錢 潔，汪建敏，鐘文慧，李 俊，鄧 清，秦紀(jì)平

（國網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司，江西南昌 330029）

0 引言

雙星形接線電容器組作為無功補(bǔ)償設(shè)備在電網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用，電容器組中性線不平衡電流保護(hù)配置一般是根據(jù)系統(tǒng)潮流和穩(wěn)定研究結(jié)果給出基本參數(shù)，或者通過計(jì)算額定狀態(tài)下電壓、電流有效值對保護(hù)進(jìn)行整定，這種做法忽略了電容器本身的老化過程對其內(nèi)部元件電壓的影響，任何元件發(fā)生故障都將使其余元件上的電壓分布改變[1，2]，如保護(hù)未能及時(shí)動(dòng)作，可能造成部分電容器元件運(yùn)行電壓過高而加速絕緣劣化，導(dǎo)致連續(xù)性擊穿甚至爆炸事故的發(fā)生[3]。電容器組損壞的主要過程為：

1）電容器內(nèi)部單個(gè)元件損壞，內(nèi)熔絲熔斷，不平衡電流由小變大，保護(hù)未切除故障電容器；

2）電容器內(nèi)部其它元件過電壓倍數(shù)增加，元件損壞，不平衡電流繼續(xù)變大，保護(hù)未切除故障電容器；

3）多臺(tái)電容器內(nèi)部元件擊穿，最終導(dǎo)致原完好相電容器損壞，保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘。

本文通過分析電容器內(nèi)部元件故障引起的電壓分布變化，推導(dǎo)出中性線不平衡電流的計(jì)算公式，修正了雙星形接線電容器組中性線不平衡電流保護(hù)的整定值。

1 內(nèi)部元件故障后的電壓分布及不平衡電流整定計(jì)算

1.1 元件故障后的電壓分布計(jì)算

電容器的過電壓既與母線運(yùn)行電壓有關(guān)，也與電容器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)電壓不均勻分布有關(guān)[4]。無功補(bǔ)償電容器組由數(shù)只電容器并、串聯(lián)組成，每只電容器又由多個(gè)電容元件并、串聯(lián)構(gòu)成，電容器組內(nèi)的任何一個(gè)元件的故障都將使電壓在各電容元件上重新分布，給電容器組的正常運(yùn)行帶來安全隱患[5]，因此分析元件故障后過電壓分布有著重要意義。

某500 kV變電站的35 kV無功補(bǔ)償電容器組的雙星形接線方式如圖1所示。電容器組帶外熔斷器，每臂7并4串，型號(hào)為TBB22-35-50400/300Mr-2BLW，容量為50400kvar。電容器單元帶內(nèi)熔絲，接線形式為11并4串，型號(hào)為BAMr11/2-300-1W，容量為300 kvar。UA、UB、UC分別為35 kV系統(tǒng)相電壓。

當(dāng)系統(tǒng)35 kV三相平衡，且電容器組容量平衡時(shí)，電容器組中性點(diǎn)電位為零，流經(jīng)中性線的電流為零。如有電容器發(fā)生故障，則U0和I0均不為零。以電容器組A相單元①故障（圖1左圖標(biāo)注處）為例，假設(shè)單元內(nèi)元件電容值為c，電容器內(nèi)部單元②有k個(gè)元件因內(nèi)熔絲熔斷退出運(yùn)行，則左側(cè)星形中性點(diǎn)點(diǎn)位不為零。

圖1 35 k V電容器組雙星形接線圖及單元元件結(jié)構(gòu)圖

單元②（故障元件并聯(lián)段）的電容值為：

故障電容器完好串電容值為：

故障電容器的電容值為：

完好電容器的電容值為：

單元①（故障電容器并聯(lián)段）電容值為：

A相故障臂電容值為：

A相正常臂電容值為：

B、C相左右兩側(cè)正常臂電容值為都為C。

根據(jù)基爾霍夫電流定律：

A相故障臂過電壓倍數(shù)為：

單元②完好元件過壓倍數(shù)為：

單元①完好電容器元件過壓倍數(shù)為：

單元③（故障相A相）過電壓倍數(shù)為：

非故障相B相、C相過壓倍數(shù)為：

隨著故障元件數(shù)增多，單元②過電壓倍數(shù)越大，當(dāng)其超過一定數(shù)值時(shí)，為避免發(fā)生事故，保護(hù)必須動(dòng)作。

對于該變電站的電容器組，當(dāng)單只電容器內(nèi)部k（1≤k≤11）個(gè)并聯(lián)元件發(fā)生擊穿故障時(shí)，各點(diǎn)過電壓倍數(shù)隨k的變化如表1所示，當(dāng)k＝11時(shí)，即單元②所有元件熔絲熔斷，電容器單元完全故障，等同于外熔斷器熔斷。

表1 各點(diǎn)過電壓倍數(shù)隨k的變化

由表1可知，當(dāng)故障元件數(shù)1≤k≤11時(shí)，完好相B、C相電容器上的過壓倍數(shù)很小，低于1.1倍的長期允許工作過電壓水平。當(dāng)故障元件數(shù)k=4時(shí)，故障電容器內(nèi)部完好元件上的過電壓將超過其1.3倍的允許值，達(dá)到1.3947倍，此時(shí)為防止更多元件損壞，保護(hù)應(yīng)該動(dòng)作，使電容器組退出運(yùn)行并找到故障電容器，給予更換。

由表1中單元③過電壓變化可知，隨著元件故障數(shù)的增加，過電壓倍數(shù)減小，即流過故障電容器的電流減小，在內(nèi)熔絲熔斷數(shù)量不斷增加的情況下，不利于外熔斷器動(dòng)作，因此在不平衡電流整定計(jì)算時(shí)需區(qū)別對待。

1.2 不平衡電流計(jì)算

當(dāng)電容器內(nèi)部元件發(fā)生故障時(shí)，故障元件的內(nèi)熔絲熔斷，隔離故障元件。此時(shí)故障單元內(nèi)部的剩余完好元件由于分壓變化會(huì)產(chǎn)生過電壓，同時(shí)由于故障單元容量變化，中性線產(chǎn)生不平衡電流[6，7]。隨著故障元件數(shù)量的增加，剩余完好元件的過電壓倍數(shù)將會(huì)增加，不平衡電流也隨之增大。中性線不平衡電流保護(hù)的整定，對電容器故障的可靠切除起著決定作用[8，9]。

該500 kV變電站電容器單元采用內(nèi)熔絲和外熔斷器保護(hù)。其中內(nèi)熔絲主要起到隔離故障電容器內(nèi)部元件的作用，使得電容器組可以在一定程度內(nèi)帶故障運(yùn)行。外熔斷器主要起到隔離故障電容器單元，防止極-殼擊穿可能引發(fā)的極端短路故障[10，11]，因此需對兩種保護(hù)在故障電容器組使用時(shí)中性線不平衡電流的情況進(jìn)行分析。

1.2.1 內(nèi)熔絲保護(hù)

由表1知，當(dāng)k=4時(shí)，保護(hù)需動(dòng)作，此時(shí)h1=

1.2.2 熔斷器保護(hù)

電容器元件采用內(nèi)熔絲，元件損壞以后故障電容器單元的電容值減小，容抗增大，電流減小，不利于外熔斷器動(dòng)作。當(dāng)電容器單元內(nèi)部元件串聯(lián)段部分或全部擊穿時(shí)、單元內(nèi)部引線發(fā)生短路或電容器外部電路發(fā)生故障時(shí)，突發(fā)的故障電流使熔斷器迅速開斷，隔離故障。針對此種情況，要求1根外熔斷器動(dòng)作的時(shí)候，繼電保護(hù)就要?jiǎng)幼?。此時(shí)不平衡電流為：

1.3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上計(jì)算公式的正確性，利用PSCAD搭建了電容器組雙星形接線模型，如圖2所示。額定電壓為35 kV，頻率為50 Hz，正常臂電容值為55.825 m F。仿真步驟為：

0.5 s時(shí)刻斷開斷路器S1，模擬1個(gè)元件故障，k=1；1.1 s時(shí)刻斷開斷路器S2，模擬2個(gè)元件故障，k=2；1.7 s時(shí)刻斷開斷路器S3，模擬3個(gè)元件故障，k=3；2.3 s時(shí)刻斷開斷路器S4，模擬4個(gè)元件故障，k=4。

圖2 電容器組雙星形接線模型

故障時(shí)中性點(diǎn)電壓標(biāo)幺值和不平衡電流仿真結(jié)果如表2所示。比較表1和表2數(shù)據(jù)可知，理論計(jì)算結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果基本一致，說明了理論計(jì)算公式的正確性。

表2 單元②故障元件過電壓倍數(shù)和中性點(diǎn)不平衡電流PSCAD仿真計(jì)算結(jié)果

綜上所述，為使電容器組安全運(yùn)行，應(yīng)采用電容器內(nèi)熔絲保護(hù)，根據(jù)內(nèi)熔絲保護(hù)進(jìn)行繼電保護(hù)調(diào)整，從而確保電容器單元內(nèi)部元件損壞在一個(gè)小范圍內(nèi)，且完好元件過電壓符合要求，繼電保護(hù)動(dòng)作，杜絕更嚴(yán)重故障的發(fā)生。

2 結(jié)論

1）電容器任一元件熔絲熔斷都將引起非故障元件的過電壓，過電壓會(huì)影響電容器內(nèi)部元件的絕緣性能。對于35 kV結(jié)構(gòu)為7并4串、內(nèi)部為11并4串的雙星形接線電容器組，其內(nèi)部元件熔絲熔斷的數(shù)量不允許超過4個(gè)，否則繼電保護(hù)必須動(dòng)作。

2）為保證不平衡電流保護(hù)可靠動(dòng)作，其整定值應(yīng)設(shè)為0.154 A。

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