電力電容器差壓保護論文
電力電容器差壓保護與不平衡電壓保護
摘 要：繼電保護的配置應針對一次設備的實際結構配置最適合的保護。電力電容器差壓保護與不平衡電壓保護都是在電力系統中廣泛用于電力電容器原件的主保護。如何實現兩種保護的適當配置，并且在技改，運行過程中，準確監視其運行狀態，合理的整定繼電保護定值都關系到電力電容器繼電保護裝置能否準確反映故障，穩定運行的技術要求。分析了電力電容器差壓保護與不平衡電壓保護所適用的具體環境，針對電力電容器一次接線方式，配置相應保護，加強繼電保護測量得故障量前中間環節的檢測，能進一步優化電力系統繼電保護運行，提升系統穩定性。
關鍵詞 ：電力電容器；差壓保護；不平衡電壓保護
０ 引 言
電力電容器因為其結構特殊性，往往采用能直接反映電容器內部故障的電容器差壓保護或不平衡電壓保護作為主保護，電力電容器過流保護雖然能起到切除故障的作用，但其靈敏性與速動性落后于差壓保護與不平衡電壓保護。電力電容器作為電網中重要的無功補償元件能有效保障電網的電壓穩定性。然而，在實際應用中，電力電容器繼電保護的合理配置，與放電線圈測量繼電保護回路等沒有引起足夠的重視。因為電力電容器繼電保護配置不適當，初始不平衡電壓的存在造成保護誤動的事件時有發生。
１ 電力電容器不平衡電壓保護誤動分析
１．１ 事故經過與處理
２０１２年２月２４日晚，湖北孝感２２０ｋＶ熊家嘴變電站１０ｋＶ熊＃４電容器組放電線圈二次測量回路開口三角測量電壓達到６Ｖ限值，不平衡電壓保護動作，熊４４開關跳閘，熊＃４電容器組退出運行。經孝感供電公司變電檢修中心事故后對熊＃４電容器進行了各相內分電容量的檢查，放電線圈變比試驗后中發現。２月２４日晚發生故障跳閘的熊＃４電容器內部無故障，各相內分電容量一致，放電線圈變比一致。從而證實，２４日晚間故障熊４４開關跳閘為系統存在瞬態的三相電壓不平衡，導致三相放電線圈一次繞組電壓不一致，引起二次繞組電壓有偏差，使得開口電壓超標從而造成的熊４４開關誤動切除了１０ｋＶ熊＃４電容器。
２０１２年４月孝感供電公司變電檢修中心安排對３臺集合式電容器１０ｋＶ熊＃１電容，熊＃３電容，熊＃４電容進行了繼電保護不平衡電壓保護改接為差壓保護。熊＃１、＃３、＃４電容均為同一廠家的集合式電力電容器其一次接線形式為單星型接線，但每相由兩組電容器串聯組成。熊＃２電容器為框架式電力電容器，其一次接線形式為單星型接線。１０ｋＶ熊＃１、＃２、＃３、＃４電容器內部接線方式（見圖１、圖２、圖３）。
２ 差壓保護的應用
２．１ 差壓保護的原理
差壓保護一般用在成兩串型式電容器，即每相電容器由兩串電容器組成，因此用差壓保護。
電容器的差壓保護就是根據串聯電阻的分壓原理。是通過檢測同相電容器兩串聯段之間的電壓，并作比較。當設備正常時，兩段的容抗相等，各自電壓相等，因此兩者的壓差為零。當某段出理故障時，由于容抗的變化而使各自分壓不再相等而產生壓差，當壓差超過允許值時，保護動作。
２．２ 差壓保護的整定計算
差動電壓定值按部分單臺電容器（或單臺電容器內小電容元件）切除或擊穿后，故障相其余單臺電容器所承受的電壓不長期超過１．１倍額定電壓的原則整定，同時，還應可靠躲過電容器組正常運行時的段間不平衡差電壓。動作時間一般整定為０．１～０．２ｓ。
對未設置專用單臺熔斷器保護的電容器組：
Ｕｄｚ為動作電壓（Ｖ）；ｎｙ為電壓互感器變比；Ｋｌｍ為靈敏系數，取１．２５～１．５；Ｕｃｈ為差電壓（Ｖ）；Ｋ為因故障而切除的電容器臺數；β為任意一臺電容器擊穿元件的百分數；Ｎ為每相電容器的串聯段數；Ｍ為每相各串聯電容器并聯臺數。ΔＵｃ為故障相的故障段與非故障段的壓差（Ｖ）；Ｕｅｘ為電容器組的額定相電壓（Ｖ）。
２．３ 系統電壓對差壓保護的影響
從原理上可知因兩段是串聯在電路上的，因此當電容器是正常的情況下，電網電壓對護保影響是有限的（暫態過壓除外）。同時１０ＫＶ系統為非有效接地系統，單相接地時只影響相對地的電壓，相及相間電壓并沒有改變，因此對保護是沒有影響的。
３ 不平衡電壓保護
３．１ 不平衡電壓保護的原理
不平衡電壓保護也可稱為開口三角形保護或零序電壓保護。它的原理是分別檢測電容器的`端電壓，再在二次端接成開口三角形得出零序電壓，從而發現三相是否平衡而得出設備是否有故障。
３．２ 不平衡電壓保護的整定
電壓定值按部分單臺電容器（或單臺電容器內小電容元件）切除或擊穿后，故障相其余單臺電容器所承受的電壓（或單臺電容器內小電容元件）不長期超過１．１倍額定電壓的原則整定。同時還應可靠躲過電容器組正常運行時的不平衡電壓，動作時間一般整定為０．１～０．２ｓ。
零序電壓保護的整定計算。
對有專用單臺熔斷器保護的電容器組。
對未設置專用單臺熔斷器保護的電容器組。
Ｕｄｚ為動作電壓（Ｖ）；ｎｙ為電壓互感器變比；Ｋｌｍ為靈敏系數，取１．２５～１．５；Ｕｃｈ為差電壓（Ｖ）；Ｋ為因故障而切除的電容器臺數；β為任意一臺電容器擊穿元件的百分數；Ｎ為每相電容器的串聯段數；Ｍ為每相各串聯電容器并聯臺數；Ｕｅｘ為電容器組的額定電壓（Ｖ）。
３．３ 系統電壓對不平衡電壓保護的影響
因放電線圈一次端的兩個端口是直接接在電容器兩端的，因此它檢測的電壓只由設備的兩端電壓決定（這與線路上的電壓互感器的開口三角檢測不一樣：線路上的電壓互感器一次繞組，二次繞組均是是接地的，所以其二次側測量到的均為相對地電壓，而電容器放電線圈檢測到的均為相對中性點電壓即相電壓），而單相接地時并不影響到相及相間電壓，因此對電容器的保護并沒影響。
在中性點不接地系統中，當出現單相接地故障時，地由零電位變為故障相電位，其他兩相的對地電壓均為線電壓，零對地為相電壓，用萬用表測電容器外殼與各相的電壓，兩相是線電壓一相是零。電容器三相電壓不變，電容器可照常工作，沒有過壓。
４ 熊家嘴變電站１０ｋＶ電容器保護配置
在２０１２年４月改造工作進行之前，熊＃１、＃２、＃３、＃４電容均采用不平衡電壓保護配置。熊＃１、＃３、＃４電容器為單星型兩串式接線方式，故本次２２０ｋＶ熊家嘴變電站智能化改造中將起保護配置為差壓保護，熊＃２電容為單星型接線方式，故仍采用不平衡電壓保護。
２０１２年２月２４日晚， １０ｋＶ熊＃４電容器組放電線圈二次測量回路開口三角測量電壓達到６Ｖ限值，不平衡電壓保護動作，熊４４開關跳閘，熊＃４電容器組退出運行。經檢查熊＃４電容器內部無故障，進行試驗檢測各相內分電容量一致，放電線圈變比一致。
系統存在瞬態的三相電壓不平衡，導致三相放電線圈一次繞組電壓不一致，引起二次繞組電壓有偏差，使得開口電壓超標從而造成的熊４４開關誤動切除了１０ｋＶ熊＃４電容器（見圖4）。
由此看出，不平衡電壓保護存在的缺陷，是不能在試驗過程中看人為控制的三相電源不平衡這一因素，通過試驗可以檢查三相電容量，放電線圈變比及二次負載，電抗器電抗率等因素。雖然電容器不平衡電壓保護檢查的是相對中性點電壓，在系統發生接地故障時不會誤動，但是卻避免不了三相電源不平衡產生的零序電壓。
這種情況下將ｘ１與ａ２短接，ａ１與ｘ２的電壓引出與下一相的ａ１，ｘ２端子串聯形成開口三角。
不平衡保護與差壓保護的保護范圍均應為電容器內部故障，但不平衡電壓保護反映的是三相相電壓疊加之后產生的零序電壓，受到系統三相電壓不平衡的影響，有誤動作的可能。而且，在電容器本身每相已分為兩段，且放電線圈也分為兩段的情況下，人為短接ｘ１，ａ２端子從而來采集ａ１與ｘ２端子上的每相端電壓的做飯也是較顯多余的。當然因為技術原因，２２０ｋＶ熊家嘴變電站１０ｋＶ電容器保護原保護為許繼電氣公司的ＷＤＲ－８２０只具備了不平衡電壓保護，在當時條件下不得已對熊＃１、＃３、＃４電容也采用了不平衡電壓保護的配置方式。在２２０ｋＶ熊家嘴變電站智能化改造過程中１０ｋＶ電容器保護全部更換為了南京南自電氣公司ＰＳＣ－６４１保護裝置，其保護功能中已舉辦了分相采集差壓的“不平衡電壓１、不平衡電壓２、不平衡電壓３”。所以，熊＃１、＃３、＃４電容器在電容器內部已分成兩組電容器串聯的情況下應采用能更直觀反映電容器內部故障的差壓保護（見圖5）。
這種接線方式下，ａ１與ａ２短接ｘ１與ｘ２間的電壓引入保護裝置，相當于采集了兩串電容器組間的電壓做了一次比較，看是否相等，不等時的偏差時再分相引入繼電保護裝置，如此每相的差壓都是準確反映電容器內部電容量的平衡與是否有熔絲熔斷，存在單個小電容器退出后造成電容量不平衡而存在差壓。從此，可以清晰的看出在單星型兩串電容器組的接線方式下采用差壓保護更能準備反映電容器內部故障，并且有效的避免了系統三相電源不平衡對繼電保護的影響。
５ 電容器不平衡電壓保護誤動作問題分析
有可能造成不平衡電壓保護誤動作的原因：
（1）三相的電容不平衡。電容器本身三相不平衡誤差影響的， 這種情況是由于電容器制造原因產生，在投運初期應該從初始不平衡電壓的測量中進行檢查。
（2）放電線圈之間變比的差異及放電線圈二次負載不平衡。放電線圈在投運前應進行變比試驗，二次回路阻抗也應進行測量。
（3）三相的串聯電抗器電抗率的不一致。電容器所穿電抗器其本身的誤差過大或在電網內存在較大的高次諧波。
（4）三相電源的不對稱。所有對電容器不平衡電壓的分析都必須考慮三相電源不對稱對不平衡電壓保護的影響。而不平衡電壓保護可以感知系統的零序分量，因變比關系又可以將系統的零序電壓放大３倍；系統零序電壓分量值與系統接地方式、空氣濕度、電網的電容電流等因素關系密切。接地方式和電網電容電流可以檢測，但空氣濕度無法人為控制，空氣濕度增大可直接導致電網零序電壓分量增加，曾發生過多起因陰雨造成的電容器開口三角不平衡電壓保護誤動事故。
６ 電力電容器在投運前的初始不平衡電壓的檢查
綜合以上因素，電力電容器在投入運行后，無故障情況下，因為本身電容量、電抗器電抗率、系統電源不對稱、放電線圈變比等因素造成不平衡電壓保護存在初始不平衡電壓，初始不平衡電壓產生過大的影響，極可能導致電容器不平衡電壓保護的誤動。
故不平衡電壓保護在電容器投入時，繼電保護人員應認真進行對初始不平衡電壓的復核。大于０．５Ｖ時應認真分析原因，確認不平衡電壓保護定值是否需要調整。
初始不平衡電壓需實測以糾正以上因素對保護整定計算帶來的影響。但在實際運行中， 因對不平衡保護的重視力度不夠， 往往只按廠家推薦定值或直接按相關整定公式計算出定值投入不平衡保護， 忽略了電容器自身的初始不平衡， 導致電容器不平衡電壓保護過于靈敏， 在現場經常發生誤動事故。
７ 結語
隨著社會經濟的快速發展，工業經濟與居民用電都對電能可靠供應與電能質量提出了更高的要求，保證電能的可靠傳輸，電能質量優良，是電力企業的工作重點。完善骨干變電站中的各類主設備元件的繼電保護配置，建設堅強可靠的“智能電網”，是保障供電可靠性的重要技術手段。變電站內各元件繼電保護的配置應針對一次設備的實際結構配置最適合的保護。如果在２０１２年２月前已經完成了熊＃１、＃３、＃４電容的繼電保護更換工作，針對單星型兩串式電容器配置差壓保護，２月２４日的熊＃４電容器熊４４開關電容器保護誤動作是完全可以避免的。同時無論是差壓保護還是不平衡電壓保護，因為都經過了放電線圈測量這一中間環節，來測量一次設備的電壓，所以都需考慮中間設備不準備的因素造成的測量電壓值不準備，從而造成繼電保護裝置誤動作。所以在施工改造過程中，不僅僅是對電容量，電抗器電抗率等常規試驗，同時應加強對放電線圈變比及二次回路負載的檢測。繼電保護人員應在送電投運后及時測量初始不平衡電壓，將實測值反映給繼電保護定值整定人員，防止電容器不平衡電壓保護過于靈敏， 防止發生誤動事故。
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