并聯(lián)電容器保護誤動原因探究

1 故障概述

目前，變電站電容器組專用單元微機保護裝置已取代了傳統(tǒng)的熔管保護和繼電器保護，能夠實現(xiàn)二段過流、零序電壓等保護功能，集保護、監(jiān)控于一體，與傳統(tǒng)熔管保護相比，集成化程度及保護程度高。由于變電運行管理部門對電容器組專用單元微機保護整定不夠重視，往往采用裝置出廠默認保護設置，其后果容易引起保護誤動作。我們知道，電容器出線總開關保護是電容器組單元微機保護的遠后備保護，兩者其保護范圍和反映故障類型各異，如果在保護整定上不滿足保護選擇性要求，可能引起保護誤動作。近期，我公司曾發(fā)生過一起因電容器組單元微機保護整定錯誤發(fā)生的保護誤動現(xiàn)象。

2011年某月某日，35kV刁口變集中補償電容器組投入運行，10kV電容器投入第一組后，運行正常。當將第二組電容投入后，電容器組專用微機保護裝置發(fā)出“過流二段動作，Ib=2.50A”故障信號，第二組電容器合閘后隨即分閘。查看裝置定值：過流一段5A，0s;二段1.5A,0.5s;零序電壓保護20V,0.5s。事后，我們對電容器組專用微機保護定值重新進行了計算，結合現(xiàn)場跳閘數(shù)據(jù)進行分析，找出了此次跳閘的原因所在。

2 原因分析

2.1 電容器組結構分析

目前，國內對并聯(lián)電容器裝置的單臺電容器內部故障，通常有如下三種保護方式：內熔絲加微機保護、外熔斷器加微機保護和無熔絲僅有微機保護。目前我公司電容器采用外熔斷器加微機保護及無熔絲僅有微機保護方式。按照GB50227-2008《并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)范》要求，廠家采用不同的保護方式，其優(yōu)缺點各異。對于外熔斷器加微機保護，在國內中小容量電容器上被廣泛采用，優(yōu)點是：故障時能夠直觀、及時發(fā)現(xiàn)外熔斷器熔斷，便于更換處理。采用外熔斷器作為短路保護，能夠克服內熔絲保護存在的死區(qū)，即：電容器內部引線之間短路和電容器套管閃絡擊穿，以及作為電容器內部元件串聯(lián)段發(fā)生擊穿短路(內熔絲保護失敗)的后備保護，動作電流與動作時間呈反時限特性，在電容器發(fā)生擊穿短路時迅速被切除。內熔絲加微機保護形式，前幾年主要是進口電容器和集合式并聯(lián)電容器采用，近期國內發(fā)展起來的大容量單臺電容器裝設有內熔絲。由于采用內熔斷器結構，一般裝置內部空間距離增加，金屬耗材增大，成本增加且技術要求高等，如果在技術協(xié)議中沒有明確規(guī)定，廠家一般不采用此結構。電容器內部沒有熔絲保護，又不裝設外熔斷器僅采用微機保護，這種形式比較少，從保護可靠性、選擇性看，不如外熔斷器加微機保護，優(yōu)點是降低了成本。

2.2 電容器組運行中發(fā)生故障的類別及對應保護措施

運行中變電站電容器故障通常有如下幾種情況：

2.2.1 電容器組和電容器總開關之間連線故障;

2.2.2 電容器內部故障及其引出線短路;

2.2.3 電容器組中，某一故障電容器切除后所引起剩余電容器的過電壓;

2.2.4 所連接的母線失壓;

2.2.5 電容器組過電壓;

按照GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》規(guī)定：對3kV及以上的并聯(lián)電容器組的下列故障應分別裝設保護。

對2.2.1條故障采取在電容器總開關保護中裝設限時速段保護和過流保護;對2.2.2條故障采用電容器組微機保護及外熔斷器保護;對于2.2.3條故障采用不平衡電壓保護，其原理當電容器發(fā)生故障后，其電容量發(fā)生變化，將引起電容器組內部相關的兩部分之間的電容量不平衡，形成的電壓差構成開口三角電壓保護。這種保護的優(yōu)點是：不受系統(tǒng)接地故障和系統(tǒng)電壓不平衡的影響、不受三次諧波的影響、靈敏度高、使用的設備數(shù)量少、安裝簡單，是中小容量電容器組常用的一種保護方式。其缺點是：放電線圈三相性能差異和電源三相不平衡都會產(chǎn)生起始不平衡電壓，將影響保護的靈敏度。為了避免電容器組合閘、斷路器三相合閘不同步、外部故障等情況下誤動作，延時一般為0.1～1.0s;對于2.2.4條故障采用失壓保護，原因一是當電容器組停電后立即恢復送電，將造成電容器帶電荷合閘，致使電容器過電壓而損壞;二是當變電站停電后恢復送電，可能造成變壓器帶電容器合閘，變壓器與電容器的合閘涌流以及過電壓將使兩者均受到傷害;對于2.2.5條故障采用過電壓保護，按電容器端電壓不長時間超過1.1倍電容器額定電壓的原則整定。

2.3 電容器組微機保護整定計算

目前我公司變電站運行中的并聯(lián)電容器組為單星形接線，電容器內部小元件按先并后串且無熔絲,外部接線按有無并聯(lián)電容器及是否裝設專用單臺熔斷器方式連接。其中三個站采用LDBH201電容器組微機保護單元，電容器裝有專用單臺熔斷器;一個站采用DSB2030型電容器組微機保護單元，電容器未裝有單臺熔斷器。整定計算時，不同廠家產(chǎn)品其整定要求不同，同時按照保護整定規(guī)程要求，電容器是否裝設專用單臺熔斷器其計算公式也不同。下面分別舉例說明保護整定計算原則及結果。

2.3.1 DSB2030型微機保護單元保護整定計算：

110kV羅家變電容器組采用單純的微機保護，電容器未裝設單臺熔斷器，電容器型號為DS5-12/3000-3N，分三組投切，容量比為1:2:3，單星形接線。其參數(shù)如表1：

圖1 無單臺熔斷器電容器組

2.3.1.1 零序電壓整定計算

按照《3～110kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》規(guī)定：應躲過由于三相電容的不平衡、電網(wǎng)電壓的不對稱、正常時所存在的不平衡零序電壓，在整定時應盡量降低保護定值，以提高較高的靈敏度，同時應滿足廠家要求。

第一組和第二組開口三角動作電壓整定值：

式中：UDZ:開口三角零序電壓整定值

U——————放電線圈的二次相電壓57.7V;(實際放電線圈變比：10000/100)

N——————每相電容串段數(shù)為4

M——————每相電容并聯(lián)只數(shù)為2

考慮靈敏度要求，用公式(1)計算的值應盡量降低，

UDZ=5.77V≈5V

零序電壓定值?。?V，因該裝置程序中已經(jīng)固化為0.2s，因此動作時限整定為0s。

第三組零序電壓：

U——————放電線圈的二次相電壓57.7V(實際放電線圈變比：10000/100)

N——————每相電容串段數(shù)為4

M——————每相電容并聯(lián)只數(shù)為2

為取得較高的靈敏系數(shù)，在整定計算時應盡量降低保護定值，UDZ≈3.037V≈3V，因該裝置程序中已經(jīng)固化為0.2s，因此動作時限整定為0s。

2.3.1.2 一、二段過流定值計算：

按照保護規(guī)程要求，電容器分別裝設限時電流速斷及過電流保護。按照廠家提供的動作條件：裝置中動作電流IDZ為A、C兩相電流相量差。

2.3.1.2.1 第一組整定值計算如下：

A、C兩相量差電流二次值IAC=1.732×0.874≈1.52(A)

第一組限時電流速斷定值IDZ=KKIAC=2.5×1.52≈3.8(A),式中KK為可靠系數(shù)，取2.5。按照規(guī)程要求，時限取0.1～0.2s，由于該單元保護裝置內部已經(jīng)固化為0.2s，因此時限整定為0s。

第一組過流定值IDZ=KKIAC=1.8×1.52≈2.74(A),式中KK為可靠系數(shù)，取1.8。時限與電容器出線總開關時限滿足選擇性要求，整定為0.5s。

2.3.1.2.2 第二組整定值計算如下：

A、C兩相量差電流二次值IAC=1.732×1.05≈1.818(A)

第二組限時電流速斷定值IDZ=KKIAC=2.5×1.818≈4.55(A),式中KK為可靠系數(shù)，取2.5。按照規(guī)程要求，時限取0.1～0.2s，但該單元保護裝置內部已經(jīng)固化為0.2s，因此時限整定為0s。

第二組過流定值IDZ=KKIAC=1.8×1.818≈3.27(A),式中KK為可靠系數(shù)，取1.8。時限與電容器出線總開關時限滿足選擇性要求，整定為0.5s。

2.3.1.2.3 第三組整定值計算如下：

A、C兩相量差電流二次值IAC=1.732×0.98≈1.70(A)

第三組限時電流速斷定值IDZ=KKIAC=2.5×1.70≈4.26(A),式中KK為可靠系數(shù)，取2.5。按照規(guī)程要求，時限取0.1～0.2s，但該單元保護裝置內部已經(jīng)固化為0.2s，因此時限整定為0s。

第三組過流定值IDZ=KKIAC=1.8×1.70≈3.06(A),式中KK為可靠系數(shù)，取1.8。時限與電容器出線總開關時限滿足選擇性要求，整定為0.5s。

2.3.2 LDBH201電容器組微機保護單元整定計算：

35kV刁口變電容器組采用單純的微機保護，電容器裝設單臺熔斷器，分三組不等容投切，容量比為1:2:3，單星形接線。其參數(shù)如表2：

表格 2

2.3.2.1 零序電壓整定計算

按照《3～110kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》規(guī)定：對于電容器裝有專用單臺熔斷器的情況，其開口三角電壓整定值計算公式與上面計算不同。

第一組開口三角電壓整定值：

式中：UDZ:開口三角零序電壓

N:每相電容串段數(shù)為4

M:每相電容并聯(lián)只數(shù)為1

KLM:靈敏系數(shù)為1.5

NTV:電壓互感器變比為100(實際放電線圈變比：10000/100)

β：單臺電容器元件擊穿相對數(shù)為0.50

為躲過正常運行時不平衡電壓，UDZ=5.77V≈5V

零序電壓定值?。?V，動作時限：0.2s

第二、三組開口三角電壓整定值：

U——————放電線圈的二次相電壓57.7V;(實際放電線圈變比：10000/100)

N——————每相電容串段數(shù)為4

M——————每相電容并聯(lián)只數(shù)為2

為取得較高的靈敏系數(shù)，在整定計算時應盡量降低保護定值，UDZ≈3.73V≈3V

動作時限取0.2s

2.3.2.2 一、二段過流定值計算：

按照保護規(guī)程要求，電容器分別裝設限時電流速斷及過電流保護。

2.3.2.2.1 第一組整定計算值如下

相電流二次值IE =[250/(11/√3)]/(50/5)≈1.31(A)

限時電流速斷定值取IDZ=KKIAC=2.5×1.31≈3.28(A),式中KK為可靠系數(shù)，取2.5。按照規(guī)程要求，時限取0.1～0.2s，因此時限為0.2s。

過流定值取IDZ=KKIAC=1.8×1.31≈2.36(A),式中KK為可靠系數(shù)，取1.8s，時限取0.5s。

2.3.2.2.2 第二組整定計算值如下

相電流二次值IE =[500/(11/√3)]/(50/5)≈2.62(A)

限時電流速斷定值取IDZ=KKIAC=2.5×2.62≈6.55(A),式中KK為可靠系數(shù)，取2.5。按照規(guī)程要求，時限取0.1～0.2s，因此時限為0.2s。

過流定值取IDZ=KKIAC=1.8×2.62≈4.71(A),式中KK為可靠系數(shù)，取1.8s，時限取0.5s。

2.3.2.2.3 第三組整定計算值如下

相電流二次值IE =[750/(11/√3)]/(50/5)≈3.94(A)

限時電流速斷定值取IDZ=KKIAC=2.5×3.94≈9.85(A),式中KK為可靠系數(shù)，取2.5。按照規(guī)程要求，時限取0.1～0.2s，因此時限為0.2s。

過流定值取IDZ=KKIAC=1.8×3.94≈7.09(A),式中KK為可靠系數(shù)，取1.8s，時限取0.5s。

根據(jù)對35kV刁口變整定計算結果與保護動作數(shù)據(jù)對比可以看出，在投入第二組時，之所以導致過流保護動作，原因是動作前裝置定值為1.5A，0.5s，實際保護動作電流為2.50A。通過計算，第二組過流保護整定值應為4.71A，投入的定值遠小于實際計算值，因此導致保護誤動作，將微機保護單元定值按照計算結果重新投入后，運行正常。

3 結束語

《國家電網(wǎng)公司預防高壓并聯(lián)電容器事故措施》規(guī)定：采用電容器成套裝置及集合式電容器時，應要求廠家提供保護計算方法和保護整定值并進行核算，避免電容器組保護定值錯誤而引發(fā)事故。電容器組保護動作后，應對電容器組進行檢測，未經(jīng)檢測核實確無故障，不得再投運,避免帶傷電容器再投運而引起爆炸起火。為此，我們向廠方索取了整定計算方法，并重新修訂了整定計算值。

同時，在新電容器投入運行前，要求對電容器做不平衡保護動作試驗，以檢驗保護裝置參數(shù)設置和動作是否準確，試驗方法是：對于成套裝置，若每相有多臺并聯(lián)，可拆除一臺電容器;若每相有多個串聯(lián)段，可將多串聯(lián)段中的一段短接，以人為制造一個不平衡故障，然后通電運行，看保護是否正確動作。電容器裝置與其它電器設備不同，除非有特殊情況，否則嚴禁在不接入主保護(不平衡保護)的情況下合閘運行。