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        高壓并聯(lián)電容器的接線及保護方式的選擇

        2022-02-22 12:02:18鄒振球
        今日自動化 2022年12期
        關(guān)鍵詞:保護方式熔斷器電抗器

        鄒振球

        (日新電機(無錫)有限公司,江蘇無錫 214112)

        并聯(lián)電容器在使用過程中,過電壓產(chǎn)生、保護配置不科學(xué),均是導(dǎo)致故障產(chǎn)生的原因。為此,可通過保護配置優(yōu)化,及時檢測并防控電容器故障問題。為保障電網(wǎng)安全運行,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)致電容器繼電保護整定值計算誤差較大。保護選型或選型計算時存在選擇哪種公式的問題。對并聯(lián)電容器的保護成效會受到一定影響。

        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元件,在并聯(lián)電容器中接入各個元件時,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)計要求為依據(jù)確定電容器組容量大小。布設(shè)時,要求電容器額定電壓具備運行時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,與電網(wǎng)接入端電壓相比,電容器兩側(cè)電壓值會顯著提高,這是由于電抗率選擇時,未能以電容器額定電壓作為計算依據(jù)所致。為此,多段串聯(lián)電容器組接線時,需要根據(jù)電容器組額定相電壓與串聯(lián)段數(shù)的比值計算電容器額定電壓,進而以此為依據(jù)確定具體的電抗率。單臺電容器容量計算時,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,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涌流的5%,則串聯(lián)電抗接線時,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,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,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,串聯(lián)電抗器需安裝于電源側(cè)。安裝在中性點側(cè),電抗器不會承受過高的電壓,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)安全運行,同時也可節(jié)約電抗器安裝成本。

        2.3 其他元件接線

        放電線圈接線時,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,不可接入保護熔斷器,也不可連接刀開關(guān)。同時,為避免電容器組操作過程中有過電壓形成,接入避雷器時所選器型應(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)電容器的保護方式篩選

        3.1 保護方式類型

        高壓并聯(lián)電容器運行時,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)熔絲保護為主,而應(yīng)將繼電保護作為后備保護。由于以往以熔斷器保護為主的保護方式雖能快速完成故障切除,但其存在拒動、誤動或群爆的隱患,若以之作為電容器內(nèi)部故障主保護可能會出現(xiàn)可靠性不足的問題。為防止此問題出現(xiàn),可通過應(yīng)用斷電保護方式增強故障主保護的可靠性。

        3.2 幾種常用的繼電保護方式

        利用繼電保護方式時,一旦某個電容器出現(xiàn)故障,其電容值會發(fā)生改變,因而故障電容及正常電容間的電壓值會高低不等,且電壓也各不一致,由于電流及電壓差值存在會引發(fā)保護操作,因而繼電保護屬于不平衡保護方式,保護時需將整組電容器全部切除。利用繼電保護作為主保護方式時,主要是針對電容器組施加保護,且要確保電容器組三相平衡,不可出現(xiàn)缺臺運行現(xiàn)象。繼電保護的整定以內(nèi)部元件故障率為依據(jù),超過50%時方可實施保護動作。故障單元電容值越高時,單元總數(shù)越多時,繼電保護取樣信號越強。

        3.2.1 開口三角零序電壓保護方式

        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裝置連接。此種接線方式具備很高的保護靈敏度。由于中性點不必接地,因而即便系統(tǒng)發(fā)生接地故障,也不會影響電容器組。但若是系統(tǒng)電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象時會對電容器組運行帶來相應(yīng)影響。由于10 kV 電容器組所受對地電容不平衡影響并不大,因而此種保護方式在10 kV 電容器組中應(yīng)用較多。開口三角零序電壓保護接線圖詳見圖1所示。

        圖1 開口三角零序電壓保護接線圖

        3.2.2 電壓差動保護方式

        此種保護模式下,需利用電壓互感器測量電壓相至中性點之間的電壓變化情況。一旦電容器出現(xiàn)故障,此相會釋放對應(yīng)信號。通常在各相存在兩個串段的電容器組中應(yīng)用電壓差動保護方式居多,此種保護方式下,電容器每一個串段連接一個一次線圈,而二次線圈連接時,則需采用差動連接方式。在三相電壓高低不一時并聯(lián)電容器運行不會受到影響,且單相接地故障出現(xiàn)后,電容器仍可正常工作。故障發(fā)生時可分相實施保護,且具備更高的保護靈敏度。若是兩個串段或多個電容器同時出現(xiàn)故障,則難以正常做出保護動作。這是此種保護方式的缺陷所在。此種保護方式主要應(yīng)用于等級為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)電容器保護中。

        3.2.3 中性線不平衡電流/電壓保護方式

        此種保護方式應(yīng)用下,通常采用不接地星形方法連接電容器,可設(shè)置兩個容量不一的星形,且在二者之間接入一個用于檢測電流值變化的互感器,由于二者容量不同,電流會發(fā)生流動,且流動范圍始終在兩星形中間范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)是否平衡不會對此種保護方式產(chǎn)生影響,且對諧波的敏感度不強。電容器設(shè)有內(nèi)熔絲時可應(yīng)用此種保護方式,且計算用于檢測電流的互感器額定數(shù)值時,應(yīng)將系統(tǒng)電壓的具體等級納入考量。其中一個電容器因短路而被擊穿時,若各相僅有一個串段,會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方式的接線方法。

        圖2 中性線不平衡電流保護方式接線圖

        3.2.4 橋式差流保護

        高壓并聯(lián)電容器組的各個相均應(yīng)按照兩臂式連接,將電流互感器接入到兩臂中點或與中點相接近位置處,各處出現(xiàn)故障,均會導(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方式較為適用,可構(gòu)建三個獨立的保護區(qū),并且相間電壓不平衡問題對橋式差流保護的影響較小。等級為35 kV 容量30000 kvar 以上66 kV 容量20000 kvar 以上。橋式差流保護如圖3所示。

        圖3 橋式差流保護示意圖

        4 配電網(wǎng)并聯(lián)電容器事故分析及保護方式優(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號電容器合閘時出現(xiàn)零壓保護動作彈跳,一個電容器瓷瓶折斷且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),保護裝置錄波并無故障出現(xiàn),確定合閘時C 相熔斷器全部熔斷,因而合閘時C相并無電流。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)生時間有11 ms,此時存在較高的重燃過電壓。因此可判定,內(nèi)部場強過大、開關(guān)重新啟動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,使一臺電容器被擊穿,故障電容器回路放電時產(chǎn)生強沖擊電流,使無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。工作人員查看運行記錄時發(fā)現(xiàn),斷路器兩次重燃時過電壓均較高,避雷器屬于正常動作,三相動作是否同時發(fā)生不能確定。

        圖4 分閘時錄波圖

        4.3 保護方式優(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)淘汰熔斷器保護方法。同時,電容器組開關(guān)選型需要進一步加強,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,進而有效防止重燃時產(chǎn)生過電壓。

        5 結(jié)束語

        電容器組是由電容器、電抗器、外熔絲、保護二次設(shè)備等多個配套元件組合而成的,電容器組設(shè)備選型時要遵循科學(xué)性與合理性原則,做好設(shè)備保護配置優(yōu)化,以便從源頭上防止電容器組出現(xiàn)運行事故。電容器組接線時,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)實際情況科學(xué)選用開口三角零序電壓保護、電壓差動保護、中性線不平衡電流/電壓保護、橋式差流保護四種繼電保護方式,通過加大保護配置投入為電容器組的運行安全提供保障。

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