陳偉，馬倩倩，陳智偉，蔡林

(1.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100192；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000;3.中國電力科學研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

1 并聯(lián)電容器裝置的運行可靠性

特高壓交流工程用的并聯(lián)電容器裝置設計安裝在變壓器的三次繞組側，起到補償系統(tǒng)無功功率和支撐電壓的作用，三次側系統(tǒng)標稱電壓是110 kV。目前已經(jīng)投運的特高壓交流工程中，絕大部分單組并聯(lián)電容器裝置的額定容量是240 Mvar，電容器單元型號為BAM6.08-556-1W(5%串抗率)和BAM6.56-556-1 W(12%串抗率)。并聯(lián)電容器裝置典型運行工況是高場強下運行，且分合閘頻繁操作，過電壓和涌流沖擊較多，因此，屬于故障率較高的電力設備。隨著特高壓交流輸電工程的不斷建設，越來越多的110 kV大容量并聯(lián)電容器裝置投入運行，低電壓等級并聯(lián)電容器裝置的年故障率為0.3%左右，這對于特高壓工程是不能接受的，必須進一步提升并聯(lián)電容器裝置的可靠性。

并聯(lián)電容器裝置保護根據(jù)保護對象可分為對單個電容器元件的保護，對多個電容器元件組成的單元保護，對多個電容器單元串并聯(lián)形成的電容器組保護和由多組電容器組組成的高壓大容量并聯(lián)電容器裝置保護[1-2]。其中，一般采用不平衡保護為主保護[3-4]。

用于并聯(lián)電容器組的不平衡保護的主流方式，分別是中性點不平衡電流保護和橋差不平衡電流保護、電壓差動保護、開口三角保護，根據(jù)電容器組容量大小和保護裝置的靈敏度等來選擇具體的保護方式。不平衡保護的整定原則有多種，但對于采用內熔絲保護的電容器單元和集合式高壓并聯(lián)電容器，一般采用故障電容器內完好元件的連續(xù)運行電壓不超過元件額定電壓的1.3倍。

特高壓交流工程用110 kV并聯(lián)電容器裝置的額定容量為240 Mvar，由于電容器單元串并聯(lián)數(shù)量多，試驗示范工程時認為單橋差不平衡保護不能滿足靈敏度和可靠性的要求[5-6]，因此采用可靠系數(shù)更高的雙塔雙橋結構不平衡保護方式。隨著電容器容差控制技術不斷提升，目前電容器組橋臂間的初始不平衡電容值可以控制在0.1%范圍內，不平衡保護的可靠系數(shù)得到了很大提升[7-8]，采用單橋差保護也具有一定的可行性，但是否滿足要求需要進行研究。如果可以采用單橋差保護，則保護的邏輯可以簡化，每組電容器可以減少3臺電流互感器，同時占地面積會有所減小。[9-10]

本文對特高壓交流工程用110 kV、240 Mvar并聯(lián)電容器組采用雙橋差與單橋差不平衡保護的整定值、可靠系數(shù)和靈敏度分別進行詳細的分析和計算，驗證采用單橋差不平衡保護的可行性。

2 橋差不平衡電流保護計算方法

橋式不平衡電流保護的原理如圖1所示[11]，圖中兩個對角接電源電壓U，另兩個對角接檢流計，設4個臂的阻抗分別為Z1、Z2、Z3和Z4。

電橋平衡的條件是Z1Z4=Z2Z3，電橋平衡時，電流互感器中無電流流過。

當4個臂為全膜電容器時，由于全膜電容器損耗很小，在用作橋式不平衡電流保護時可以忽略電阻分量，僅考慮電容，4個臂的電容值分別為C1、C2、C3和C4。則電橋平衡的條件是C1C4=C2C3。

圖1 橋式不平衡保護電路原理

只要某一個臂的電容器出現(xiàn)故障，電容發(fā)生變化，就使電橋不再平衡，電流互感器中流過電流，這就是橋式差電流的原理。

假設初始狀態(tài)C1=C2=C3=C4=C，IN?為電容器組額定相電流IN?=UωC，C3發(fā)生故障，電容值變?yōu)镃’=(1-η)C，其中η為橋臂間電容值的初始不平衡度，一般取值0.1%。流過各電容器的電流值分別為I1、I2、I3、I4，流過電流互感器的電流即不平衡電流I0，C1和C3上的電壓為U1，C2和C4上的電壓為U2，則：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)電路原理可以推導出橋式不平衡電流保護方式下，不平衡電流與故障電容器元件數(shù)之間的關系，如式(7)和式(8)所示：

(7)

(8)

式中：I0—不平衡電流；

k—內熔絲熔斷隔離電容器元件的數(shù)量；

M—單橋電容器單元并聯(lián)數(shù)；

N—單橋電容器單元串聯(lián)段數(shù)；

m—電容器單元中電容器元件并聯(lián)數(shù)；

n—電容器單元中電容器元件串聯(lián)段數(shù)；

Kv—電容器完好元件允許過電壓倍數(shù)。

繼電保護標準[12]規(guī)定，對于電容器，完好元件的連續(xù)運行電壓的限值是1.15倍額定電壓。在2010年以前，集合式電容器單臺容量較小，不平衡保護較易整定，在限值較低的情況下也可滿足需求。隨著單臺集合式電容器容量不斷增大，內單元連接方式也在更新，部分電容器增加了內熔絲保護，在這種情況下，使用1.15倍元件額定電壓下計算的整定值就會偏小，無法與固有不平衡輸出進行區(qū)別。另一方面，整定值過小有可能導致電容器過早退出運行，未能充分利用，尤其集合式電容器，一旦退出需整組退出，其維護工作量大，周期長，建議將完好元件額定電壓由1.15倍放寬到1.3倍，即Kv=1.3。

3 特高壓工程用110 kV并聯(lián)電容器組不平衡電流保護計算

特高壓工程用110 kV、240 Mvar并聯(lián)電容器組每相電容器單元12串12并，采用雙橋差不平衡電流保護，串橋結構，其接線原理如圖2所示[13]，圖中“A”為不平衡保護用電流互感器。這種串聯(lián)雙橋接線方式中兩個橋的不平衡電流是相互獨立的，可以分開單獨進行計算，對于接線相同的兩個串聯(lián)橋，只需要計算任一橋的不平衡電流即可。

圖2所示為平衡接線橋，即4個橋臂的電容值和接線方式均相同，這種橋的不平衡電流計算可以直接利用現(xiàn)有標準中的計算公式。雖然圖2采用了花式接線，即部分電容器單元之間采用了先串后并的結構，但對于平衡橋來說，花式接線對不平衡電流沒有影響。

圖2 雙橋差不平衡保護單相電容器組接線原理

電抗率對于不平衡保護計算沒有影響，以5%電抗率為例進行計算，BAM 6.08-556-1W電容器單元內部元件3串18并，即m=18，n=3，M=12，N=6，帶入式(8)進行計算得到k=5.85。

由此可見，當內熔絲熔斷并隔離故障電容器元件達到6個時，完好電容器元件的過電壓倍數(shù)將超過1.3倍，帶入式(7)進行計算，此時的不平衡電流I0為

I0=2.022×10-3INΦ

額定相電流INΦ為

同理可以算出，k取5時,

I0=1.602×10-3INφ=1.76 A

取電流互感器一次電流整定值I1為

為提高保護測量裝置的分辨率和精度，電流互感器的變比和測量精度應越小越好，實際工程中變比最小取到2∶1，因此，互感器二次側電流整定值I2為

即保護跳閘整定值IZD為

IZD=I2=0.995 A

保護靈敏系數(shù)KLM為

已知橋臂間電容值的初始不平衡度要求不超過0.1%，根據(jù)式(6)可以算出電流互感器一次初始不平衡電流IBP1為

則電流互感器二次初始不平衡電流IBP2為

不平衡保護的可靠系數(shù)KK為

(2)單橋差不平衡保護整定值計算

為了進行比較，對110 kV、240 Mvar并聯(lián)電容器裝置單橋差不平衡電流保護的整定值進行計算。計算方法同上，計算條件為m=18，n=3，M=12，N=12，帶入式(8)進行計算得到k=5.8。

由此可見，單橋結構仍然是當內熔絲熔斷并隔離故障電容器元件達到6個時，完好電容器元件的過電壓倍數(shù)將超過1.3倍，此時的不平衡電流I0為

I0=1.12×10-3INφ=1.232 A

同理可以算出，k取5時，此時的不平衡電流I0為

I0=0.867×10-3INQ=0.95 A。

比較計算結果可見，單橋結構的不平衡電流約為雙橋時的一半。取電流互感器一次電流整定值I1為

電流互感器變比仍取2∶1，則互感器二次側電流整定值I2為

即保護跳閘整定值IZD為

IZD=I2=0.546 A

保護靈敏系數(shù)KLM為

電流互感器二次初始不平衡電流不變，仍為0.137 5 A。則不平衡保護的可靠系數(shù)KK為

4 結 論

(1)在相同計算條件和過電壓水平下，單橋差和雙橋差不平衡保護均應在電容器單元內部有6根內熔絲熔斷并隔離故障電容器元件時發(fā)出動作信號。

(2)在保護靈敏系數(shù)相同的情況下，雙橋的不平衡電流輸出值約為單橋的兩倍，電容器橋臂初始不平衡導致的不平衡電流輸出相同，因此，雙橋的保護可靠系數(shù)約為單橋的兩倍。