并联电容器保护与监测一体化实施方案

甘景福, 王增平，林一峰

(1.唐山供电公司，河北 唐山 063000；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

并联电容器保护与监测一体化实施方案

甘景福1, 王增平2，林一峰2

(1.唐山供电公司，河北 唐山 063000；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

并联电容器是重要的无功补偿装置，具有调节系统电压，改善电能质量的作用。但经常出现电容器损坏的现象，电容器装置故障率偏高，影响电网的安全运行。并联电容器故障一般是从内部串并联元件中个别元件的异常、故障开始逐步演化的。为改善电容器运行状况，将电容器保护与监测功能进行整合，利用继电保护装置采集电压电流信息计算电容值，在保护装置中增加基于电容值变化的保护和监测功能。并增加记录电容器谐波分布、瞬时过压过流工况自动录波、电容容量变化记录功能，为电容器故障诊断提供诊断依据。所提出利用电容器线路参数特征的电容值计算方法有很高的普适性，实际利用继电保护装置进行电压电流提取具有较高的精确度，并且计算电容值误差很小，满足保护与监测要求。记录的谐波含量、过压过流、电容值变化信息对电容器故障的研究有较高的应用价值。

并联电容器；电容器保护；在线监测；故障诊断

0 引言

高压并联电容器作为一种重要的无功电源，对于改善电力系统结构，提高电能质量有着重要的作用[1]。高压并联电容器长期在额定状态运行，谐波、过电压等因素对其健康状况有着明显的损害。同时随着无功电压自动控制系统的使用，高压并联电容器的投切更趋频繁。恶劣的运行环境造成高压并联电容器故障率较高[2-3]。由于高压并联电容器一般布置在变压器中低压侧母线，其故障时相当于变压器中低压出口短路，对变压器会造成较大影响，不利于变压器的安全运行。因此实时、准确把握高压并联电容器的健康状况，避免事故发生十分必要。

为了提高并联电容器运行可靠性，诸多文献对并联电容器的监测保护技术进行了深入研究。主要分为两类：一类是针对并联电容器进行不同保护配置和整定研究[4-9]；另一类是研究方法则借助于智能变电站的发展，建立并联电容器监测系统[10-14]。并联电容器的保护在不同电压等级不同接线方式有多种保护配置方式，文献[4]研究分析了内外熔丝保护、单星形开口三角电压保护、双星形中性线电流不平衡保护等多种保护方式。文献[5-6]对500 kV和1 000 kV进行了专门的配置整定研究。监测方法多为建立在线监测系统，文献[10-11]分别基于电容值变化和LC振荡频率变化实现对并联电容器的监测，都需从放电PT提取电压信息。文献[12] 通过附加装置提取电压电流信息，提出了一种基于SCADA系统的在线监测系统。目前针对并联电容器保护多为不同形式的不平衡保护，不能针对各相单个电容器元件进行保护。在针对不同电压等级不同接线需进行专门的保护配置研究。电容器组故障初期多为单一元件异常、故障引起，无法在故障初期进行预警，保护灵敏性较差，动作时损失已经较为严重。而监测方法对并联电容器提取信息，多依赖一次设备或需附加设备进行提取，仅作为智能变电站系统中的参考[13-15]。并联电容器的保护与监测两者基本是分开考虑的，将两者相结合，可以继电保护装置为基础，在不改变一次设备、二次设备改变较小的情况下，增加对并联电容器的监测功能，同时具备继电保护装置的实时可靠性，具有较高的灵敏性，降低故障发生概率，提升并联电容器运行状况[16-18]。

本文在继电保护装置的基础上，提出一种并联电容器保护与监测一体化实施方案研究。首先利用保护装置，不依赖附加设备提取电容器电压电流信息，利用电容器每相参数中电抗为主要成分的特征，提出一种适用于各种接线形式计算电容器电容值的方法，在现有保护装置中，增加在线监测模块，实现对并联电容器电容值的在线监测功能，并利用装置可拓展性，在装置中增加对电容器异常故障进行录波，记录谐波含量、电容量变化，为电容器损坏提供诊断依据。

1 保护原理

高压并联电容器的故障一般是从内部串并联元件中个别元件的异常、故障开始逐步演化的。当高压并联电容器内部单一元件发生异常、故障时，其外部电气量的变化往往不大，只是其内部健康的其它元件承受的电压会有所增高。随着运行时间的增长，其它健康的串并联元件由于不良运行条件的影响可能陆续发生异常和故障，最后引发高压并联电容器的故障。

在故障初期，单一元件发生故障或异常能够通过并联电容器组的电容值变化反映出来。为实现上述目的，利用继电保护装置获得并联电容器的电压电流，不增加附加设备，计算出电容值，实现对并联电容器的在线监测。并联电容器接线形式可以分为两类，一是中性点接地，该接线形式下，电路等效图如图1所示。已知串联电抗器等参数，可由式(1)计算出三相阻抗值从而得出电容值。

(1)

图1 中性点接地等效电路

二是中性点不接地，该接线形式等效电路如图2所示。

图2 中性点不接地等效电路

(2)

其中U0未知，三个方程4个未知量无法进行求解。由于每项支路阻抗主要成分是容抗，由并联电容器标准知，电容器阻值很小，忽略每相阻抗，即为纯容性电路，增加条件

三相向量图如图3所示。

图3 电压电流向量图

2 保护监测功能实现方案

保留传统电容器保护：限时电流速断保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护。在继电保护装置中增加针对并联电容器电容值的判据，电容量预设整定值一般采用停电试验时的电容量测量值，保护可靠系数为1.2，保护整定值为0.8CO

电容量值监测原理，电容值偏差允许值需综合考虑继电保护装置的测量精度等因素的影响并保留适当的裕度，根据并联电容器组状态检修试验规程规定[19]，当计算电容值Ck与额定值CO，不满足0.95CO

图4 保护监测一体化流程图

第一步，利用现有互感器采集电压、电流信息。第二步，利用所采集的电压电流在保护装置中完成各相电容器电容值的计算。第三步，根据所提出基于电容值变化的保护判据，当电容值变化超出整定值时，由保护出口发出动作信号，并对电容器进行故障录波并向监控系统发出警告信号。第四步，同时完成对电容器在线监测，当电容值变化超出规程时，向变电站监控系统发出电容警告信号；实时记录谐波含量、过压过流、电容值变化信息。

3 并联电容器监测装置的实现

微机保护装置硬件平台具有开放性，能够容易地对硬件进行局部或整体升级，而不影响保护对外接口。扩展性是指对于现场的不同保护应用和对资源的不同需求可方便地增减相应的模块，不必对硬件软件进行重新设计。利用微机保护装置的开放性和可扩展性，在微机保护装置中可增加并联电容器在线监测功能。

表1 谐波列表显示

如图5，其中电压/电流互感器利用保护装置现场配置无需再增加设备，继电保护装置中电流、电压采集计算模块，继电保护模块，人机交互模块，通信模块都为微机保护装置已经具有的配置。其中对继电保护模块进行功能拓展，利用电压电流计算电容值，并增加电容值变化的保护判据；增加在线监测模块，其中所需数据直接从电压、电流模块获取，计算出电容值，实现对电容器电容值的在线监测，当电容值超出规程之后，通过通信模块向监控系统发出警告信号，并记录的谐波含量、过压过流、电容值变化信息。

图5 并联电容器监测装置功能示意图

以微机保护装置为基础，样机研制成功，对装置进行测试，其中电压的测量精度：幅值精度≤±0.1%，角度偏差≤±0.1°；电流测量精度：幅值精度≤ ± 0.4%，偏差角度≤ ± 0.1°。

装置在电容器容量在偏差±20%范围内(当超出该范围保护已动作)，且三相阻抗偏差任意组合情况下，不考虑PT/CT误差影响条件下，阻抗计算精度可达到0.2%，电容值计算精度可达到0.5%;电压不平衡条件下，不影响测量精度。证明算法实践可行，具有较高的精度，可以实现对并联电容器的保护监测功能。

图6～8和表1为装置在线监测功能，其中图6为装置查看电容器状态主界面，图7为模拟半年内电容值变化记录功能，图8为对电容器三相电压的录波，表1显示的为某一时刻各谐波含量。装置具有存储功能，该数据可为电容器故障提供研究基础。

图6 电容器监测主界面

图7 电容值变化曲线

图8 录波记录

4 结论

本文所提出并联电容器保护与监测一体化实施方案，在继电保护装置的基础上，不依赖附加设备提取电容器状态量，有很高的普适性，数据实时性强，可靠性高；能保留原有保护功能，提高保护可靠性；并增加并联电容器的在线监测功能，在并联电容器故障初期，发出预警，减少损失；对谐波、过压过流、电容值变化进行记录，为电容器故障诊断提供诊断依据。

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Research on the Implementation Scheme of Shunt Capacitor Protection and Monitoring

GAN Jingfu1，WANG Zengping2， LIN Yifeng2

(1.Tangshan Power Supply Company， Tangshan 063000， China;2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Shunt capacitor is used as a reactive power supply device, which has the function of regulating the system voltage and improving the quality of the power supply. However, damages often occur in shunt capacitor and cause the failure. The high failure rate of the capacitor and the occurrence of multiple burst and group of injury problems could result in significant grid-voltage fluctuation as well as active power and reactive power loss, and meanwhile, it could reduce the capacitor service life, and then eventually affects the safe operation of the power grid. In order to improve the operation reliability of the shunt capacitor, the capacitor protection and monitoring function are integrated, and the capacitance value is calculated by the voltage and current information collected by a relay protection device. And the functions such as recording the capacitor harmonic distribution, instantaneous overvoltage and over-current condition automatically, and capacitance capacity change, are provided which lay a basis for the fault diagnosis of the capacitor. The proposed method by using capacitor line parameters for capacitance calculation has extensive applicability, and the actual use of the relay protection device for voltage and current extraction is of high accuracy with small error in calculating the capacitance value, which meets the requirements of protection and monitoring. The recorded harmonic consist of the information of over-voltages, over-currents, and change of the capacitance value, so it also has great value for the research of capacitor fault.

shunt capacitor； capacitor protection； online monitoring； fault diagnosis

杨成顺(1984-)，男，博士，讲师，研究方向为输电线路装备与电网安全，三维虚拟仿真技术。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.003

2016-11-09。

国家自然基金重点项目(51637005)。

TM73

A

1672-0792(2017)05-0011-05