若運行中的電容器組不平衡電壓保護動作發生，應檢查保護裝置邏輯是否正確，開口三角電壓回路絕緣是否良好，各相電容量是否合格并與上次數據比對，放電線圈的變比是否發生變化。

參考文獻：

[1] 劉勛.電容器組不平衡保護動作原因分析[J].電力系統保護與控制，2009（37）：122-124.

[2] 張凱.電容器組不平衡保護動作原因分析[J].科技專論，2013（10）：239-240.

[3] 梁琮.并聯電容器組不平衡保護初始值的估算[J].電力電容器，2002（03）：1-3.

[4] 郭蘇鋒.電力電容器組不平衡電壓保護動作原因分析及故障診斷[J].電氣開關，2008（02）：83-86.