鄒振球

（日新電機(jī)（無(wú)錫）有限公司，江蘇無(wú)錫 214112）

并聯(lián)電容器在使用過程中，過電壓產(chǎn)生、保護(hù)配置不科學(xué)，均是導(dǎo)致故障產(chǎn)生的原因。為此，可通過保護(hù)配置優(yōu)化，及時(shí)檢測(cè)并防控電容器故障問題。為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，并聯(lián)電容器裝置應(yīng)做好并聯(lián)電容器各部件的合理接線并配備科學(xué)的保護(hù)配置，通過電容器裝置統(tǒng)一性及可靠性提升，降低事故概率，并有效降低產(chǎn)生的危害。

1 配電網(wǎng)中并聯(lián)電容器應(yīng)用現(xiàn)狀

并聯(lián)電容器裝置應(yīng)用中出現(xiàn)的問題有外熔斷器及內(nèi)熔絲混用，導(dǎo)致電容器繼電保護(hù)整定值計(jì)算誤差較大。保護(hù)選型或選型計(jì)算時(shí)存在選擇哪種公式的問題。對(duì)并聯(lián)電容器的保護(hù)成效會(huì)受到一定影響。

2 高壓并聯(lián)電容器各元件接線要求

并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)包含避雷器、放電線圈及電容器等多個(gè)元件，在并聯(lián)電容器中接入各個(gè)元件時(shí)，要把控好接線方法，做到正確，布線合理。

2.1 電容器接線

應(yīng)以系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為依據(jù)確定電容器組容量大小。布設(shè)時(shí)，要求電容器額定電壓具備運(yùn)行時(shí)工頻過電壓承受能力，具體數(shù)值應(yīng)不超過電容器額定電壓的110%。有限流電抗器串聯(lián)在電容器回路上時(shí)，與電網(wǎng)接入端電壓相比，電容器兩側(cè)電壓值會(huì)顯著提高，這是由于電抗率選擇時(shí)，未能以電容器額定電壓作為計(jì)算依據(jù)所致。為此，多段串聯(lián)電容器組接線時(shí)，需要根據(jù)電容器組額定相電壓與串聯(lián)段數(shù)的比值計(jì)算電容器額定電壓，進(jìn)而以此為依據(jù)確定具體的電抗率。單臺(tái)電容器容量計(jì)算時(shí)，除了電容器組總?cè)萘恳约按?lián)段數(shù)以外，還需要將可并聯(lián)接入的電容器總量納入考量。有電抗器串聯(lián)在電容器組上時(shí)，需要利用電容器組及電抗器額定容量的差值，求出電容器組的總輸出容量值。

2.2 串聯(lián)電抗接線

串聯(lián)電抗器的作用是對(duì)充電涌流、諧波產(chǎn)生一定的抑制作用，若電容器額定電流不足充電時(shí)涌流的5%，則串聯(lián)電抗接線時(shí)，電抗率應(yīng)高于0.1%，但不可超過1%，以此有效抑制充電涌流。而諧波電流控制時(shí)，若接入電網(wǎng)的諧波不小于5，則應(yīng)將電抗率的取值設(shè)定為4.5%～5%。而在電網(wǎng)諧波≥3次以上時(shí)，電抗率應(yīng)以12%為宜。通常情況下，電抗器額定電流應(yīng)不小于電容器額定電流，可按照應(yīng)用場(chǎng)合的不同選用空芯或鐵芯（又分為干式鐵芯，油浸鐵芯）兩種類型電抗器。在合閘涌流限制、諧波電流抑制時(shí)，串聯(lián)電抗器需安裝于電源側(cè)。安裝在中性點(diǎn)側(cè)，電抗器不會(huì)承受過高的電壓，且可減少短路電流產(chǎn)生的沖擊力，有利于規(guī)避安全事故，可保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，同時(shí)也可節(jié)約電抗器安裝成本。

2.3 其他元件接線

放電線圈接線時(shí)，合閘過程中若是有剩余電荷存在，可能導(dǎo)致過電壓產(chǎn)生，為防止這一現(xiàn)象，要確保電容器組與電源分離后，放電線圈具備快速降低電壓的能力，即電容器上的電壓需在5 s 時(shí)間內(nèi)降低至50 V 以內(nèi)，此外，為保障放電線圈接線的安全性，放電器回路中，不可接入保護(hù)熔斷器，也不可連接刀開關(guān)。同時(shí)，為避免電容器組操作過程中有過電壓形成，接入避雷器時(shí)所選器型應(yīng)選用金屬氧化型避雷器，其中以氧化鋅避雷器為最佳。

3 高壓并聯(lián)電容器的保護(hù)方式篩選

3.1 保護(hù)方式類型

高壓并聯(lián)電容器運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部元件故障發(fā)生率較高，并且極間短路故障也較為常見，此外還可能出現(xiàn)外殼短路故障。目前，電容器內(nèi)部故障應(yīng)以內(nèi)熔絲保護(hù)為主，而應(yīng)將繼電保護(hù)作為后備保護(hù)。由于以往以熔斷器保護(hù)為主的保護(hù)方式雖能快速完成故障切除，但其存在拒動(dòng)、誤動(dòng)或群爆的隱患，若以之作為電容器內(nèi)部故障主保護(hù)可能會(huì)出現(xiàn)可靠性不足的問題。為防止此問題出現(xiàn)，可通過應(yīng)用斷電保護(hù)方式增強(qiáng)故障主保護(hù)的可靠性。

3.2 幾種常用的繼電保護(hù)方式

利用繼電保護(hù)方式時(shí)，一旦某個(gè)電容器出現(xiàn)故障，其電容值會(huì)發(fā)生改變，因而故障電容及正常電容間的電壓值會(huì)高低不等，且電壓也各不一致，由于電流及電壓差值存在會(huì)引發(fā)保護(hù)操作，因而繼電保護(hù)屬于不平衡保護(hù)方式，保護(hù)時(shí)需將整組電容器全部切除。利用繼電保護(hù)作為主保護(hù)方式時(shí)，主要是針對(duì)電容器組施加保護(hù)，且要確保電容器組三相平衡，不可出現(xiàn)缺臺(tái)運(yùn)行現(xiàn)象。繼電保護(hù)的整定以內(nèi)部元件故障率為依據(jù)，超過50%時(shí)方可實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。故障單元電容值越高時(shí)，單元總數(shù)越多時(shí)，繼電保護(hù)取樣信號(hào)越強(qiáng)。

3.2.1 開口三角零序電壓保護(hù)方式

高壓并聯(lián)電容器中，10 kV 容量6000 kvar 以下的電容器組多采用開口三角零序電壓保護(hù)方式，可通過放電線圈二次結(jié)成作為開口三角，利用兩條線將開口端電壓與保護(hù)裝置連接。此種接線方式具備很高的保護(hù)靈敏度。由于中性點(diǎn)不必接地，因而即便系統(tǒng)發(fā)生接地故障，也不會(huì)影響電容器組。但若是系統(tǒng)電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象時(shí)會(huì)對(duì)電容器組運(yùn)行帶來相應(yīng)影響。由于10 kV 電容器組所受對(duì)地電容不平衡影響并不大，因而此種保護(hù)方式在10 kV 電容器組中應(yīng)用較多。開口三角零序電壓保護(hù)接線圖詳見圖1所示。

圖1 開口三角零序電壓保護(hù)接線圖

3.2.2 電壓差動(dòng)保護(hù)方式

此種保護(hù)模式下，需利用電壓互感器測(cè)量電壓相至中性點(diǎn)之間的電壓變化情況。一旦電容器出現(xiàn)故障，此相會(huì)釋放對(duì)應(yīng)信號(hào)。通常在各相存在兩個(gè)串段的電容器組中應(yīng)用電壓差動(dòng)保護(hù)方式居多，此種保護(hù)方式下，電容器每一個(gè)串段連接一個(gè)一次線圈，而二次線圈連接時(shí)，則需采用差動(dòng)連接方式。在三相電壓高低不一時(shí)并聯(lián)電容器運(yùn)行不會(huì)受到影響，且單相接地故障出現(xiàn)后，電容器仍可正常工作。故障發(fā)生時(shí)可分相實(shí)施保護(hù)，且具備更高的保護(hù)靈敏度。若是兩個(gè)串段或多個(gè)電容器同時(shí)出現(xiàn)故障，則難以正常做出保護(hù)動(dòng)作。這是此種保護(hù)方式的缺陷所在。此種保護(hù)方式主要應(yīng)用于等級(jí)為10 kV 容量6000 kvar 以上及35 kV 容量20000 kvar 以下，且有專用放電線圈的并聯(lián)電容器保護(hù)中。

3.2.3 中性線不平衡電流/電壓保護(hù)方式

此種保護(hù)方式應(yīng)用下，通常采用不接地星形方法連接電容器，可設(shè)置兩個(gè)容量不一的星形，且在二者之間接入一個(gè)用于檢測(cè)電流值變化的互感器，由于二者容量不同，電流會(huì)發(fā)生流動(dòng)，且流動(dòng)范圍始終在兩星形中間范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)是否平衡不會(huì)對(duì)此種保護(hù)方式產(chǎn)生影響，且對(duì)諧波的敏感度不強(qiáng)。電容器設(shè)有內(nèi)熔絲時(shí)可應(yīng)用此種保護(hù)方式，且計(jì)算用于檢測(cè)電流的互感器額定數(shù)值時(shí)，應(yīng)將系統(tǒng)電壓的具體等級(jí)納入考量。其中一個(gè)電容器因短路而被擊穿時(shí)，若各相僅有一個(gè)串段，會(huì)因高頻放電電流流經(jīng)電流互感器而導(dǎo)致其被毀壞。圖2為采用中性線不平衡電流保護(hù)方式的接線方法。

圖2 中性線不平衡電流保護(hù)方式接線圖

3.2.4 橋式差流保護(hù)

高壓并聯(lián)電容器組的各個(gè)相均應(yīng)按照兩臂式連接，將電流互感器接入到兩臂中點(diǎn)或與中點(diǎn)相接近位置處，各處出現(xiàn)故障，均會(huì)導(dǎo)致不均衡電流在電流互感器處經(jīng)過。在多電容器組中此種繼電保護(hù)方式較為適用，可構(gòu)建三個(gè)獨(dú)立的保護(hù)區(qū)，并且相間電壓不平衡問題對(duì)橋式差流保護(hù)的影響較小。等級(jí)為35 kV 容量30000 kvar 以上66 kV 容量20000 kvar 以上。橋式差流保護(hù)如圖3所示。

圖3 橋式差流保護(hù)示意圖

4 配電網(wǎng)并聯(lián)電容器事故分析及保護(hù)方式優(yōu)化

4.1 外熔斷器應(yīng)用故障調(diào)查

某變電站35 kV 電容器組出現(xiàn)了故障，其中8號(hào)電容器合閘時(shí)出現(xiàn)零壓保護(hù)動(dòng)作彈跳，一個(gè)電容器瓷瓶折斷且C 相外熔器全部熔斷爆炸，母排有變形現(xiàn)象。此變電站共有八組35 kV 電容器組，各組均配備36臺(tái)電容器，采用的是單星型接電方式，電容器容量均為7200 kvar。故障發(fā)生前，該站35 kV 系統(tǒng)采用母線分段運(yùn)行模式，301母聯(lián)開關(guān)為熱備用狀態(tài)。

4.2 故障原因分析

通過調(diào)取裝置記錄故障波形圖，發(fā)現(xiàn)合閘過程中C 相電流一直處于零狀態(tài)，保護(hù)裝置錄波并無(wú)故障出現(xiàn)，確定合閘時(shí)C 相熔斷器全部熔斷，因而合閘時(shí)C相并無(wú)電流。經(jīng)母線電壓波形分析發(fā)現(xiàn)（圖4），三相過電壓均較高，特別是B 相過電壓幅值高于保護(hù)裝置記錄限值，而A 相及C 相分閘后存在相互反相脈沖，二者產(chǎn)生時(shí)間有11 ms，此時(shí)存在較高的重燃過電壓。因此可判定，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)過大、開關(guān)重新啟動(dòng)是電容器被擊穿的主要原因，在高值過電壓形成后，電容器內(nèi)部出現(xiàn)了極間短路。極間短路發(fā)生后，極間電壓升高，使一臺(tái)電容器被擊穿，故障電容器回路放電時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)沖擊電流，使無(wú)故障電容器外熔絲被熔斷，因沖擊電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了熔斷器的防爆炸限值，因而本工程中出現(xiàn)了熔斷器爆裂問題，且導(dǎo)致距離較近的母排受到高熱影響而發(fā)生了變形。工作人員查看運(yùn)行記錄時(shí)發(fā)現(xiàn)，斷路器兩次重燃時(shí)過電壓均較高，避雷器屬于正常動(dòng)作，三相動(dòng)作是否同時(shí)發(fā)生不能確定。

圖4 分閘時(shí)錄波圖

4.3 保護(hù)方式優(yōu)化分析

通過了解本次事故發(fā)生原因發(fā)現(xiàn)，熔斷器作為保護(hù)方式并不可靠，由于大電流電熔器外熔絲不具備良好的開斷性能，本電站應(yīng)淘汰熔斷器保護(hù)方法。同時(shí)，電容器組開關(guān)選型需要進(jìn)一步加強(qiáng)，應(yīng)選用具備良好電容電流開斷性能的斷路器，以防止開斷過程中出現(xiàn)開關(guān)重燃問題，進(jìn)而有效防止重燃時(shí)產(chǎn)生過電壓。

5 結(jié)束語(yǔ)

電容器組是由電容器、電抗器、外熔絲、保護(hù)二次設(shè)備等多個(gè)配套元件組合而成的，電容器組設(shè)備選型時(shí)要遵循科學(xué)性與合理性原則，做好設(shè)備保護(hù)配置優(yōu)化，以便從源頭上防止電容器組出現(xiàn)運(yùn)行事故。電容器組接線時(shí)，應(yīng)掌握各元件接線方法及要求。設(shè)備配置過程中，應(yīng)盡可能避免混合應(yīng)用內(nèi)熔絲及外熔斷器，同時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)諧波大小科學(xué)選擇電抗率，且結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況科學(xué)選用開口三角零序電壓保護(hù)、電壓差動(dòng)保護(hù)、中性線不平衡電流/電壓保護(hù)、橋式差流保護(hù)四種繼電保護(hù)方式，通過加大保護(hù)配置投入為電容器組的運(yùn)行安全提供保障。