第四章 电容器的继电保护技术.docx

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第四章电容器的继电保护技术

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电力系统继电保护新技术与故障检验调试电力主设备继电保护新技术

第四章电容器的继电保护技术

第一节双星形接线的电流平衡保护

电力电容器保护概述

在电力系统中，绝大多数的输配电设备（线路、变压器等）和用电设备（异步电动机、电磁设备、电子设备等）都是电感性元件，系统电源必须向这些感性元件提供大量的感性无功功率才能使它们正常工作。

但是这些无功功率仅靠发电机来提供是远远不够的。

而且，当发电机距离电感性设备元件较远时，由于大量无功功率的输送，将会增加网络传输电能损耗。

因此，必须采取一些措施，就地平衡感性无功功率，使电网能安全、经济地运行。

目前，在电力系统中常采用两种方法为：

采用同步调相机，一般装在一次变电站；另一种采用电力电容器就地或集中补偿无功功率。

补偿无功功率的电力电容器，也称并联电容器或移相电容器，一般安装在二次变电站和用电设备处。

电力电容器与其他系统设备一样，在运行中，由于外部的以及装置内部的原因会发生各种故障，可能发生的故障有：

电容器组的引线相间短路；电容器组的接地故障；电容器内部元件的击穿等故障。

还可能有一些不正常运行状态：

电网电压太高，使电容器处于过电压下运行；由于电容器组接线方式的原因，在电容器组中部分电容器退出运行，造成其余正常运行的电容器组中部分电容器处于过电压下运行；由于电源中高次谐波的影响，使电容器过电流运行等。

有些故障对电网的安全运行构成很大的威胁，如电容器由于内部元件故障引起箱壳爆裂并引发火灾造成扩大事故等。

所以必须对集中安装的电容器组装置加装各种保护，以确保电容器装置及整个系统的安全运行。

目前，电力电容器组保护都采用熔断器与继电保护相配合的方式。

对相间故障采用过电流保护装置。

（速断、延时过流）；对单相接地故障采用零序电流保护装置。

对电容器内部元件击穿故障以及退出部分电容器所造成的过电压，采用的保护方式较多，对一次为单星形接线的有桥差电流保护、开口三角电压保护、零序电压保护以及相电压差动保护；对一次为双星形接线的有中性线电流平衡保护、中性线电压平衡保护；对一次为单三角形接线可采用另序电流保护；对一次为双三角形接线可采用横差电流保护。

熔断器作保护单台电容器保护。

对电网电压过高可采用过电压保护。

工作原理

双星形接线的电容器组原理图见图4.1.1所示。

按所需安装的电容器总容量，平衡地分配在两组电容组中，即I组总电容量应等于Ⅱ组总电容量，而每一组星形的总电容量又必须平均分配在各相（称各臂）。

每一臂电容都可以根据电网电压以及所需容量的大小采取先并联后串联的方式，其中字

〖请看图片D27，+75mm。

60mm，BP#〗

图4.1.1双星形电容器组接线图〗

母“M”代表电容器的并联数，“N”代表电容器的串联段数。

在以下的计算、分析中，将有M台电容器并联组称为一个段，即每臂有M并联、N段串联组成。

TA为继电保护及仪表指示用电流互感器，装于双星形中性线（由于中性线的阻抗很小，实际计算中可以忽略，因此可将该线看作一个节点，故亦称中性点）上的电流互感器用于电流平衡保护。

L为各相串联电抗器，

U·AN、U·BN、U·CN为各相电源电压，FU为单台电容器熔丝保护。

正常运行时，由于在安装时就做到各组、各相、各臂的电容量相等，这样在中性线上就没有电流通过。

当电容器内部元件发生击穿故障或部分电容器退出运行时，双星形中性点就会产生位移，并在中性线上产生不平衡电流。

中性点电流平衡保护就是利用这一特点工作的。

中性点电流平衡保护接线简单，使用的设备较少，而且保护的灵敏度较高，在电容器保护中得到了广泛应用。

现就中性线电流的大小与电容器发生击穿故障以及部分电容器退出运行之间的关系进行具体的分析、计算。

双星形接线发生电容器内部元件击穿故障计算方法

单台电容器内部都具有一定数量的单个电容器（称其为内部元件）先并联后串联而组成。

当内部某一元件被击穿时，将造成该并联串所有电容元件短接，所以在具体计算时，只计及电容器内部元件的串联数，而不考虑内部元件的并联数。

击穿数对原整个内部元件的串联系数比称为击穿系数λ。

当λ=0.5代表50%击穿，当λ=1时代表电容器已贯穿性击穿。

（1）当一个电容器臂中一台电容器内部击穿时，双星形的中性线上不平衡电流为

I·ub=3λ6N［1+（1-λ）（M-1）］-5λI·AN

=3λ6N［M（1-λ）+λ］-5λI

（1）

式中I·AN——正常运行时，每个星形臂电流。

当N=1时

I·ub=3λ1+（1-λ）（6M-1）I·AN

=3λ6M（1-λ）+λI·AN

（2）

（2）当某一台电容器内部元件击穿时，通过该台电容器的故障电流为

I·K=6N6N［1+（1-λ）（M-1）］-5λ·I·AN

=MI·NM（1-λ）+λ-5λ6N（3）

其中I·AN=MI·N

式中I·N——单台电容器的额定电流。

当N=1时有

I·K=6M1+（1-λ）（6M-1）I·N

=6MI·N6M（1-λ）+λ（4）

（3）双星形接线电容器组退出部分单台电容器后的电气量计算。

退出部分电容器以后，会造成某些正常运行电容器的过电压，退出台数以K代表，而在实际计算分析中，通过计算可得退出K台后的过电压最严重的是节电压，因此下面分析的过电压以节电压为计算结论。

①当退出部分电容器后，中性线上不平衡电流为

I·ub=3K（M-K）（6N-5）+5MI·AN

=3I·AN6NMK-1+5（5）

I·ub=3K6M-KIAN=3MK6M-KI·N=

3I·AN6MK-1（6）

②当退出K台后运行电容器节电压计算。

UK=6MN6N（M-K）+5KUN，C（7）

式中UK——退出K台电容器上的故障后电压；

K——在一组星形一个臂上一个串联段内退出的单元数；

UN，C——电容器的额定电压。

当电容器额定电压UN，C与运行实际电压为一致时，可用上述计算；当运行电压低于UN，C时，可采用最高可能产生的运行电压代入计算。

当UKUN，C=1.1作为极限时，K的极限计算为

K≤0.6MN〗6.6N-5.5（8）

由式（8）即可计算电容器组中在一个臂的一个节上，退出K为多少台时会出现达到1.1倍过电压值，也即在已定并联数M，串联数N之下求出K为多少时会出现节电压达到过电压。

通过以上的计算、分析，可以了解电容器发生内部元件击穿故障以及部分电容器退出运行时，双星形接线中性点不平衡电流大小。

同时，提出了当电容器组发生故障时，退出部分电容器后的电容器运行中过电压的问题。

双星形接线中性点电流平衡保护在两组电容器中同相同臂发生均等电容器故障时，将失去保护作用，这是该保护的一个缺点。

为了提高单台电容器熔丝保护以及中性点电流平衡保护的灵敏度，电容器组的一次接线应采取先并联后串联的方式，如图4.1.2所示。

〖请看图片D28，+45mm。

60mm，BP#〗

图4.1.2电容器双星形一次接线方式

（a）先串后并方式；（b）先并后串方式〗

在图4.1.2（a）所示的接线方式中，当某一电容器（Cf）内部元件发生击穿故障时，通过故障串的电流为Icf=U/2XC,而正常串的电流为IC=U/3XC，所以Icf/IC=U/2XCU/3XC=3/2或写成Icf=1.5IC，即通过故障电容器的电流为正常时电流的1.5倍。

如按图4.1.2（b）所示的接线方式，当电容器Cf击穿时，通过正常电容器的电流各为原来电流的1.5倍，则通过故障电容器的电流Icf=3×1.5IC=４.5IC，即通过故障电容器的电流为正常电流的4.5倍。

从以上的分析可知，按先并后串的方式，可以在电容器发生故障时明显地加大了通过单台电容器熔丝的电流，使熔丝保护提高了保护的灵敏度。

双星形接线电容器组构成的零序电流平衡保护接线

由于双星形接线电流平衡保护的灵敏度很高，所以用一套电流平衡保护很难与单台电容器的保护熔丝相配合。

当电容器发生内部元件部分击穿故障时，继电保护往往在熔丝熔断之前就动作跳闸，这样给现场运行维护人员的检修工作带来了不便。

为了解决这个矛盾，可以采用二套（或称二段式）电流平衡保护来实现与单台熔丝保护的配合。

具体接线如图4.1.3所示。

〖请看图片D29，+45mm。

75mm，BP#〗图4.1.3双星形接线电流平衡保护展开图〗

图4.1.3中交流回路由电流互感器TA1、电流试验端子XB、电流继电器KA1和KA2组成。

一般来说电流互感器是能够满足二次负担不超过10%误差要求的，因此，只需使用继电保护专用的电流互感器二次绕组，将另一组仪表用电流互感器二次绕组短接。

KA1用于I段继电保护，KA2用于Ⅱ段继电保护。

直流回路由两个时间继电器和两个信号继电器以及连接片组成。

其中时间继电器KTM1用于第I段继电保护的延时，时间继电器KTM2用于第Ⅱ段继电保护的延时。

KTM1可以使用DS-112型时间继电器，由于第Ⅱ段继电保护的时延较长，电磁机械型继电器已难胜任，所以可以采用高精度时间继电器。

信号继电器KS1、KS2分别用第I段及第Ⅱ段继电保护，信号继电器可以采用常规的型式即DX-11型。

当电容器发生故障并达到整定值时，电流继电器KA1或KA2动作，“+”电源通过触点KA1或KA2启动时间继电器。

当达到整定时限，“+”电源通过KTM1或KTM2、信号继电器电流线圈以及连接片XB（跳闸压板）出口跳闸。

当电容器内部发生贯穿性故障时，首先单台熔丝应起作用熔断，如果不熔断，则由中性点电流平衡保护第I段切除（短延时），如果电容器内部是非贯穿性故障，则按故障程度由熔丝或中性点电流保护来切除故障。

图中LT为断路器跳闸线圈，QF为断路器辅助触点。

整定基本方法

对电力电容器内部元件击穿故障实现保护，一般都采用单台熔丝保护和继电保护相配合原则。

当电容器发生故障时，单台熔丝应该首先熔断，将故障电容器退出运行，一方面切断故障点，另一方面由于熔丝熔断后有明显标志而便于检查维修。

熔丝保护的可靠性较高，但在实际使用中也会发生一些问题；由于熔丝元件熔断时不能及时断弧、熔丝管在经电弧电流作用下发生爆炸等，这些问题都有可能造成相间故障事故。

因此，配置反应电容器内部元件故障的继电保护，还应在熔丝失去保护时起作用。

在本节计算中已谈到，当熔丝保护正确动作切除部分电容器后，运行中的非故障电容器将承受过电压。

在过电压倍数不是很大时，即使过电压达到或超过了1.1倍电容器允许的水平，而电容器或熔丝通过的电流达不到熔断值，但电容器却不允许长时运行，因此，继电保护就应该延时动作，将过电压电容器组退出运行。

从上述情况来看，继电保护的整定不仅要从电容器组发生故障情况出发，而且还需考虑与单台熔丝保护特性尽可能相配合，才能体现保护适合的作用。

（一）熔丝保护的配置

当电力电容器在允许最高工作电压下运行时，由于电网高次谐波的影响而造成电容器过电流。

根据制造标准规定，当通过电容器的电流有效值达到电容器额定电流值的1.3倍时，电容器仍能长期运行，同时，由于电容器容量允许有-5%～+10%的误差，所以在配置单台熔丝保护时，应考虑以上两点因素，即

IFU>1.1×1.3I〗N=1.43IN

实际单台电容器熔丝保护的额定电流IFU取为

IFU=1.5IN（9）

式中IFU——单台电容器熔丝保护的额定电流；

IN——单台电容器额定电流。

按单台电容器熔丝制造规定要求，熔丝熔断的安秒特性应满足1.5IFU约75s左右熔断，21IFU约7.5～8s。

根据式（9）得

1.5IFU=1.5×1.5IN=2.25IN，tr≤75s

2IFU=2×1.5IN=3IN，tr≈7.5～8s（10）

根据式（10）计算依据，就可从一般概念上来分析熔丝熔断特性与电容器击穿系数λ之间的关系。

由式（9）与式（10），可按已分析的式（3）、式

（2）等式进行相应的计算。

（二）中性点电流平衡继电保护整定方法

1.继电保护整定应考虑的问题

（1）当熔丝能在电容器箱壳耐爆安全时间内熔断时，继电保护的动作时限可慢于熔丝熔断时间。

这样选择的目的是为了便于运行人员能及时发现故障并加以维修。

当所使用的熔丝由于某些原因不能在安全时间内切断故障电容器时，继电保护必须动作，以防事故扩大。

电容器耐爆安全时间可以参考有关规定，也可向电容器制造厂家索取。

一般目前国内制造厂已定的规定，按1.5IN选择单台电容器熔丝元件，是可以达到耐爆安全时间要求的。

（2）从计算式分析可见，当击穿系数λ较小，以M=5，N=1为例，当击穿系数λ为0.6左右时，故障电容器通过的故障电流IK=2.38IN处在略大于2.25IN的边界，Iub=0.714IN,必然熔断时间很长，继电保护时限也就取得较长，要达到几分钟才能与熔丝配合。

从故障的计算公式中可以看到，随着击穿系数λ的增大，通过中性点以及故障电容器的电流将急剧增大，当M=5、N=1时、λ=1的IK=30IN

，Iub=15IN，此时熔断时间的毫秒级熔丝熔断时间明显缩短。

在λ=1时，故障电流的增大同时也给箱壳的耐爆性能增大了威胁，因此，为防止事故扩大，继电保护的动作时限必须要短些，因此，可以采用Ⅱ段式继电保护方式，通过不同的电流、时限整定来满足保护要求。

2.继电保护整定方案

根据以上的讨论，对双星形接线中性点的另流平衡保护的整定，可以按以下几点方案进行。

（1）单台电容器熔丝额定电流按IFU=1.5IN选取熔丝元件。

（2）零序电流平衡继电保护可以按Ⅱ段式电流保护方式进行整定。

第I段为短延时电流保护；第Ⅱ段为长延时电流保护。

①第I段。

以击穿系数λ近于1时中性点的电流值为计算条件，中性点电流按式

（2）计算。

由于电容器在运行中，可能遇到电网电压降低，电容器组安装容量不一致造成的中性点不平衡电流等影响，所以灵敏度可取Ksen=2。

继电器的一次动作电流为：

KK，act=Iub/Ksen=12Iub（11）

动作时限应根据λ=1时，熔丝熔断时间来确定，继电保护的时限可以比熔丝熔断时间稍长些。

比如，λ=1时，熔丝熔断时间tFU≤0.03s，则保护时间可取t=0.15s左右。

保护动作时限的选择应符合国家规定的电容器耐爆条件。

第I段中性点电流平衡保护，不能作为部分电容器退出运行后的过电压保护。

②第Ⅱ段。

继电器动作电流可按以下二点计算：

a.按躲过电容器组正常运行时的最大不平衡电流计算，即

IK，act≥KrelKubIN（12）

式中Krel——可靠系数取1.15～1.2；

Kub——正常运行时，中性点不平衡电流系数，取0.025；

IN——每相电容器额定电流（指二组电容器的全电流）。

b.按λ=0.6（内部元件五串）或λ=0.75（内部元件四串）时的中性点不平衡电流I′ub计算，即

IK，sen≤I′〗ub/Ksen=I′ub/1.2（13）

式中K′sen——灵敏系数取1.2。

取以上计算值的中间值为继电器的一次动作电流。

第Ⅱ段保护的动作时限应于1～3min内选择。

第Ⅱ段保护起到退出部分电容器后的过电压保护作用，因此，须校核切除K台后，在运行过电压下，电容器组能否被切除。

3.例题

在35kV降压变电站的10kV侧母线上安装总容量为3000kvar并联补偿电容器，双星形接线，每一组为1500kvar，每组中一相（每臂）为500kvar。

设备选用：

单台电容器为100kvar，额定电压11/3kV允许长期运行最高电压为11/3×110%=12.1/3kV电容器内部元件为4串，每臂并联5台即M=5，N=1；每相串联电抗器的额定电抗为XL=0.4032Ω，10kV母线最高运行电压为10.7kV最低运行电压为10kV。

采用双星形中性点电流平衡保护，第I段为短延时，第Ⅱ段为长延时。

中性点电流互感器变比为20/5。

电容器还采用单台熔丝保护。

计算如下：

（1）单台电容器额定电流为

IN=QNUN=10011/3=15.75（A）

（2）单台电容器容抗为

XN=11000/315.75=403.2（Ω）

（3）正常时每臂容抗为

Xs=XNM=403.25=80.64（Ω）

（4）正常时每相容抗为

X=Xs2=80.642=40.32（Ω）

正常时每相额定电流为

IA=QN/3U=3000/3×11=157.5（A）

（5）电抗器的主要作用是限制谐波电流与合闸时的涌流，由于电抗器的电抗很小，对电容器内部元件故障时中性点不平衡电流的影响不大，所以在本例计算时将电抗器电抗近似视为零。

（6）单台电容器的熔丝保护。

根据式（9）得

IFU=1.5IN=1.5×15.75=23.63（A）

取额定电流为24A熔丝或25A的熔丝。

（7）第I段中性点电流平衡保护计算。

①当击穿系数λ=1时，流过中性点的不平衡电流计算，按式

（1）计算

Iub=3λ6N［1+（1-λ）（M-1）］-5λI〗AN

=3λ6［1+（1-1）（5-1）］-515.75×5=236.25（A）

②继电器动作电流为

IK，act≤IubKsennTA=236.25A2×20/5=29.53（A）

由于最低运行电压为10kV比11kV低9%。

因此IK，act值也相应降低9%，即为26.85A。

③当λ=1时，流过故障电容器的电流由式（3）计算

IK=6N6N［1+（1-λ）（M-1）］-5λIAN

=6×15.75×5=472.5（A）

考虑到最低运行电压为10kV，相应故障电容器全击穿时通过的故障电流为430A，此时如采用24A熔断器，型号为BR2-10/50P型，其熔断时间约为65～70ms。

而此时流入零序电流平衡保护的一次电流为215A以上，大大高于动作电流118A，能使零序电流平衡保护可靠动作。

④零序电流平衡继电保护动作时限取tI=0.12～0.15s即可。

（8）第Ⅱ段中性点电流平衡保护。

①取击穿系数λ=0.75（内部元件击穿3串）时，中性点不平衡电流计算可参见式

（2），作如下计算

Iub=3λ1+（1-λ）（6M-1）IAN

=3×0.751+（1-0.75）（6×5-1）×15.75×5

=21.5（A）

②电流继电器动作电流按式（12）计算如下

IK，act≥KrelKubIN/nTA

≥1.15×0.025×157.5÷20/5=1.132

按式（13）计算则有

IK，act≤IubKsennTA=21.51.2×4=4.48（A）

如果运行电压为10kV时，相当于降低9%，因此，按此式计算中的4.48A可改为4.08A。

保护继电器实际电流取

IK，act=2.5A

③当击穿系数λ=0.75时，通过故障电容器的电流，由式（4）计算为

IK=61+（1-λ）（6M-1）×15.75×5

=61+（1-0.75）（6×5-1）×15.75×5=57.3（A）

由上计算可见在λ为0.75时，流过故障电容器的单台熔丝电流为57.3A，如果运行电压降到91%时此电流值约为52A水平，此时，故障电流和熔丝额定电流之比为52/24=2.17倍，因此，其熔断时间肯定小于75s～80s水平，按特性曲线查得为10s内熔断。

④第Ⅱ段另流平衡继电器动作时限取tⅡ=60s。

⑤核对当退出K台电容器后第Ⅱ段电流平衡保护动作情况：

a.计算在运行电压为10.7kV时当退出K台电容器后的电容器过电压情况。

计算可参照前述式（7）计算如下。

K=1,此时有

UK=6MN6N（M-N）+5KUn，c

=6×5×16×1（5-1）+5×10.7

=11.068（kV）

K=2，此时有

UK=3028×10.7=11.46（kV）

K=3，此时有

UK=11.9（kV）

由K=1～3计算可见，故障臂中电容器退出3台后在最高运行电压为10.7kV时，还达不到1.1×11后的过电压退出要求，而只有当最高运行电压为11kV时，才要求退出整组电容器。

因此极限系数K=3。

b.核算在第Ⅱ段电流平衡保护动作电流启动时的退出台数K为多少，可由式（5）计算

Ink=3IAN6NMK-1+5=3×5×15.7524+5=8.15（A）

K=2，此时有

Ink=3×5×15.7514=16.875（A）

根据以上K=1～2的计算结果可见：

当K=1时，中性线通过8.15A低于电流平衡保护第Ⅱ段的启动电流10A之数值。

当K=2时，中性线上通过16.875A，即使运行电压下降为91%，也有15.4A，比启动电流10A大1.5倍，因此可启动。

也即当K=2时，电容器组能够由第Ⅱ段电流平衡保护来切除，作运行检查。

该动作电流比K=3极限系数提高了，如为要和K=3极限系数相同，则可将电流定值再由2.5A放大到5A，相当于一次动作电流为20A，可以完全躲开K=2的切除操作。

但实际上K=2或3已无关紧要，因为电容器组已有K=1单元退出了，所以仍取动作电流为2.5A来保证第Ⅱ段电流元件的灵敏度为妥。

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电力系统继电保护新技术与故障检验调试

电力主设备继电保护新技术

第四章电容器的继电保护技术

第二节三角形接线的横差电流保护新技术

工作原理

三角形接线的横差电流保护装置是用于双三角形接线电容器组的内部故障保护装置，防止由于电容器内部元件击穿造成电容器的爆炸或扩大成相间故障而动作于跳闸。

双三角形