電力電容器組不平衡保護(hù)綜述

莊麗嬌

摘 要：科技日益進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，用戶(hù)用電對(duì)電能的要求也日益升高。其中，電壓質(zhì)量是很重要的一個(gè)方面，不單對(duì)用戶(hù)生產(chǎn)、生活、工作有重大影響，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也有著至關(guān)重要的作用。輸電線(xiàn)路在同等條件下，電壓越低傳輸?shù)碾娔芫驮叫?。因此，必須保證無(wú)功電源的供應(yīng)，即在變電站及用戶(hù)負(fù)荷處，將一定量的電容器串聯(lián)、并聯(lián)在一起，形成電容組，使其達(dá)到一定的容量、滿(mǎn)足一定的電壓要求，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功、調(diào)節(jié)該節(jié)點(diǎn)電壓。文章介紹電容器組主接線(xiàn)與不平衡保護(hù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)提出電容器組故障的查找方法。

關(guān)鍵詞：電力電容器；不平衡保護(hù)；接線(xiàn)方式

中圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）32-0131-02

科技日益進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，用戶(hù)用電對(duì)電能的要求也日益升高。不單是對(duì)電能數(shù)量的需求不斷增長(zhǎng)，其對(duì)電壓質(zhì)量要求也越來(lái)越高，即不單要有足夠的電能，還要有穩(wěn)定的電能——即電壓、頻率、波形需符合要求，才能保證用戶(hù)的用電設(shè)備持續(xù)保持最好的工作性能，從而保證工效效率。其中，電壓質(zhì)量是很重要的一個(gè)方面，不單對(duì)用戶(hù)生產(chǎn)、生活、工作有重大影響，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也有著至關(guān)重要的作用。

與電壓質(zhì)量息息相關(guān)的就是無(wú)功電源，無(wú)功不足，會(huì)使得系統(tǒng)的電壓幅值降低，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，電壓過(guò)低可能引起電壓崩潰，進(jìn)而使系統(tǒng)瓦解，造成負(fù)荷大幅流失；對(duì)單個(gè)元件而言，電壓的降低可能使其無(wú)法運(yùn)行在最佳工況，同時(shí)造成電能損耗增大，甚至可能損壞設(shè)備，同時(shí)輸電線(xiàn)路在同等條件下，電壓越低傳輸?shù)碾娔芫驮叫?。因此，必須保證無(wú)功電源的供應(yīng)。同時(shí)，為了確保電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與用戶(hù)的用電正常，又必須減小無(wú)功功率的流動(dòng)，因此，無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹瓌t是就地補(bǔ)償。即在變電站及用戶(hù)負(fù)荷處，將一定量的電容器串聯(lián)、并聯(lián)在一起，形成電容組，使其達(dá)到一定的容量、滿(mǎn)足一定的電壓要求，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功、調(diào)節(jié)該節(jié)點(diǎn)電壓。

1 電容器組接線(xiàn)方式的決定因素

電容器通常是將若干元件封裝在一鐵殼內(nèi)，構(gòu)成電容器單元，再由各單元先并后聯(lián)，封裝在鐵箱內(nèi)組成的。

當(dāng)電容器組所接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)、容量要求確定以后，接線(xiàn)方式的選擇則關(guān)系到了電容器組的安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。決定接線(xiàn)方式的主要因素包括以下幾個(gè)方面。

1.1 受耐爆容量限制

電容器組在運(yùn)行過(guò)程中，若其中某個(gè)電容器擊穿短路，這個(gè)電容器將承受來(lái)自其自身及其他并聯(lián)電容器組的放電。為防止故障元件受放電能量過(guò)大沖擊，導(dǎo)致電容元件爆炸，必須限制同一串聯(lián)段上的并聯(lián)臺(tái)數(shù)，即有所謂的最大并聯(lián)臺(tái)數(shù)問(wèn)題。可以通過(guò)減少并聯(lián)數(shù)與增大串聯(lián)段數(shù)的方法，來(lái)降低沖擊故障電容器的放電能量。

1.2 接線(xiàn)方式與設(shè)備不配套的限制

20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，由于工藝上的改進(jìn)，使電力電容器的介質(zhì)，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，普遍采用了全膜電容器。電容器的容量越來(lái)越大，因此派生出了很多新的結(jié)構(gòu)與接線(xiàn)方式。同時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)，由于缺乏較高的

66 kV電壓等級(jí)的放電線(xiàn)圈，致使其保護(hù)選擇及相應(yīng)接線(xiàn)方式的應(yīng)用受到限制，因此使相關(guān)接線(xiàn)方式適用范圍受到了限制。由于這種不配套的限制，導(dǎo)致該時(shí)期電容器運(yùn)行故障明顯上升。經(jīng)過(guò)陣痛之后，對(duì)配套設(shè)備的研究也跟上技術(shù)的研發(fā)進(jìn)度，因此，這種限制現(xiàn)在基本消除。

1.3 與應(yīng)用的場(chǎng)合有關(guān)

在電力企業(yè)中，多采用星形接法，在工礦企業(yè)變電所中多采用三角形接法。采用三角形接法時(shí)，能夠過(guò)濾掉3次諧波電流，可以消除其對(duì)設(shè)備的影響，但其缺點(diǎn)是當(dāng)電容器發(fā)生擊穿短路時(shí)，其它相電容器的放電電流會(huì)對(duì)故障電容器產(chǎn)生沖擊。星形接線(xiàn)時(shí)，電容器故障情況下受到其它兩相容抗的限制，來(lái)自系統(tǒng)的工頻短路電流最大不超過(guò)其額定電流的3倍，且不受其它相電容器放電電流的影響，相對(duì)而言可靠性更高。

2 電容器組接線(xiàn)方式及其相應(yīng)不平衡保護(hù)

電容器組的接線(xiàn)方式較多，相應(yīng)也產(chǎn)生了不同的不平衡保護(hù)。一般來(lái)說(shuō)，同種不平衡保護(hù)接線(xiàn)下，既可采用電流式、也可采用電壓式保護(hù)，其根本原理都是利用元件發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的不平衡量來(lái)作為保護(hù)判據(jù)。在此僅列舉三種方式，其余接線(xiàn)方式讀者可再查找有關(guān)資料。

2.1 單星形接線(xiàn)采用零序電壓保護(hù)

主要是利用電壓互感器的開(kāi)口三角電壓形成不平衡電壓，此時(shí)電壓互感器一次繞組還可兼作放電線(xiàn)圈，可防止反復(fù)投入電容器組時(shí)，因殘余電荷造成電容器組過(guò)電壓。見(jiàn)圖1單星形接線(xiàn)采用零序電壓保護(hù)。

2.2 雙星形主接線(xiàn)方式時(shí)采用中性線(xiàn)電流不平衡保護(hù)

對(duì)于雙星形接線(xiàn)的電容器組，可采用中性線(xiàn)電流不平衡保護(hù)。當(dāng)同相的兩電容器組中發(fā)生電容器故障時(shí)，流過(guò)兩串電容器組的電流不等，則中性線(xiàn)上必流過(guò)不平衡電流。見(jiàn)圖2雙星形主接線(xiàn)方式采用中性線(xiàn)電流不平衡保護(hù)。

2.3 單相為兩組電容器組串聯(lián)的星形接線(xiàn)采用電量壓差動(dòng)保護(hù)方式

同樣的，電壓互感器的一次繞組可以兼作放電線(xiàn)圈，二次繞組則接成壓差式反極性串連法，正常運(yùn)行時(shí)電容容抗值相等，壓差為零；當(dāng)有電容器損壞時(shí)，由于一次繞組分壓不等，則二次繞組出現(xiàn)差壓，使保護(hù)動(dòng)作。見(jiàn)圖3單相為兩組電容器組串聯(lián)的星形接線(xiàn)采用電量壓差動(dòng)保護(hù)方式。

3 不平衡保護(hù)動(dòng)作原因分析

①配套設(shè)備各相性能差異較大產(chǎn)生不平衡分量。三相放電線(xiàn)圈及電抗器如果性能差異較大，那即使在母線(xiàn)側(cè)的三相電源平衡，電容器組一次側(cè)平衡的情況下，在二次側(cè)也可能產(chǎn)生一個(gè)虛假的不平衡電壓。如果不平衡電壓保護(hù)設(shè)定值較低，則這個(gè)不平衡電壓可能引起誤動(dòng)。當(dāng)然，隨著放電線(xiàn)圈及電抗器制作工藝的進(jìn)步，這種情況還是較少發(fā)生。然而，在電容器組的選型及驗(yàn)收啟動(dòng)時(shí)，還是要關(guān)注這些參數(shù)。特別是負(fù)荷側(cè)有較大的諧波源時(shí)，由于頻率的升高，容抗、感抗之間的差異更大。

②母線(xiàn)三相不平衡導(dǎo)致電容器組產(chǎn)生不平衡分量。電容器組主接線(xiàn)方式采用星形接線(xiàn)，受到母線(xiàn)不平衡分量的影響較小，基本為零，因此不至于會(huì)產(chǎn)生不平衡電壓或電流。若是采用三角形接法，則母線(xiàn)三相不平衡時(shí)，即使其幅值差為2%，相角差為1°時(shí)，該不平衡電壓可能達(dá)到5%以上的額定電壓值。電容器組投入運(yùn)行時(shí)，對(duì)于10 kV電壓等級(jí)的來(lái)說(shuō)，操作時(shí)的過(guò)電壓可能導(dǎo)致其產(chǎn)生不平衡分量，甚至造成擊穿。

③電容器組各相容抗不平衡導(dǎo)致不平衡分量出現(xiàn)。三相電容值不平衡時(shí)，比如其單個(gè)電容器組容抗出現(xiàn)差異乃至發(fā)生故障擊穿，則由于電壓分配的原因，電容值小的相或串聯(lián)段所承受的電壓值就更高，不平衡分量由此出現(xiàn)。而承受電壓值較高的，其運(yùn)行工況較差，因此進(jìn)一步惡化，不平衡分量越來(lái)越大，最終導(dǎo)致不平衡保護(hù)動(dòng)作。

4 電容器組故障的防范與查找

4.1 嚴(yán)格控制電容器的運(yùn)行工況

在運(yùn)行中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視電容器組的運(yùn)行工況，如運(yùn)行溫度、電壓電流等。電容器受運(yùn)行溫度的影響較大，當(dāng)運(yùn)行溫度升高10℃時(shí)，其電容量下降的速度就提高一倍，而長(zhǎng)期受高溫影響會(huì)使其內(nèi)部絕緣介質(zhì)老化、損耗角增大，最終使電容器內(nèi)部溫升過(guò)高，如此循環(huán)，使其使用壽命降低，嚴(yán)重時(shí)可能造成熱擊穿，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)控制其溫度在40℃以?xún)?nèi)。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，電容期的允許工作電壓為其額定值的1.1倍，允許工作電流為額定電流的1.3倍，在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視這些電氣量，當(dāng)超過(guò)規(guī)定值時(shí)，應(yīng)立即退出電容器組的運(yùn)行。

4.2 減少抑制操作過(guò)電壓

35 kV及以下的電容器組投切時(shí)，宜采用真空斷路器，其較好的機(jī)械特性，可避免操作時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓。斷路器分閘時(shí)，合閘相相角超接近零，則熄弧時(shí)間就截止長(zhǎng)，介質(zhì)恢復(fù)的強(qiáng)度就越高；相反，電流相角較大時(shí)分閘，熄弧時(shí)間越短，介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)不夠，容易再次燃弧。而在合閘時(shí)，若在斷口電壓為零的瞬時(shí)投入電容器組，則產(chǎn)生過(guò)電壓的機(jī)率就會(huì)小很多。因此，可通過(guò)采用相位控制器來(lái)控制投切時(shí)間。

也可利用氧化鋅避雷器來(lái)抑制過(guò)電壓，當(dāng)產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，可利用避雷器釋放能量。

4.3 控制電容器安裝工藝

電容器安裝過(guò)程中，其接頭的安裝工藝對(duì)今后的運(yùn)行情況有較大影響。首先，接線(xiàn)端與母線(xiàn)鋁排的連接，要注意其對(duì)電容器組施加的應(yīng)力，如調(diào)整不當(dāng)，可能使其發(fā)生滲漏。另外，各電容器之間的連接大多是采用銅鉸線(xiàn)連接在一起的，而電容器組母線(xiàn)所采用的一般是鋁排，因此在其連接過(guò)程中，應(yīng)采用銅鋁過(guò)渡接頭；否則，直接接到鋁排上，接頭會(huì)發(fā)熱，最終可能導(dǎo)致不平衡保護(hù)動(dòng)作。

在某站的電容器組運(yùn)行過(guò)程中，曾發(fā)現(xiàn)在24 h內(nèi)，不平衡保護(hù)接連動(dòng)作兩次，經(jīng)檢查，均是外熔絲熔斷，導(dǎo)致不平衡保護(hù)動(dòng)作，在兩個(gè)熔斷的熔絲處檢查，均在連接母排的地方有過(guò)熱現(xiàn)象。對(duì)整臺(tái)電容器組停運(yùn)后徹查的結(jié)果是，其施工過(guò)程對(duì)接線(xiàn)頭的壓接不實(shí)，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中發(fā)熱，處理后，電容器組運(yùn)行正常。

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