張 博，楊新增，周 勇

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2.濮陽供電公司，河南 濮陽457000)

0 引言

電力電容器依其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、安全可靠等優(yōu)點，已成為電力系統(tǒng)無功補償技術(shù)中的一種有效措施，為提高電壓質(zhì)量和降低電網(wǎng)損耗起到了十分重要的作用.根據(jù)補償容量的不同，無功補償電容器組通常由多只電容器并聯(lián)構(gòu)成，在每只電容器上都裝有單獨的熔斷器(俗稱保險)作為電容器的過電流保護，這是一種既經(jīng)濟、又可靠的保護方法，因此得到了廣泛的應(yīng)用.實踐證明，只要電容器與熔斷器的參數(shù)配合得當(dāng)，熔斷器就能夠迅速將故障電容器切除，避免電容器的油箱發(fā)生爆炸［1］.但是，如果參數(shù)配合不當(dāng)，就有可能引起電容器的熔斷器在很短的時間里一只接一只的熔斷，這種現(xiàn)象稱為電容器的熔斷器“群爆”［2］.近年來，無功補償電容器的熔斷器群爆時有發(fā)生.筆者以河南某110 kV變電站為例，對無功補償電容器的熔斷器群爆過程進行分析，并針對該補償裝置在參數(shù)選擇和保護配置上存在的問題提出對應(yīng)的整改意見.

1 熔斷器的安秒特性

熔斷器是串聯(lián)在電容器回路中的一個薄弱的導(dǎo)電環(huán)節(jié)，當(dāng)電容器內(nèi)部或外部發(fā)生短路時，熔斷器中的熔絲因發(fā)熱而熔斷，從而切除故障的電容器，使其它電氣設(shè)備得到保護.顯然，電流越大，熔絲的熔斷時間越短，因此，這種保護呈反時限特性.實測可知，熔斷器的熔斷時間t與流過熔斷器的電流I的平方成反比，兩者之間的關(guān)系稱為熔斷器的安秒特性，也稱為熔斷器的保護特性［3］，該特性曲線如圖1所示.

圖1 熔斷器的安秒特性Fig.1 Ampere-second characteristics of fuse

熔斷器的安秒特性主要取決于熔絲材料的電氣特性和熱蠕變特性，除此之外，外彈簧作用力也會對熔斷器的安秒特性產(chǎn)生影響.

當(dāng)電容器發(fā)生故障時，為了避免事故擴大，總是要求熔絲能準(zhǔn)確、及時地將故障電容器從系統(tǒng)中切除.與此同時還要求熔絲具有抗涌流(保證在電容器合閘時不誤動)、低溫升、低功耗、不重燃等電氣性能.從熔絲的機械性能上講，還應(yīng)該具有抗拉強度高、熱蠕變小、溫度敏感性高等特性［4］.

2 熔斷器群爆過程分析

2009年12月21日20點25分，河南某110 kV變電站無功補償裝置的A相4只電容器的熔斷器全部熔斷，現(xiàn)場照片如圖2所示.

該變電站的無功補償裝置容量為2×4.8 Mvar，單只電容器的容量為0.4 Mvar，每組共有12只，額定電壓為6.35 kV，額定電流為63 A.計算可得，單只電容器的容抗為100.8Ω.每相有4只電容器并聯(lián)，并聯(lián)后的容抗為25.2Ω.此外，每相還配有1.5Ω的串聯(lián)電抗，星型接線，中性點不接地.為避免電容器內(nèi)部故障或電容器的引出線短路對系統(tǒng)造成影響，每只電容器上都串有80 A的熔斷器(FU)，其原理接線如圖3示.

在選擇電容器熔斷器的額定電流時，應(yīng)該保證當(dāng)電網(wǎng)電壓升高和電壓波形畸變引起電容器回路電流增大或電容器出現(xiàn)合閘涌流時，熔斷器不會誤熔斷.因此，在《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》(GB 50062—92)中給出了明確的規(guī)定，電容器熔斷器的額定電流應(yīng)選為電容器額定電流的1.5～2.0倍.即便是按照最小的倍數(shù)計算，熔斷器的額定電流也應(yīng)該大于94.5 A(1.5*63 A).顯然，該補償裝置的電容器選用80 A的熔斷器有些偏小.因此，當(dāng)出現(xiàn)某一相電壓偏高(電壓不對稱)、電容器中的諧波電流增大(諧波放大)、電容器內(nèi)部元件損壞或熔絲的特性發(fā)生變化(氧化或高溫)時，熔斷器中的熔絲都有可能熔斷.

以A相為例，當(dāng)發(fā)生電容器的熔斷器熔斷后，補償裝置的三相將不再對稱，XCA＞XCB，XCB=XCC，對應(yīng)的等值電路如圖4所示.

圖4 補償裝置的等值電路Fig.4 Equivalent circuit of compensation device

由于電容器的中性點不接地，當(dāng)三相支路參數(shù)不對稱時，必然會引起中性點電位偏移，利用節(jié)點電流法可求得電容器中性點的對地電壓UN’N為［5］

式中:YA、YB、YC為補償裝置的三相導(dǎo)納，YA=1/(XCA-XL)，YB=1/(XCB-XL)，YC=1/(XCC-XL).由式(1)可得:

考慮到三相電源的電壓基本對稱，則有:

計及 YA＜YB，YB=YC，由式(2)和式(3)得:

由式(4)可知，當(dāng)A相發(fā)生電容器的熔斷器熔斷后，UAN'將會升高.因此，剩余的電容器中的電流也將會增大.進一步的分析可知，另外兩相電容器中的電流將會減小.

當(dāng)A相有一只電容器的熔斷器熔斷后，剩下三只電容器并聯(lián)后的容抗為33.6Ω，當(dāng)線電壓達到10.8 kV時(由變電站運行記錄查得)，可求得UAN'=6.825 kV，電容器兩端的電壓為7.15 kV，已接近電容器額定電壓的1.13倍，超過了電容器允許的長期運行電壓.對應(yīng)的A相電流為212.8 A，每只電容器的電流為70.93 A，已接近于熔斷器的額定電流(80 A).還有一點需要注意，在熔斷器斷開電流的瞬間，由于電容電流的跳變，在電容器回路中的串聯(lián)電抗上還會產(chǎn)生過電壓［6］，根據(jù)不同的回路參數(shù)和不同的斷開時刻，串聯(lián)電抗上的過電壓程度也各不相同，嚴(yán)重時會達到額定電壓的數(shù)倍，這就有可能導(dǎo)致電容器或電抗器絕緣擊穿，進而引起第二只熔斷器熔斷.

一旦發(fā)生第二只熔斷器熔斷，A相就只有兩只電容器并聯(lián)，其容抗將增加到50.4Ω，仍按線電壓為10.8 kV計算，可求得A相電容器的電流為153.9 A，每只電容器的電流為76.95 A，電容器兩端的電壓為7.76 kV，該電壓已達到電容器額定電壓的1.22倍，將導(dǎo)致剩下的兩只電容器的熔斷器相繼熔斷，這個過程有可能在幾秒之內(nèi)就完成了.

3 結(jié)論及改進意見

變電站的無功補償裝置發(fā)生電容器的熔斷器群爆的原因有以下幾個方面:

(1)熔斷器的額定電流(80 A)選得偏小，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蛉劢z的特性發(fā)生變化時，熔斷器中的熔絲就有可能熔斷，建議增加熔斷器的額定電流;

(2)電容器的額定電壓(6.35 kV)選得偏低，由于回路中串有感抗為1.5Ω的電抗，當(dāng)系統(tǒng)電壓偏高時，電容器上的實際電壓就很容易超過額定電壓的1.1倍，建議更換電容器，提高電容器的額定電壓;

(3)單只電容器的容量選得偏大，當(dāng)某一相的某一只熔斷器熔斷后，剩余的電容器容抗增大，導(dǎo)致中性點電位偏移，故障相電壓升高，從而引發(fā)熔斷器群爆，建議減小單只電容器的容量，也即增加每一相并聯(lián)電容器的臺數(shù);

(4)電容器過電壓保護沒有起到作用，其原因在于該保護的整定值(Udz=115 V，tdz=0.5 s)偏高，再加上該保護檢測的電壓是母線PT的線電壓，而不是每相電容器的實際電壓，所以不能反應(yīng)電容器的過電壓.為了更準(zhǔn)確地反映電容器的這種不對稱故障，建議加裝電容器零序過電壓保護，直接從電容器放電PT的開口三角形處引入測量電壓，將保護的動作電壓整定在30 V以下，以便保證保護有足夠的靈敏度.

根據(jù)以上建議，檢修部門更換了電容器和熔斷器，并對電容器的保護做了改進.整改后的電容器于2010年3月10日投入運行，截止目前，整套補償裝置運行正常，再也沒有發(fā)生熔斷器群爆.

［1］ 孔飄紅，韓雪蓮，李芳.電容器組群爆的故障分析與運行建議［J］.電力電容器與無功補償，2010，31(6):43-47.

［2］ 丁毓山.無功補償崗位培訓(xùn)教材［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［3］ 周國良.高壓并聯(lián)電容器保護用外熔斷器試驗研究［J］.電力電容器與無功補償，2008，29(6):24-28.

［4］ 孔祥其.單臺并聯(lián)電力電容器外保護熔斷器的安秒特性與外彈簧作用力的關(guān)系研究［J］.電力電容器，2005，26(2):22-25.

［5］ 邱關(guān)源.電路［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［6］ 胡海安.運行中發(fā)生電容器組熔斷器全爆的故障分析［J］.電力電容器與無功補償，2009，30(4):55-58.