并聯(lián)電容器開口三角電壓 保護(hù)初始不平衡的影響研究

冼 冀 程漢湘

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

由于并聯(lián)電容器在改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量、降低電網(wǎng)線損、提高電網(wǎng)供電能力中發(fā)揮著重要作用，故并聯(lián)電容器普遍應(yīng)用于變電站主變低壓側(cè)。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大量的并聯(lián)電容器的投運(yùn)，并聯(lián)電容器的保護(hù)逐漸暴露出了不少的問題，尤其是并聯(lián)電容器的開口三角電壓保護(hù)易頻繁動(dòng)作跳閘。通過統(tǒng)計(jì)分析某地區(qū)電網(wǎng)的并聯(lián)電容器開口三角保護(hù)一年中的動(dòng)作跳閘，僅39%的動(dòng)作跳閘是由并聯(lián)電容器內(nèi)部故障而引發(fā)的，而61%動(dòng)作跳閘均屬于誤動(dòng)作，即并聯(lián)電容器本體內(nèi)部和保護(hù)裝置本身均沒有故障卻產(chǎn)生動(dòng)作跳閘[1]。而并聯(lián)電容器開口三角電壓保護(hù)的初始不平衡恰是誘發(fā)其保護(hù)誤動(dòng)作的主要因素。盡管國內(nèi)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 584-2007《3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》已明確規(guī)定保護(hù)整定值的下限不得小于初始不平衡值的1.5倍，但在實(shí)際中由于開口三角電壓保護(hù)的初始不平衡值偏差大，導(dǎo)致保護(hù)整定值不準(zhǔn)確，出現(xiàn)上述的誤動(dòng)作現(xiàn)象。因此，初始不平衡值的準(zhǔn)確分析和測(cè)量對(duì)并聯(lián)電容器的保護(hù)整定具有重要意義。本文對(duì)并聯(lián)電容器開口三角電壓保護(hù)初始不平衡的影響研究主要從電容不均衡、電源電壓不對(duì)稱平衡和放電線圈性能差別方面展開。

1 開口三角電壓保護(hù)原理

由于開口三角電壓保護(hù)接線簡單、元器件少、靈敏度較高[2]，因此，開口三角電壓保護(hù)在10kV的并聯(lián)電容器保護(hù)中廣泛應(yīng)用。圖1為開口三角電壓保護(hù)的接線示意圖，在正常運(yùn)行且不存在初始不平衡時(shí)，開口三角電壓值UP接近零；若并聯(lián)電容器運(yùn)行過程中某相發(fā)生部分電容器擊穿故障時(shí)，并聯(lián)電容器的中性點(diǎn)將產(chǎn)生電壓偏移，使得由放電線圈TV構(gòu)成的電壓互感器二次側(cè)的開口三角電壓UP增大，當(dāng)開口三角電壓UP大于并聯(lián)電容器的保護(hù)整定值時(shí)，開口三角電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘，切除整套并聯(lián)電容器與母線的連接。但在實(shí)際中，很難實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容器的開口三角保護(hù)在運(yùn)行過程中不存初始不平衡，因而開口三角電壓UP也不接近零，故在保護(hù)整定時(shí)確保整定值的下限不得小于初始不平衡值的1.5倍，否則引發(fā)誤動(dòng)作跳閘。而影響并聯(lián)電容器開口三角電壓保護(hù)初始不平衡的因素主要是電容的不均衡、電源電壓不對(duì)稱平衡和放電線圈的性能差別。

圖1 開口三角保護(hù)接線示意圖

2 開口三角電壓保護(hù)初始不平衡的影響

在正常運(yùn)行且三相電源電壓平衡對(duì)稱時(shí)，相間電容值偏差的大小直接決定著開口三角電壓UP的大小，且開口三角電壓UP為并聯(lián)電容器中性點(diǎn)偏移電壓的3倍。同理，在三相電源電壓不對(duì)稱平衡且相間電容均衡運(yùn)行時(shí)和在三相電源電壓不對(duì)稱平衡且相間電容不均衡運(yùn)行時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生起始不平衡電壓。此外，由于三相放電線圈的比差、角差、伏安特性等會(huì)存在一定的偏差，形成類似三相電源電壓不平衡的情況，也會(huì)產(chǎn)生起始不平衡電壓，但可以通過選用質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)且伏安特性相近的放電線圈一定程度的消除[3]。因此本文將重點(diǎn)分析電容不均衡、電源電壓不對(duì)稱平衡引發(fā)的初始不平衡的影響。

2.1 電容不均衡

設(shè)并聯(lián)電容器中性點(diǎn)偏移電壓為UNNˊ，三相電源電壓分別為UA、UB、UC，三相并聯(lián)電容器的導(dǎo)納分別為YA、YB、YC，其中UA=U∠0o、UB=U∠-120o、UC=U∠120o、YA=ωCA、YB=ωCB、YC=ωCC，U為相電壓幅值，CA、CB、CC為并聯(lián)電容器的容值，黑體字母表示相量。根據(jù)圖1開口三角保護(hù)接線示意圖和電路理論節(jié)點(diǎn)電壓法[3-4]，可得并聯(lián)電容器中性點(diǎn)偏移電壓UNNˊ的計(jì)算式（1）：

由圖1并聯(lián)電容器開口三角保護(hù)的接線示意圖可知，開口三角電壓UP為為并聯(lián)電容器中性點(diǎn)偏移電壓的3倍，則可得到式（2）：

并對(duì)式（2）進(jìn)行化簡，得到式（3）

目前的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并聯(lián)電容器相間的容差不能超過2%。因此，以并聯(lián)電容器三相中的最小電容值C0為基準(zhǔn)，則設(shè)CA=1.02C0，CB=CC=C0，并代入式（3）

由此可見，并聯(lián)電容器中的相間容值差即使在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，但引起初始不平衡值基本達(dá)到了0.02U。根據(jù)上述并聯(lián)電容器間的容差條件，在PSCD/EMTDC中搭建模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并設(shè)定C0=37μF，U=8.231kV，經(jīng)仿真得UNNˊ=0.055kV，則UP=3UNNˊ=0.165 kV，而0.02U=0.1646kV，兩者數(shù)值基本相等，與理論值相吻合，仿真波形圖如圖2、圖3所示，文中的電源模型啟動(dòng)時(shí)間均為0.05s，0.2s后方進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，故文中的穩(wěn)態(tài)波形均從0.2s開始。

圖2 三相電源電壓波形圖

圖3 中性點(diǎn)電壓UNNˊ偏移波形圖

2.2 電源電壓不對(duì)稱平衡

三相電源電壓不對(duì)稱平衡也是引發(fā)并聯(lián)電容器開口三角保護(hù)初始不平衡的一個(gè)主要因素，設(shè)并聯(lián)電容器不存在相間容差，即CA=CB=CC=C0，UA=1.01U∠0o，UB=U∠-119o，UC=U∠120o，并代入式（2）

從計(jì)算結(jié)果可知，三相電源電壓不對(duì)稱平衡產(chǎn)生明的初始不平衡值比較明顯，根據(jù)上述三相電源電壓不對(duì)稱平衡的條件，仿真中搭建模型中設(shè)定C0=37μF，U=8.231kV，仿真結(jié)果得UNNˊ=0.0731kV，則UP=3UNNˊ= 0.2193 kV，而0.0266U=0.2213kV，兩者結(jié)果基本相等，與理論值相一致，仿真波形圖如圖4、5所示。

圖4 三相電源電壓波形圖

圖5 中性點(diǎn)電壓UNNˊ偏移波形圖

2.3 電容和電源電壓同時(shí)不對(duì)稱

由上述的分析可知，單獨(dú)的并聯(lián)電容器相間存在容值差或三相電源電壓不對(duì)稱平衡均對(duì)并聯(lián)電容器開口三角電壓保護(hù)的初始不平衡產(chǎn)生了較大的影響。為此，將進(jìn)一步分析并聯(lián)電容器相間容差和三相電源電壓不對(duì)稱平衡同時(shí)作用時(shí)，對(duì)并聯(lián)電容器開口三角電壓保護(hù)的初始不平衡的影響。設(shè)UA=1.01U∠0o，UB=U∠-119o，UC=U∠120o，CA=1.02C0，CB=CB=C0，并代入式（2）得

由計(jì)算結(jié)果可知，并聯(lián)電容器相間容差和三相電源電壓不對(duì)稱平衡共同作用時(shí)引發(fā)的初始不平衡要比它們單獨(dú)作用時(shí)更嚴(yán)重，仿真模型中設(shè)定C0=37μF，U=8.231kV，仿真結(jié)果得UNNˊ=0.128kV，則UP=3UNNˊ=0.384kV，而0.046U=0.378kV，與理論值相一致，圖6、圖7為仿真波形圖。

圖6 三相電源電壓波形圖

圖7 中性點(diǎn)電壓UNNˊ偏移波形圖

而放電線圈二次側(cè)的電壓則由上述的UP值除以放電線圈的變比即可得到。此外，若考慮與并聯(lián)電容器串聯(lián)的電抗器因素時(shí)，則上述的YA、YB、YC需要變成Yi=1/(XLi-XCi)，其中i代表三相電壓的A、B、C，XLi為與并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗器的感抗，XCi為并聯(lián)電容器的容抗，具體參考文獻(xiàn)[5]，其已作詳細(xì)分析，故在此不再敘述。

3 故障案例分析

某地區(qū)電網(wǎng)110kV變電站的10kV并聯(lián)電容器曾因保護(hù)整定值不合理且A相容值為B、C相的1.02倍而發(fā)生誤動(dòng)作跳閘，具體如下：開口三角電壓保護(hù)接線方式，并聯(lián)電容器，每相2并，內(nèi)部2并4串，內(nèi)單元元件31并1串，電抗率6%，放電線圈電壓比0.1k V，保護(hù)整定值1.75V，投運(yùn)的初始不平衡值0.63 V。根據(jù)上述的分析，考慮A相容值為B、C相的1.02倍時(shí)，以相電壓算得初始不平衡值0.58V，若再加上電網(wǎng)的三相電壓稍有不平衡，如UA=1.01U∠0o，UB=U∠-119o，UC=U∠120o，初始不平衡值便達(dá)到1.34V，而保護(hù)整定值卻為1.75V，故運(yùn)行過程中易引發(fā)誤動(dòng)作跳閘，經(jīng)將保護(hù)整定值重新整定為3.58V后，便沒發(fā)生誤動(dòng)作跳閘。

4 結(jié)論

對(duì)并聯(lián)電容器開口三角電壓保護(hù)初始不平衡的影響研究，有助于進(jìn)一步提高并聯(lián)電容器開口三角電壓保護(hù)整定的可靠性。本文主要從并聯(lián)電容器中的相間容值差、三相電源電壓不對(duì)稱平衡和三相放電線圈的性能差別進(jìn)行了分析，并對(duì)并聯(lián)電容器中的相間容值差和三相電源電壓不對(duì)稱平衡引起的初始不平衡影響進(jìn)行理論分析及仿真驗(yàn)證，為提高實(shí)際的保護(hù)整定提供了重要參考，同時(shí)也為并聯(lián)電容器其它接線保護(hù)分析初始不平衡提供思路。

[1] 張霖. 10kV 并聯(lián)電容器組不平衡電壓保護(hù)動(dòng)作分析及探討[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,2010,31(2):11-14.

[2] 倪彤輝.高壓并聯(lián)電容器保護(hù)配置研究[D].北京:華北電力大學(xué),2008.

[3] 楊興昌,趙啟承,楊立川等.并聯(lián)電容器組保護(hù)起始不平衡值的估算[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,2010,31(4): 30-34.

[4] 胡旌杰.電容器保護(hù)靈敏性與可靠性分析[D].南寧:廣西大學(xué),2012.

[5] 姚成,聶書群.三相電壓不平衡對(duì)開口三角保護(hù)的影響[J]. 電力電容器與無功補(bǔ)償,2010,31(1):9-11.