电容器不平衡保护方案分析研究

(国网湖南省电力公司邵阳供电分公司，湖南 邵阳 422000)

电容器不平衡保护方案分析研究

陈凤

(国网湖南省电力公司邵阳供电分公司，湖南 邵阳 422000)

介绍了电容器不平衡保护的原理，分别论述了五种电容器不平衡保护方案，并分析了每种方案的优缺点，适用范围等，为工程设计人员提供一种参考。

电容器；不平衡电压保护；不平衡电流保护；无功补偿

1 引言

在电力系统中电力电容器主要作为一种静止的无功补偿设备。它的主要作用是向电力系统提供无功功率，提高功率因数。采用就地无功补偿，可以减少输电线路输送电流，起到减少线路能量损耗和压降，改善电能质量和提高设备利用率的重要作用。并联电容器组是由电容器单元通过串并联组合而成的，其对应的保护主要针对如下情况设定：

(1)由于电容器组和断路器之间连接线短路引起的过电流；

(2)瞬态过电压；

(3)电容器内部故障(单只开路或短路)及其引出线短路；

(4)电容器组中，某些故障电容器切除后所引起剩余电容器的过载或(和)过电压；

(5)电容器组的单相接地故障；

(6)电容器单元上的持续过电压；

(7)电容器组内的电弧放电；

(8)所联接的母线失压。

而针对上述故障情况，对电容器组配置了一系列的保护，主要包括：安装保护熔丝、过流保护、不平衡保护(包括不平衡电压保护和不平衡电流保护)、过压和低电压保护、零序电压、零序电流保护等。这其中，不平衡故障占总故障次数较高，因此，对不平衡保护进行研究对电容器保护有重要的意义[1-2]。

2 电容器不平衡保护介绍

电容器发生故障后，将引起电容器组三相电容不平衡。根据这个原理，国内外采用的继电保护方式很多，大致可以分为不平衡电压和不平衡电流保护两种。这两种保护，都是利用故障电容器被切除后，因电容值不平衡而产生的电压和电流不平衡来启动继电器。这些保护方式各有优缺点，可以根据需要选择。

2.1 不平衡电压保护

电容器组中的一个或多个电容器单元故障将导致电压不平衡，不平衡电压可按如下要求识别：

(1)不平衡继电器在检测5%过电压时应报警；在检测到超过10%过电压时，应断开电容器组；

(2)不平衡继电器应具有较短的延时，使电容器单元之间的电弧放电造成的损失最小；

(3)不平衡继电器应具有一定的延时，以避免由于涌流、接地故障、雷电和附近设备投切等导致保护误动。

2.2 不平衡电流保护

电容器组发生故障后容抗发生变化，其电流也发生相应的变化，会与正常相电流形成差流。当差流超过设定值保护便会动作，切除故障。由于电容器组的不平衡电流非常小，因此对电流互感器的选型要求较高，涉及到额定电流、变比的问题，额定负荷和精度的问题，动、热性问题以及绝缘问题[1-2]。

3 不平衡保护方案

3.1 电容器组星型联接中性点接地线上接零序电流继电器方案

在图1 所示的星型联接电容器组中，安装了一个零序电流继电器。对于接地星型或分裂星型中每一个星型联接的电容器组。

图1 采用中性点零序电流继电器方案

允许从串联段中断开的电容器单元数可用式(1)计算：

(1)

其电流整定值如式(2)所示：

(2)

在式(1)、(2)中Uph是相电压(kV)；UC是电容器单元的额定电压(kV)；W是串联段中断开的电容器单元个数；UR是串联段中剩余电容器单元上的电压(%)；M是串联段中断开的电容器单元个数；M是每相中串联段的数目；N是每个串联段中并联电容器单元数目[3]。

3.2 中性点接地星型接线电容器组的中间引出点电压相加继电器方案

图2所示为中性点接地星型接线电容器组的中间引出点电压相加不平衡检测方案。

该方案利用电容器组零序电压不平衡，而开口三角形接法中合成的零序电压能表征这种不平衡。中性线电流的变化如式(1)所示，对应电容器电压的变化分别和式(3)所示：

(3)

图2 中性点接地电容器组零序电压不平衡检测方案

3.3 电容器组中性点接地分裂星型接线零序电流差动保护方案

图3所示的方案中，两个星型接线电容器组的中性点分别通过各自的零序TA接地。TA的二次侧接一个过流继电器，该方案的优点是[3]：

(1)对于大容量的电容器组，该方案对整个系统的不平衡不敏感，但是对电容器单元的故障很敏感；

(2)该方案不受谐波电流的影响；

(3)对于大容量电容器组，存在多个串联段，存储在电容器单元上的能量将减小，因此能有效减小熔断器的开断负载，并降低熔断器的成本。

该方案存在的缺点[3]：

(1)通过将星型拆成两部分，每个串联段中的并联电容器单元数目减小，因此，当熔断器动作时，同一串联段中剩余电容器单元上的电压会升高较多；

(2)双星型接法的电容器组需要占用更大的变电站面积和更多更复杂的接线；

(3)无法检测每个星型组中的平衡故障。

图3 电容器组中性点接地分裂星型接线采用两个零序TA检测不平衡电流方案

3.4 中性点接地星型联接电容器组的零序电压差动保护方案

如图4所示的方案中，两个电压互感器的输出在一个差动继电器中进行比较，任意一相电容器单元故障都可以被独立检测到，如果并联电容器组存在不平衡，便会产生一个零序电压。该方案的优点是[3]：

(1)与电容器组分裂星型联接方式相比较，电容器组包含的电容器单元个数提高了1倍，因此，当有熔断器动作时，剩余电容器单元上的过电压较低；

(2)该方案所占用的变电站面积较少；

(3)对整个系统的不平衡不敏感，而对串联段中电容器单元故障比较敏感。

图4 电容器组中性点星型接地联接方式采用电压差动保护方案

3.5 电容器组不接地星型接线中性点电压不平衡保护方案

如图5所示，在中性点与地之间接TV，由电容器单元故障引起的任何中性点电压偏移均可检测到，由单个电容器单元故障引起的中性点电压偏移由式(4)计算如下：

图5 电容器组中性点星型不接地联接方式采用TV中性点电压不平衡保护方案

(4)

从一个串联段中断开任意数目电容器引起该段剩余电容器单元上的电压升高可由式(5)计算如下：

(5)

该方案在TV的二次侧接有一个3次谐波滤波器和一个延时电压继电器[3]。

4 结语

本文介绍了五种用于电容器组中性点接地或不接地接线方式的不平衡检测方案。可以根据电容器组容量、接线方式、变电站场地大小等因素选择合适的不平衡保护方案。

[1] 盛小伟，黄梅，阎波.并联电容器不平衡电流保护的改进方法研究[J].继电器，2006，34(21)：14-17.

[2] Ramasamy Natarajan.电力电容器[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3] 刘勋，王丽君，马俊民.电容器组不平衡保护动作原因分析[J].电力系统保护与控制，2009，37(17)：122-124.

ResearchonCapacitorUnbalanceProtectionPlanAnalysis

CHENFeng

(Shaoyang Power Supply Branch Company,Hunan Electric Power Company,Shaoyang 422000,China)

The principle of capacitor unbalance protection is presented.Discuss five kinds of capacitor nubalance protection plans and analyze virtues and elefects of each plan and scope of application.Provide reference for project planners.

capacitor;unbalance voltage protection;unbalance current protection;reactive protection

1004-289X(2017)03-0041-03

TM53

B

2016-11-10