电力电容器组不平衡保护综述

摘 要：科技日益进步，经济持续发展，用户用电对电能的要求也日益升高。其中，电压质量是很重要的一个方面，不单对用户生产、生活、工作有重大影响，对整个电网的安全稳定经济运行也有着至关重要的作用。输电线路在同等条件下，电压越低传输的电能就越小。因此，必须保证无功电源的供应，即在变电站及用户负荷处，将一定量的电容器串联、并联在一起，形成电容组，使其达到一定的容量、满足一定的电压要求，补偿系统无功、调节该节点电压。文章介绍电容器组主接线与不平衡保护之间的对应关系，根据运行经验提出电容器组故障的查找方法。

关键词：电力电容器；不平衡保护；接线方式

中图书分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）32-0131-02

科技日益进步，经济持续发展，用户用电对电能的要求也日益升高。不单是对电能数量的需求不断增长，其对电压质量要求也越来越高，即不单要有足够的电能，还要有稳定的电能——即电压、频率、波形需符合要求，才能保证用户的用电设备持续保持最好的工作性能，从而保证工效效率。其中，电压质量是很重要的一个方面，不单对用户生产、生活、工作有重大影响，对整个电网的安全稳定经济运行也有着至关重要的作用。

与电压质量息息相关的就是无功电源，无功不足，会使得系统的电压幅值降低，对整个电网来说，电压过低可能引起电压崩溃，进而使系统瓦解，造成负荷大幅流失；对单个元件而言，电压的降低可能使其无法运行在最佳工况，同时造成电能损耗增大，甚至可能损坏设备，同时输电线路在同等条件下，电压越低传输的电能就越小。因此，必须保证无功电源的供应。同时，为了确保电网经济运行与用户的用电正常，又必须减小无功功率的流动，因此，无功补偿的基本原则是就地补偿。即在变电站及用户负荷处，将一定量的电容器串联、并联在一起，形成电容组，使其达到一定的容量、满足一定的电压要求，补偿系统无功、调节该节点电压。

1 电容器组接线方式的决定因素

电容器通常是将若干元件封装在一铁壳内，构成电容器单元，再由各单元先并后联，封装在铁箱内组成的。

当电容器组所接入电网的电压等级、容量要求确定以后，接线方式的选择则关系到了电容器组的安全性、可靠性以及经济性。决定接线方式的主要因素包括以下几个方面。

1.1 受耐爆容量限制

电容器组在运行过程中，若其中某个电容器击穿短路，这个电容器将承受来自其自身及其他并联电容器组的放电。为防止故障元件受放电能量过大冲击，导致电容元件爆炸，必须限制同一串联段上的并联台数，即有所谓的最大并联台数问题。可以通过减少并联数与增大串联段数的方法，来降低冲击故障电容器的放电能量。

1.2 接线方式与设备不配套的限制

20世纪90年代末至21世纪初，由于工艺上的改进，使电力电容器的介质，结构发生改变，普遍采用了全膜电容器。电容器的容量越来越大，因此派生出了很多新的结构与接线方式。同时，在一段时间内，由于缺乏较高的

66 kV电压等级的放电线圈，致使其保护选择及相应接线方式的应用受到限制，因此使相关接线方式适用范围受到了限制。由于这种不配套的限制，导致该时期电容器运行故障明显上升。经过阵痛之后，对配套设备的研究也跟上技术的研发进度，因此，这种限制现在基本消除。

1.3 与应用的场合有关

在电力企业中，多采用星形接法，在工矿企业变电所中多采用三角形接法。采用三角形接法时，能够过滤掉3次谐波电流，可以消除其对设备的影响，但其缺点是当电容器发生击穿短路时，其它相电容器的放电电流会对故障电容器产生冲击。星形接线时，电容器故障情况下受到其它两相容抗的限制，来自系统的工频短路电流最大不超过其额定电流的3倍，且不受其它相电容器放电电流的影响，相对而言可靠性更高。

2 电容器组接线方式及其相应不平衡保护

电容器组的接线方式较多，相应也产生了不同的不平衡保护。一般来说，同种不平衡保护接线下，既可采用电流式、也可采用电压式保护，其根本原理都是利用元件发生故障时产生的不平衡量来作为保护判据。在此仅列举三种方式，其余接线方式读者可再查找有关资料。

2.1 单星形接线采用零序电压保护

主要是利用电压互感器的开口三角电压形成不平衡电压，此时电压互感器一次绕组还可兼作放电线圈，可防止反复投入电容器组时，因残余电荷造成电容器组过电压。见图1单星形接线采用零序电压保护。

2.2 双星形主接线方式时采用中性线电流不平衡保护

对于双星形接线的电容器组，可采用中性线电流不平衡保护。当同相的两电容器组中发生电容器故障时，流过两串电容器组的电流不等，则中性线上必流过不平衡电流。见图2双星形主接线方式采用中性线电流不平衡保护。

2.3 单相为两组电容器组串联的星形接线采用电量压差动保护方式

同样的，电压互感器的一次绕组可以兼作放电线圈，二次绕组则接成压差式反极性串连法，正常运行时电容容抗值相等，压差为零；当有电容器损坏时，由于一次绕组分压不等，则二次绕组出现差压，使保护动作。见图3单相为两组电容器组串联的星形接线采用电量压差动保护方式。

3 不平衡保护动作原因分析

①配套设备各相性能差异较大产生不平衡分量。三相放电线圈及电抗器如果性能差异较大，那即使在母线侧的三相电源平衡，电容器组一次侧平衡的情况下，在二次侧也可能产生一个虚假的不平衡电压。如果不平衡电压保护设定值较低，则这个不平衡电压可能引起误动。当然，随着放电线圈及电抗器制作工艺的进步，这种情况还是较少发生。然而，在电容器组的选型及验收启动时，还是要关注这些参数。特别是负荷侧有较大的谐波源时，由于频率的升高，容抗、感抗之间的差异更大。

②母线三相不平衡导致电容器组产生不平衡分量。电容器组主接线方式采用星形接线，受到母线不平衡分量的影响较小，基本为零，因此不至于会产生不平衡电压或电流。若是采用三角形接法，则母线三相不平衡时，即使其幅值差为2%，相角差为1°时，该不平衡电压可能达到5%以上的额定电压值。电容器组投入运行时，对于10 kV电压等级的来说，操作时的过电压可能导致其产生不平衡分量，甚至造成击穿。

③电容器组各相容抗不平衡导致不平衡分量出现。三相电容值不平衡时，比如其单个电容器组容抗出现差异乃至发生故障击穿，则由于电压分配的原因，电容值小的相或串联段所承受的电压值就更高，不平衡分量由此出现。而承受电压值较高的，其运行工况较差，因此进一步恶化，不平衡分量越来越大，最终导致不平衡保护动作。

4 电容器组故障的防范与查找

4.1 严格控制电容器的运行工况

在运行中应严格监视电容器组的运行工况，如运行温度、电压电流等。电容器受运行温度的影响较大，当运行温度升高10℃时，其电容量下降的速度就提高一倍，而长期受高温影响会使其内部绝缘介质老化、损耗角增大，最终使电容器内部温升过高，如此循环，使其使用寿命降低，严重时可能造成热击穿，一般来说，应控制其温度在40℃以内。根据相关规程规定，电容期的允许工作电压为其额定值的1.1倍，允许工作电流为额定电流的1.3倍，在运行过程中应严格监视这些电气量，当超过规定值时，应立即退出电容器组的运行。

4.2 减少抑制操作过电压

35 kV及以下的电容器组投切时，宜采用真空断路器，其较好的机械特性，可避免操作时产生过电压。断路器分闸时，合闸相相角超接近零，则熄弧时间就截止长，介质恢复的强度就越高；相反，电流相角较大时分闸，熄弧时间越短，介质强度恢复不够，容易再次燃弧。而在合闸时，若在断口电压为零的瞬时投入电容器组，则产生过电压的机率就会小很多。因此，可通过采用相位控制器来控制投切时间。

也可利用氧化锌避雷器来抑制过电压，当产生过电压时，可利用避雷器释放能量。

4.3 控制电容器安装工艺

电容器安装过程中，其接头的安装工艺对今后的运行情况有较大影响。首先，接线端与母线铝排的连接，要注意其对电容器组施加的应力，如调整不当，可能使其发生渗漏。另外，各电容器之间的连接大多是采用铜铰线连接在一起的，而电容器组母线所采用的一般是铝排，因此在其连接过程中，应采用铜铝过渡接头；否则，直接接到铝排上，接头会发热，最终可能导致不平衡保护动作。

在某站的电容器组运行过程中，曾发现在24 h内，不平衡保护接连动作两次，经检查，均是外熔丝熔断，导致不平衡保护动作，在两个熔断的熔丝处检查，均在连接母排的地方有过热现象。对整台电容器组停运后彻查的结果是，其施工过程对接线头的压接不实，导致运行过程中发热，处理后，电容器组运行正常。

参考文献：

[1] GB 50227-2008，并联电容器装置设计规范[S].

[2]国家电网公司.110～500kV变电站通用设备典型规范[M].北京：中国电力出版社，2006.