高壓并聯電容器的接線及保護方式的選擇

鄒振球

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇無錫 214112）

并聯電容器在使用過程中，過電壓產生、保護配置不科學，均是導致故障產生的原因。為此，可通過保護配置優化，及時檢測并防控電容器故障問題。為保障電網安全運行，并聯電容器裝置應做好并聯電容器各部件的合理接線并配備科學的保護配置，通過電容器裝置統一性及可靠性提升，降低事故概率，并有效降低產生的危害。

1 配電網中并聯電容器應用現狀

并聯電容器裝置應用中出現的問題有外熔斷器及內熔絲混用，導致電容器繼電保護整定值計算誤差較大。保護選型或選型計算時存在選擇哪種公式的問題。對并聯電容器的保護成效會受到一定影響。

2 高壓并聯電容器各元件接線要求

并聯電容器結構包含避雷器、放電線圈及電容器等多個元件，在并聯電容器中接入各個元件時，要把控好接線方法，做到正確，布線合理。

2.1 電容器接線

應以系統設計要求為依據確定電容器組容量大小。布設時，要求電容器額定電壓具備運行時工頻過電壓承受能力，具體數值應不超過電容器額定電壓的110%。有限流電抗器串聯在電容器回路上時，與電網接入端電壓相比，電容器兩側電壓值會顯著提高，這是由于電抗率選擇時，未能以電容器額定電壓作為計算依據所致。為此，多段串聯電容器組接線時，需要根據電容器組額定相電壓與串聯段數的比值計算電容器額定電壓，進而以此為依據確定具體的電抗率。單臺電容器容量計算時，除了電容器組總容量以及串聯段數以外，還需要將可并聯接入的電容器總量納入考量。有電抗器串聯在電容器組上時，需要利用電容器組及電抗器額定容量的差值，求出電容器組的總輸出容量值。

2.2 串聯電抗接線

串聯電抗器的作用是對充電涌流、諧波產生一定的抑制作用，若電容器額定電流不足充電時涌流的5%，則串聯電抗接線時，電抗率應高于0.1%，但不可超過1%，以此有效抑制充電涌流。而諧波電流控制時，若接入電網的諧波不小于5，則應將電抗率的取值設定為4.5%～5%。而在電網諧波≥3次以上時，電抗率應以12%為宜。通常情況下，電抗器額定電流應不小于電容器額定電流，可按照應用場合的不同選用空芯或鐵芯（又分為干式鐵芯，油浸鐵芯）兩種類型電抗器。在合閘涌流限制、諧波電流抑制時，串聯電抗器需安裝于電源側。安裝在中性點側，電抗器不會承受過高的電壓，且可減少短路電流產生的沖擊力，有利于規避安全事故，可保障電網安全運行，同時也可節約電抗器安裝成本。

2.3 其他元件接線

放電線圈接線時，合閘過程中若是有剩余電荷存在，可能導致過電壓產生，為防止這一現象，要確保電容器組與電源分離后，放電線圈具備快速降低電壓的能力，即電容器上的電壓需在5 s 時間內降低至50 V 以內，此外，為保障放電線圈接線的安全性，放電器回路中，不可接入保護熔斷器，也不可連接刀開關。同時，為避免電容器組操作過程中有過電壓形成，接入避雷器時所選器型應選用金屬氧化型避雷器，其中以氧化鋅避雷器為最佳。

3 高壓并聯電容器的保護方式篩選

3.1 保護方式類型

高壓并聯電容器運行時，內部元件故障發生率較高，并且極間短路故障也較為常見，此外還可能出現外殼短路故障。目前，電容器內部故障應以內熔絲保護為主，而應將繼電保護作為后備保護。由于以往以熔斷器保護為主的保護方式雖能快速完成故障切除，但其存在拒動、誤動或群爆的隱患，若以之作為電容器內部故障主保護可能會出現可靠性不足的問題。為防止此問題出現，可通過應用斷電保護方式增強故障主保護的可靠性。

3.2 幾種常用的繼電保護方式

利用繼電保護方式時，一旦某個電容器出現故障，其電容值會發生改變，因而故障電容及正常電容間的電壓值會高低不等，且電壓也各不一致，由于電流及電壓差值存在會引發保護操作，因而繼電保護屬于不平衡保護方式，保護時需將整組電容器全部切除。利用繼電保護作為主保護方式時，主要是針對電容器組施加保護，且要確保電容器組三相平衡，不可出現缺臺運行現象。繼電保護的整定以內部元件故障率為依據，超過50%時方可實施保護動作。故障單元電容值越高時，單元總數越多時，繼電保護取樣信號越強。

3.2.1 開口三角零序電壓保護方式

高壓并聯電容器中，10 kV 容量6000 kvar 以下的電容器組多采用開口三角零序電壓保護方式，可通過放電線圈二次結成作為開口三角，利用兩條線將開口端電壓與保護裝置連接。此種接線方式具備很高的保護靈敏度。由于中性點不必接地，因而即便系統發生接地故障，也不會影響電容器組。但若是系統電壓出現不平衡現象時會對電容器組運行帶來相應影響。由于10 kV 電容器組所受對地電容不平衡影響并不大，因而此種保護方式在10 kV 電容器組中應用較多。開口三角零序電壓保護接線圖詳見圖1所示。

圖1 開口三角零序電壓保護接線圖

3.2.2 電壓差動保護方式

此種保護模式下，需利用電壓互感器測量電壓相至中性點之間的電壓變化情況。一旦電容器出現故障，此相會釋放對應信號。通常在各相存在兩個串段的電容器組中應用電壓差動保護方式居多，此種保護方式下，電容器每一個串段連接一個一次線圈，而二次線圈連接時，則需采用差動連接方式。在三相電壓高低不一時并聯電容器運行不會受到影響，且單相接地故障出現后，電容器仍可正常工作。故障發生時可分相實施保護，且具備更高的保護靈敏度。若是兩個串段或多個電容器同時出現故障，則難以正常做出保護動作。這是此種保護方式的缺陷所在。此種保護方式主要應用于等級為10 kV 容量6000 kvar 以上及35 kV 容量20000 kvar 以下，且有專用放電線圈的并聯電容器保護中。

3.2.3 中性線不平衡電流/電壓保護方式

此種保護方式應用下，通常采用不接地星形方法連接電容器，可設置兩個容量不一的星形，且在二者之間接入一個用于檢測電流值變化的互感器，由于二者容量不同，電流會發生流動，且流動范圍始終在兩星形中間范圍內。網絡是否平衡不會對此種保護方式產生影響，且對諧波的敏感度不強。電容器設有內熔絲時可應用此種保護方式，且計算用于檢測電流的互感器額定數值時，應將系統電壓的具體等級納入考量。其中一個電容器因短路而被擊穿時，若各相僅有一個串段，會因高頻放電電流流經電流互感器而導致其被毀壞。圖2為采用中性線不平衡電流保護方式的接線方法。

圖2 中性線不平衡電流保護方式接線圖

3.2.4 橋式差流保護

高壓并聯電容器組的各個相均應按照兩臂式連接，將電流互感器接入到兩臂中點或與中點相接近位置處，各處出現故障，均會導致不均衡電流在電流互感器處經過。在多電容器組中此種繼電保護方式較為適用，可構建三個獨立的保護區，并且相間電壓不平衡問題對橋式差流保護的影響較小。等級為35 kV 容量30000 kvar 以上66 kV 容量20000 kvar 以上。橋式差流保護如圖3所示。

圖3 橋式差流保護示意圖

4 配電網并聯電容器事故分析及保護方式優化

4.1 外熔斷器應用故障調查

某變電站35 kV 電容器組出現了故障，其中8號電容器合閘時出現零壓保護動作彈跳，一個電容器瓷瓶折斷且C 相外熔器全部熔斷爆炸，母排有變形現象。此變電站共有八組35 kV 電容器組，各組均配備36臺電容器，采用的是單星型接電方式，電容器容量均為7200 kvar。故障發生前，該站35 kV 系統采用母線分段運行模式，301母聯開關為熱備用狀態。

4.2 故障原因分析

通過調取裝置記錄故障波形圖，發現合閘過程中C 相電流一直處于零狀態，保護裝置錄波并無故障出現，確定合閘時C 相熔斷器全部熔斷，因而合閘時C相并無電流。經母線電壓波形分析發現（圖4），三相過電壓均較高，特別是B 相過電壓幅值高于保護裝置記錄限值，而A 相及C 相分閘后存在相互反相脈沖，二者產生時間有11 ms，此時存在較高的重燃過電壓。因此可判定，內部場強過大、開關重新啟動是電容器被擊穿的主要原因，在高值過電壓形成后，電容器內部出現了極間短路。極間短路發生后，極間電壓升高，使一臺電容器被擊穿，故障電容器回路放電時產生強沖擊電流，使無故障電容器外熔絲被熔斷，因沖擊電流遠遠超出了熔斷器的防爆炸限值，因而本工程中出現了熔斷器爆裂問題，且導致距離較近的母排受到高熱影響而發生了變形。工作人員查看運行記錄時發現，斷路器兩次重燃時過電壓均較高，避雷器屬于正常動作，三相動作是否同時發生不能確定。

圖4 分閘時錄波圖

4.3 保護方式優化分析

通過了解本次事故發生原因發現，熔斷器作為保護方式并不可靠，由于大電流電熔器外熔絲不具備良好的開斷性能，本電站應淘汰熔斷器保護方法。同時，電容器組開關選型需要進一步加強，應選用具備良好電容電流開斷性能的斷路器，以防止開斷過程中出現開關重燃問題，進而有效防止重燃時產生過電壓。

5 結束語

電容器組是由電容器、電抗器、外熔絲、保護二次設備等多個配套元件組合而成的，電容器組設備選型時要遵循科學性與合理性原則，做好設備保護配置優化，以便從源頭上防止電容器組出現運行事故。電容器組接線時，應掌握各元件接線方法及要求。設備配置過程中，應盡可能避免混合應用內熔絲及外熔斷器，同時應根據系統諧波大小科學選擇電抗率，且結合電網實際情況科學選用開口三角零序電壓保護、電壓差動保護、中性線不平衡電流/電壓保護、橋式差流保護四種繼電保護方式，通過加大保護配置投入為電容器組的運行安全提供保障。