冼 冀 程漢湘

（廣東工業(yè)大學，廣州 510006）

由于并聯(lián)電容器在改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量、降低電網(wǎng)線損、提高電網(wǎng)供電能力中發(fā)揮著重要作用，故并聯(lián)電容器普遍應用于變電站主變低壓側(cè)。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，大量的并聯(lián)電容器的投運，并聯(lián)電容器的保護逐漸暴露出了不少的問題，尤其是并聯(lián)電容器的開口三角電壓保護易頻繁動作跳閘。通過統(tǒng)計分析某地區(qū)電網(wǎng)的并聯(lián)電容器開口三角保護一年中的動作跳閘，僅39%的動作跳閘是由并聯(lián)電容器內(nèi)部故障而引發(fā)的，而61%動作跳閘均屬于誤動作，即并聯(lián)電容器本體內(nèi)部和保護裝置本身均沒有故障卻產(chǎn)生動作跳閘[1]。而并聯(lián)電容器開口三角電壓保護的初始不平衡恰是誘發(fā)其保護誤動作的主要因素。盡管國內(nèi)的電力行業(yè)標準DL/T 584-2007《3～110kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》已明確規(guī)定保護整定值的下限不得小于初始不平衡值的1.5倍，但在實際中由于開口三角電壓保護的初始不平衡值偏差大，導致保護整定值不準確，出現(xiàn)上述的誤動作現(xiàn)象。因此，初始不平衡值的準確分析和測量對并聯(lián)電容器的保護整定具有重要意義。本文對并聯(lián)電容器開口三角電壓保護初始不平衡的影響研究主要從電容不均衡、電源電壓不對稱平衡和放電線圈性能差別方面展開。

1 開口三角電壓保護原理

由于開口三角電壓保護接線簡單、元器件少、靈敏度較高[2]，因此，開口三角電壓保護在10kV的并聯(lián)電容器保護中廣泛應用。圖1為開口三角電壓保護的接線示意圖，在正常運行且不存在初始不平衡時，開口三角電壓值UP接近零；若并聯(lián)電容器運行過程中某相發(fā)生部分電容器擊穿故障時，并聯(lián)電容器的中性點將產(chǎn)生電壓偏移，使得由放電線圈TV構(gòu)成的電壓互感器二次側(cè)的開口三角電壓UP增大，當開口三角電壓UP大于并聯(lián)電容器的保護整定值時，開口三角電壓保護動作跳閘，切除整套并聯(lián)電容器與母線的連接。但在實際中，很難實現(xiàn)并聯(lián)電容器的開口三角保護在運行過程中不存初始不平衡，因而開口三角電壓UP也不接近零，故在保護整定時確保整定值的下限不得小于初始不平衡值的1.5倍，否則引發(fā)誤動作跳閘。而影響并聯(lián)電容器開口三角電壓保護初始不平衡的因素主要是電容的不均衡、電源電壓不對稱平衡和放電線圈的性能差別。

圖1 開口三角保護接線示意圖

2 開口三角電壓保護初始不平衡的影響

在正常運行且三相電源電壓平衡對稱時，相間電容值偏差的大小直接決定著開口三角電壓UP的大小，且開口三角電壓UP為并聯(lián)電容器中性點偏移電壓的3倍。同理，在三相電源電壓不對稱平衡且相間電容均衡運行時和在三相電源電壓不對稱平衡且相間電容不均衡運行時，也會產(chǎn)生起始不平衡電壓。此外，由于三相放電線圈的比差、角差、伏安特性等會存在一定的偏差，形成類似三相電源電壓不平衡的情況，也會產(chǎn)生起始不平衡電壓，但可以通過選用質(zhì)量符合標準且伏安特性相近的放電線圈一定程度的消除[3]。因此本文將重點分析電容不均衡、電源電壓不對稱平衡引發(fā)的初始不平衡的影響。

2.1 電容不均衡

設(shè)并聯(lián)電容器中性點偏移電壓為UNNˊ，三相電源電壓分別為UA、UB、UC，三相并聯(lián)電容器的導納分別為YA、YB、YC，其中UA=U∠0o、UB=U∠-120o、UC=U∠120o、YA=ωCA、YB=ωCB、YC=ωCC，U為相電壓幅值，CA、CB、CC為并聯(lián)電容器的容值，黑體字母表示相量。根據(jù)圖1開口三角保護接線示意圖和電路理論節(jié)點電壓法[3-4]，可得并聯(lián)電容器中性點偏移電壓UNNˊ的計算式（1）：

由圖1并聯(lián)電容器開口三角保護的接線示意圖可知，開口三角電壓UP為為并聯(lián)電容器中性點偏移電壓的3倍，則可得到式（2）：

并對式（2）進行化簡，得到式（3）

目前的標準規(guī)定，并聯(lián)電容器相間的容差不能超過2%。因此，以并聯(lián)電容器三相中的最小電容值C0為基準，則設(shè)CA=1.02C0，CB=CC=C0，并代入式（3）

由此可見，并聯(lián)電容器中的相間容值差即使在標準規(guī)定的范圍內(nèi)，但引起初始不平衡值基本達到了0.02U。根據(jù)上述并聯(lián)電容器間的容差條件，在PSCD/EMTDC中搭建模型進行了仿真驗證，并設(shè)定C0=37μF，U=8.231kV，經(jīng)仿真得UNNˊ=0.055kV，則UP=3UNNˊ=0.165 kV，而0.02U=0.1646kV，兩者數(shù)值基本相等，與理論值相吻合，仿真波形圖如圖2、圖3所示，文中的電源模型啟動時間均為0.05s，0.2s后方進入穩(wěn)態(tài)，故文中的穩(wěn)態(tài)波形均從0.2s開始。

圖2 三相電源電壓波形圖

圖3 中性點電壓UNNˊ偏移波形圖

2.2 電源電壓不對稱平衡

三相電源電壓不對稱平衡也是引發(fā)并聯(lián)電容器開口三角保護初始不平衡的一個主要因素，設(shè)并聯(lián)電容器不存在相間容差，即CA=CB=CC=C0，UA=1.01U∠0o，UB=U∠-119o，UC=U∠120o，并代入式（2）

從計算結(jié)果可知，三相電源電壓不對稱平衡產(chǎn)生明的初始不平衡值比較明顯，根據(jù)上述三相電源電壓不對稱平衡的條件，仿真中搭建模型中設(shè)定C0=37μF，U=8.231kV，仿真結(jié)果得UNNˊ=0.0731kV，則UP=3UNNˊ= 0.2193 kV，而0.0266U=0.2213kV，兩者結(jié)果基本相等，與理論值相一致，仿真波形圖如圖4、5所示。

圖4 三相電源電壓波形圖

圖5 中性點電壓UNNˊ偏移波形圖

2.3 電容和電源電壓同時不對稱

由上述的分析可知，單獨的并聯(lián)電容器相間存在容值差或三相電源電壓不對稱平衡均對并聯(lián)電容器開口三角電壓保護的初始不平衡產(chǎn)生了較大的影響。為此，將進一步分析并聯(lián)電容器相間容差和三相電源電壓不對稱平衡同時作用時，對并聯(lián)電容器開口三角電壓保護的初始不平衡的影響。設(shè)UA=1.01U∠0o，UB=U∠-119o，UC=U∠120o，CA=1.02C0，CB=CB=C0，并代入式（2）得

由計算結(jié)果可知，并聯(lián)電容器相間容差和三相電源電壓不對稱平衡共同作用時引發(fā)的初始不平衡要比它們單獨作用時更嚴重，仿真模型中設(shè)定C0=37μF，U=8.231kV，仿真結(jié)果得UNNˊ=0.128kV，則UP=3UNNˊ=0.384kV，而0.046U=0.378kV，與理論值相一致，圖6、圖7為仿真波形圖。

圖6 三相電源電壓波形圖

圖7 中性點電壓UNNˊ偏移波形圖

而放電線圈二次側(cè)的電壓則由上述的UP值除以放電線圈的變比即可得到。此外，若考慮與并聯(lián)電容器串聯(lián)的電抗器因素時，則上述的YA、YB、YC需要變成Yi=1/(XLi-XCi)，其中i代表三相電壓的A、B、C，XLi為與并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗器的感抗，XCi為并聯(lián)電容器的容抗，具體參考文獻[5]，其已作詳細分析，故在此不再敘述。

3 故障案例分析

某地區(qū)電網(wǎng)110kV變電站的10kV并聯(lián)電容器曾因保護整定值不合理且A相容值為B、C相的1.02倍而發(fā)生誤動作跳閘，具體如下：開口三角電壓保護接線方式，并聯(lián)電容器，每相2并，內(nèi)部2并4串，內(nèi)單元元件31并1串，電抗率6%，放電線圈電壓比0.1k V，保護整定值1.75V，投運的初始不平衡值0.63 V。根據(jù)上述的分析，考慮A相容值為B、C相的1.02倍時，以相電壓算得初始不平衡值0.58V，若再加上電網(wǎng)的三相電壓稍有不平衡，如UA=1.01U∠0o，UB=U∠-119o，UC=U∠120o，初始不平衡值便達到1.34V，而保護整定值卻為1.75V，故運行過程中易引發(fā)誤動作跳閘，經(jīng)將保護整定值重新整定為3.58V后，便沒發(fā)生誤動作跳閘。

4 結(jié)論

對并聯(lián)電容器開口三角電壓保護初始不平衡的影響研究，有助于進一步提高并聯(lián)電容器開口三角電壓保護整定的可靠性。本文主要從并聯(lián)電容器中的相間容值差、三相電源電壓不對稱平衡和三相放電線圈的性能差別進行了分析，并對并聯(lián)電容器中的相間容值差和三相電源電壓不對稱平衡引起的初始不平衡影響進行理論分析及仿真驗證，為提高實際的保護整定提供了重要參考，同時也為并聯(lián)電容器其它接線保護分析初始不平衡提供思路。

[1] 張霖. 10kV 并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護動作分析及探討[J].電力電容器與無功補償,2010,31(2):11-14.

[2] 倪彤輝.高壓并聯(lián)電容器保護配置研究[D].北京:華北電力大學,2008.

[3] 楊興昌,趙啟承,楊立川等.并聯(lián)電容器組保護起始不平衡值的估算[J].電力電容器與無功補償,2010,31(4): 30-34.

[4] 胡旌杰.電容器保護靈敏性與可靠性分析[D].南寧:廣西大學,2012.

[5] 姚成,聶書群.三相電壓不平衡對開口三角保護的影響[J]. 電力電容器與無功補償,2010,31(1):9-11.