35kV双星型接线电容器组内部故障及其保护的探讨

摘要：介绍500kV变电站35kV双星型接线补偿电容器保护的基本配置情况。重点对中性线不平衡电流保护以及不平衡电压保护的原理、整定要求、灵敏度、保护优缺点进行分析，然后根据现场的一次设备接线情况进行选择以及提出改进方案。

关键字：双星型接线；保护整定；不平衡保护；

0、引言

电容器内部故障是电容器最常见、对设备伤害最大的故障，一台电容器的箱壳内部，由若干电容元件并联和串联组成。电容元件极板之间的绝缘在高电压强度作用下，在薄弱环节处产生过热，游离，直到局部击穿。个别元件的击穿，与之并联的诸电容元件均被短路。与此同时，与之串联的诸电容元件的电压升高，引起新的原件击穿，然后叠加在剩余电容的电压就更高，从而产生恶性连锁反应，终止于一台电容器的贯穿性短路。箱内故障电流增大，内部绝缘击穿，从而引起箱体爆裂、起火，酿成事故。所以合理的保护配置及整定是防止电容器内部故障发展的重要手段。

1、双星型接线电容器的内部故障机理

以500kV横沥站双星型电容器（内熔丝）为例进行分析，每相分两臂，每臂由30个电容器组成（见图1），每个电容器由60个电容元件组成，组成方式为六串十并（见图2）。

注：单元电容元件六串十并，N=6，M=10；每臂内两串十五并，Q=2，P=15；共两臂。

图1 电容器组接线图

图2 单元电容元件接线图

假设C相一单元内部有E个元件故障被熔丝断开后，设电容器组母线相电压为1．0(标么值)，故障单元电压值、故障单元过电压值倍数计算如下

故障前的单相电容器组总容抗为：

当E个元件内熔丝熔断后单元电容元件的电容值为：

当E个元件内熔丝熔断后单元电容元件内该串联段的过电压倍数为： ，由此算出单元电容器串联段过电压倍数如表1。

表1 单元电容器串联段过电压倍数

内熔丝熔断数 单元电容器串联段过电压倍数

1 1.09

2 1.20

3 1.34

4 1.50

5 1.71

6 2.00

7 2.40

所以当单元电容器内部有一片内熔丝熔断时，叠加在该串联段的电压为109%，而单元电容器内部有七片内熔丝熔断时，叠加在该串联段的电压为240%。按照标准，内熔丝的有效隔离电压峰值不高于 时内熔丝才能有效隔离。如果在合闸后的10周波里 倍过渡电压及高频谐波的存在，该单元的内熔丝无法有效隔离从而发生重燃。一旦串联段重燃，产生很高的3、5、7……倍增加过电压，从而被电弧短路的串联段数越来越多，这样恶性连锁反应只需几个周波就可导致一个串联段贯穿性击穿或被电弧烧伤外包封导致短路，从而在大概几百毫秒内形成相间贯穿性相间短路故障。

2、不平衡电流及不平衡电压保护

根据电容器内部故障的机理，选取双星型接线方式下电容器的两种保护配置，中性点不平衡电流保护只需在两臂的N线中串入一个不平衡电流互感器。而若采用电压差动保护，两个串联段的放电线圈二次侧按照差电压接线，每相电容器组的每个臂有一个差电压输出（如图4所示），双星形接法电容器组三相共有六个差电压输出。

图4 双星型接线电容器TV、CT配置图

2.1中性点不平衡电流计算及整定

可切除元件计算公式如下：

中型点不平衡电流计算公式如下：

以500kV横沥站4M #1容器组为例进行计算。已知：M=15+15=30；N=2；m=10；n=6；Kv=1.3；Iφ=910.91；KCT=5，KLM=1.1(灵敏系数)，则允许切除元件： 取整数K=3，中性点不平衡电流告警I段整定为：（K=2）

二次整定值I0’=I0/KCT/KLM=0.304/5/1.1≈0.055A。

中性点不平衡电流跳闸Ⅱ段整定为：（K=3）

二次整定值I0’=I0/KCT/KLM=0.510/5/1.1≈0.093°

2.2不平衡电压计算及整定

可切除元件计算公式如下：

不平衡电压计算公式如下： 同样以500kV横沥站4M #1容器组为例进行计算，已知：M=15（单臂）；N=2；m=10；n=6；Kv=1.3；Uex=22kV；KPT=350，KLM=1.1(灵敏系数)

不平衡电压整定为：（K=3）

二次整定值 ’= /KPT/KLM=49/350/1.1≈0.127V

由此看出，不平衡电压保护对于35kV电压等级高容量双星性接线电容器保护灵敏度明显不足，而且使用设备比较复杂，特殊情况需要增加设置电压放大回路，对称故障时保护不会动作。保护的灵敏度也要受到放电线圈性能的影响，当电容器组的串联段数增多时，保护灵敏度显著降低，使适用范围受到限制。

2.3、不平衡电流的优缺点以及改进方案

所以使用中性点不平衡电流保护是目前比较理想的方案。该保护优点是：若三相与两臂电容量均衡，则保护不受外界影响、保护灵敏度高，二次接线简单。缺点是：（1）实际电容值与计算值有误差，导致产生运行时的产生不平衡电流。（2）当两臂同时产生内熔丝熔断时，不平衡电流重新平衡。

所以针对以上缺点，提出以下改进方案：

（1）中性点不平衡保护由原来的一段式更改为两段式过流保护，过流I段按可切除元件K-1整定，过流I段告警，时间为5S。过流II段按允许切除元件数为K整定，时间0.2S。

（2）由于不平衡保护的误差，所以正常运行时有可能产生一定的不平衡电流，所以保护考虑按工频变化量电流来整定，即按I=In-IN-1整定，I整定值按按允许切除元件数为K整定。

（3）选用合适的CT变比，变比越小越好，这样电流保护的灵敏度越高。

3、结论

对于500kV变电站35kV补偿电容器，应当按照电容器容量要求选择适当的接线方式以及保护配置，对于60120MVar大容量的电容器组，应优先选用双星型接法以及配置中性点不平衡两段式过流保护。

参考文献

【1】电气主设备继电保护原理与应用（第二版），作者：王维俭；出版社：中国电力出版社；2001年11月16日。

【2】电容器组两段或两臂不等容量时内部故障继保整定计算分析，作者:王敏, 杨昌兴；2001年电力电容器学术交流会，2001年

作者简介：张建华，男，1981年生，助理工程师，从事继保保护管理工作

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。