电力电容器组不平衡电压保护动作原因分析及故障诊断

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(国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000)

1 引言

电力电容器组作为电力系统中的重要设备之一，在补偿系统的无功功率、提高功率因数、改善电压品质、减少线路的损耗、提高电网输送电能能力、保证发电机的出力和设备的运行能力等方面发挥着不可替代的作用。然而近年来，随着电网的不断发展，无功补偿装置的大量投运，电力电容器组在运行中问题频出，特别是电容器组不平衡电压保护动作导致其开关跳闸的现象时有发生。表1是对某市电容器组一年内的故障情况统计表。

从表1中可以看出，电力电容器组不平衡电压保护动作占总故障次数的84%[1]，已经严重影响到了电容器组的安全稳定运行，亟需探索其产生原因并提出解决方案。

表1 电容器组故障情况统计表[1]

2 电力电容器组不平衡电压保护

2.1 保护原理

电力电容器组不平衡电压保护又称开口三角形保护、零序电压保护，原理为检测电容器组端电压，在二次端接成开口三角形得出零序电压，判断三相是否平衡，进而得出设备是否存在故障。

2.2 保护定值的整定

整定电压值按单台电容器(或电容器内小电容元件)切除、击穿后，故障相其余单台电容器所承受的电压(或电容器内小电容元件)不长期超过额定电压1.1倍的原则确定整定值，并且可靠躲过电容器组正常运行时的最大不平衡电压，其动作时间为0.1～0.2s[2]。

电力电容器组不平衡电压保护的整定值为：

(1)

其中，Udz为动作电压；Uch为差电压；ny为电压电压互感器变比；Klm为灵敏系数。

对有专用单台熔断器保护的电容器组：

(2)

对未设置专用单台熔断器保护的电容器组：

(3)

其中，K故障切除的电容器数；β为任意一台电容器击穿元件的百分数 ；N为每相电容器的串联段数，M为每相各串联电容器并联台数，Uex为电容器组的额定电压。

3 不平衡电压保护动作原因分析

3.1 电容器组三相电容量不平衡

中性点不接地的星型接线电容器组，当三相电容器组电容值不平衡时，运行中会产生电压分布不均的情况。电容值小的一相或承受较高的电压，并随着电容值不平衡加大，电压分布不均的情况也随之加大。电容量不平衡产生的原因大致有两种情况：一是产生于电力电容器组本身，由于电容器制造工艺、产品质量以及长时间运行绝缘下降等原因，导致电容量变化，引发不平衡现象；二是由于电容器组内部的内熔丝熔断切断故障元件导致电容量出现不平衡。

3.2 不平衡电压保护整定有误

电力电容器组不平衡电压保护整定有误也是导致其保护动作的重要原因之一，主要体现在：

(1)电压定值选择不合理，定值整定太低，不能躲过正常运行的不平衡电压；

(2)保护出口时间整定太短，躲不过电容器组投入时产生的不平衡电压时间。

根据DL/T584-1995《 3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》中规定，不平衡电压保护整定值应按照本文2.2中的公式进行整定。

3.3 电压谐波污染放大

电网中若接入大量的非线性负载，可能会造成电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波“污染”。为有效地抑制谐波污染，电力系统通常采用在并联电容器的回路中串联电抗器的方法，防止谐波对电容器造成危害，避免电力电容器的接入对电网谐波的过度放大和谐振。但是，若串联电抗器与电容器组组合不正确，可能会造成谐波电压放大的现象，引起保护误动作。

根据串联电抗器的选择与谐波放大关系问题，通过建立带有谐波源的电容器装置简化电路模型，推导得出谐波电压放大率计算公式：

(4)

式中，s=QCN/Sd，K为电抗率(K=XL/XC)；Sd为电容器装置接入处母线的短路容量；QCN为电容器装置容量；XL为串联电抗器基波电抗；XC为电容器组基波容抗。

3.4 三相放电线圈性能存在差异

如果三相放电线圈性能(包括伏安特性)存在较大差异，即便一次系统平衡，也可能会在二次侧产生不平衡电压，甚至引起保护误动。因此，应注意放电线圈的选用和产品质量把关。

4 不平衡电压保护动作后的故障诊断

4.1 接头发热对电容器组运行的影响

电力电容器组运行过程中，因接头发热而退出运行的现象时有发生。由于电容器投入后满载运行，若电容器施工中或长期运行后如果接头压接不实，就可能会引起接头发热。除此之外，还应检查电容器组刀闸、地刀等设备接头情况，接点是否松动，接触是否良好。

4.2 合闸时不平衡电压和时间配合问题

在电力电容器组断路器合闸过程中，会产生不同程度的操作过电压，这个操作过电压会导致放电线圈的励磁特性发生变化，并在放电线圈二次侧出现一个大于保护定值的零序电压，若超出保护定值延时范围之外，零序电压衰减后仍大于保护定值，就会造成保护误动。如若发生此现象，应略微调高保护定值。

4.3 电容器与电抗器配合问题

电容器批量化生产制造过程中不可避免的存在电容差，电容器组组装时不可能使其电容量完全均衡。虽然《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》中规定：电容器的实测电容值与额定值的偏差不超过额定电容值的-5%～+10%，但在实际安装施工中，即使每个电容器的实际电容量均满足要求，如果将电容量正偏差的电容器均放在一相上，负偏差的放在另一相，亦会造成电容器组三相电容量的不平衡。若此时放电线圈三相变比、角差也出现偏差，且电容器的正偏差和放电线圈的正偏差组合在一起，也有可能造成跳闸[3]。

4.4 电容器三相电容量不平衡或放电线圈变比不一致

导致电容器三相电容量不平衡或放电线圈变比不一致有诸多原因，主要包括以下几种情况：

(1)在实际运行中，大量的非线性负载的存在会产生大量谐波源，导致电源质量不佳，产生的不平衡电压导致电容器三相电压不平衡，容易导致部分电容击穿，电容量发生变化，三相电容量不平衡。

(2)为了保证电网电压质量，电容器组频繁投切，投切电容器产生的操作过电压易损坏放电线圈，导致放电线圈匝间短路甚至击穿，使变比准确度受到影响。

(3)在运行过程中，线路单相接地时可能会产生弧光接地过电压，时断时续的过电压会导致外熔丝熔断，严重的会导致电容击穿，使电容量发生变化。

5 实例分析

2016年6月15日，某110kV变电站10kV#3电容器不平衡电压保护动作，#3电容器开关跳闸。现场人员开展了电容器试验、电抗器试验、电缆绝缘试验等，其中部分数据如表2、表3所示。

表2 10kV#3电容器电容量预试结果

表3 10kV#3电容器放电线圈预试结果

从表中可以看出，各项数据均合格，未发现异常情况。

考虑到改变电站所在地光伏电源分布广泛，作业人员猜测可能是谐波“污染”问题导致电力电容器组不平衡电压保护动作。为此，作业人员进行谐波测试，测量结果发现，10kV#3电容器与其串联电抗器的配置不正确，导致电网五次、七次谐波放大引起谐振，引起电力电容器组不平衡电压保护动作，需重新计算并配置串联电抗器。

6 总结

电容器组电压不平衡保护动作跳闸，一般是由于电容器组三相电容量不平衡、不平衡电压保护整定有误、电压谐波污染放大、三相放电线圈性能存在差异等原因导致。因此，在运行中的电容器组发生不平衡电压保护动作，应检查电容器的电容量是否发生变化、保护定值是否合适、电容器与电抗器配合是否合适、放电线圈的变比是否发生变化等等。