电力电容器差压保护与不平衡电压保护的探讨

肖 蕾

（国网湖北孝感供电公司检修公司 湖北 孝感 ４３２０００）

摘 要：继电保护的配置应针对一次设备的实际结构配置最适合的保护。电力电容器差压保护与不平衡电压保护都是在电力系统中广泛用于电力电容器原件的主保护。如何实现两种保护的适当配置，并且在技改，运行过程中，准确监视其运行状态，合理的整定继电保护定值都关系到电力电容器继电保护装置能否准确反映故障，稳定运行的技术要求。分析了电力电容器差压保护与不平衡电压保护所适用的具体环境，针对电力电容器一次接线方式，配置相应保护，加强继电保护测量得故障量前中间环节的检测，能进一步优化电力系统继电保护运行，提升系统稳定性。

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关键词 ：电力电容器；差压保护；不平衡电压保护

中图分类号：TM531.4 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．02．０39

收稿日期：２０１4－１１－26

０ 引 言

电力电容器因为其结构特殊性，往往采用能直接反映电容器内部故障的电容器差压保护或不平衡电压保护作为主保护，电力电容器过流保护虽然能起到切除故障的作用，但其灵敏性与速动性落后于差压保护与不平衡电压保护。电力电容器作为电网中重要的无功补偿元件能有效保障电网的电压稳定性。然而，在实际应用中，电力电容器继电保护的合理配置，与放电线圈测量继电保护回路等没有引起足够的重视。因为电力电容器继电保护配置不适当，初始不平衡电压的存在造成保护误动的事件时有发生。

１ 电力电容器不平衡电压保护误动分析

１．１ 事故经过与处理

２０１２年２月２４日晚，湖北孝感２２０ｋＶ熊家嘴变电站１０ｋＶ熊＃４电容器组放电线圈二次测量回路开口三角测量电压达到６Ｖ限值，不平衡电压保护动作，熊４４开关跳闸，熊＃４电容器组退出运行。经孝感供电公司变电检修中心事故后对熊＃４电容器进行了各相内分电容量的检查，放电线圈变比试验后中发现。２月２４日晚发生故障跳闸的熊＃４电容器内部无故障，各相内分电容量一致，放电线圈变比一致。从而证实，２４日晚间故障熊４４开关跳闸为系统存在瞬态的三相电压不平衡，导致三相放电线圈一次绕组电压不一致，引起二次绕组电压有偏差，使得开口电压超标从而造成的熊４４开关误动切除了１０ｋＶ熊＃４电容器。

２０１２年４月孝感供电公司变电检修中心安排对３台集合式电容器１０ｋＶ熊＃１电容，熊＃３电容，熊＃４电容进行了继电保护不平衡电压保护改接为差压保护。熊＃１、＃３、＃４电容均为同一厂家的集合式电力电容器其一次接线形式为单星型接线，但每相由两组电容器串联组成。熊＃２电容器为框架式电力电容器，其一次接线形式为单星型接线。１０ｋＶ熊＃１、＃２、＃３、＃４电容器内部接线方式（见图１、图２、图３）。

２ 差压保护的应用

２．１ 差压保护的原理

差压保护一般用在成两串型式电容器，即每相电容器由两串电容器组成，因此用差压保护。

电容器的差压保护就是根据串联电阻的分压原理。是通过检测同相电容器两串联段之间的电压，并作比较。当设备正常时，两段的容抗相等，各自电压相等，因此两者的压差为零。当某段出理故障时，由于容抗的变化而使各自分压不再相等而产生压差，当压差超过允许值时，保护动作。

２．２ 差压保护的整定计算

差动电压定值按部分单台电容器（或单台电容器内小电容元件）切除或击穿后，故障相其余单台电容器所承受的电压不长期超过１．１倍额定电压的原则整定，同时，还应可靠躲过电容器组正常运行时的段间不平衡差电压。动作时间一般整定为０．１～０．２ｓ。

对未设置专用单台熔断器保护的电容器组：

Ｕｄｚ为动作电压（Ｖ）；ｎｙ为电压互感器变比；Ｋｌｍ为灵敏系数，取１．２５～１．５；Ｕｃｈ为差电压（Ｖ）；Ｋ为因故障而切除的电容器台数；β为任意一台电容器击穿元件的百分数；Ｎ为每相电容器的串联段数；Ｍ为每相各串联电容器并联台数。ΔＵｃ为故障相的故障段与非故障段的压差（Ｖ）；Ｕｅｘ为电容器组的额定相电压（Ｖ）。

２．３ 系统电压对差压保护的影响

从原理上可知因两段是串联在电路上的，因此当电容器是正常的情况下，电网电压对护保影响是有限的（暂态过压除外）。同时１０ＫＶ系统为非有效接地系统，单相接地时只影响相对地的电压，相及相间电压并没有改变，因此对保护是没有影响的。

３ 不平衡电压保护

３．１ 不平衡电压保护的原理

不平衡电压保护也可称为开口三角形保护或零序电压保护。它的原理是分别检测电容器的端电压，再在二次端接成开口三角形得出零序电压，从而发现三相是否平衡而得出设备是否有故障。

３．２ 不平衡电压保护的整定

电压定值按部分单台电容器（或单台电容器内小电容元件）切除或击穿后，故障相其余单台电容器所承受的电压（或单台电容器内小电容元件）不长期超过１．１倍额定电压的原则整定。同时还应可靠躲过电容器组正常运行时的不平衡电压，动作时间一般整定为０．１～０．２ｓ。

零序电压保护的整定计算。

对有专用单台熔断器保护的电容器组。

对未设置专用单台熔断器保护的电容器组。

Ｕｄｚ为动作电压（Ｖ）；ｎｙ为电压互感器变比；Ｋｌｍ为灵敏系数，取１．２５～１．５；Ｕｃｈ为差电压（Ｖ）；Ｋ为因故障而切除的电容器台数；β为任意一台电容器击穿元件的百分数；Ｎ为每相电容器的串联段数；Ｍ为每相各串联电容器并联台数；Ｕｅｘ为电容器组的额定电压（Ｖ）。

３．３ 系统电压对不平衡电压保护的影响

因放电线圈一次端的两个端口是直接接在电容器两端的，因此它检测的电压只由设备的两端电压决定（这与线路上的电压互感器的开口三角检测不一样：线路上的电压互感器一次绕组，二次绕组均是是接地的，所以其二次侧测量到的均为相对地电压，而电容器放电线圈检测到的均为相对中性点电压即相电压），而单相接地时并不影响到相及相间电压，因此对电容器的保护并没影响。

在中性点不接地系统中，当出现单相接地故障时，地由零电位变为故障相电位，其他两相的对地电压均为线电压，零对地为相电压，用万用表测电容器外壳与各相的电压，两相是线电压一相是零。电容器三相电压不变，电容器可照常工作，没有过压。

４ 熊家嘴变电站１０ｋＶ电容器保护配置

在２０１２年４月改造工作进行之前，熊＃１、＃２、＃３、＃４电容均采用不平衡电压保护配置。熊＃１、＃３、＃４电容器为单星型两串式接线方式，故本次２２０ｋＶ熊家嘴变电站智能化改造中将起保护配置为差压保护，熊＃２电容为单星型接线方式，故仍采用不平衡电压保护。

２０１２年２月２４日晚， １０ｋＶ熊＃４电容器组放电线圈二次测量回路开口三角测量电压达到６Ｖ限值，不平衡电压保护动作，熊４４开关跳闸，熊＃４电容器组退出运行。经检查熊＃４电容器内部无故障，进行试验检测各相内分电容量一致，放电线圈变比一致。

系统存在瞬态的三相电压不平衡，导致三相放电线圈一次绕组电压不一致，引起二次绕组电压有偏差，使得开口电压超标从而造成的熊４４开关误动切除了１０ｋＶ熊＃４电容器（见图4）。

由此看出，不平衡电压保护存在的缺陷，是不能在试验过程中看人为控制的三相电源不平衡这一因素，通过试验可以检查三相电容量，放电线圈变比及二次负载，电抗器电抗率等因素。虽然电容器不平衡电压保护检查的是相对中性点电压，在系统发生接地故障时不会误动，但是却避免不了三相电源不平衡产生的零序电压。

这种情况下将ｘ１与ａ２短接，ａ１与ｘ２的电压引出与下一相的ａ１，ｘ２端子串联形成开口三角。

不平衡保护与差压保护的保护范围均应为电容器内部故障，但不平衡电压保护反映的是三相相电压叠加之后产生的零序电压，受到系统三相电压不平衡的影响，有误动作的可能。而且，在电容器本身每相已分为两段，且放电线圈也分为两段的情况下，人为短接ｘ１，ａ２端子从而来采集ａ１与ｘ２端子上的每相端电压的做饭也是较显多余的。当然因为技术原因，２２０ｋＶ熊家嘴变电站１０ｋＶ电容器保护原保护为许继电气公司的ＷＤＲ－８２０只具备了不平衡电压保护，在当时条件下不得已对熊＃１、＃３、＃４电容也采用了不平衡电压保护的配置方式。在２２０ｋＶ熊家嘴变电站智能化改造过程中１０ｋＶ电容器保护全部更换为了南京南自电气公司ＰＳＣ－６４１保护装置，其保护功能中已举办了分相采集差压的“不平衡电压１、不平衡电压２、不平衡电压３”。所以，熊＃１、＃３、＃４电容器在电容器内部已分成两组电容器串联的情况下应采用能更直观反映电容器内部故障的差压保护（见图5）。

这种接线方式下，ａ１与ａ２短接ｘ１与ｘ２间的电压引入保护装置，相当于采集了两串电容器组间的电压做了一次比较，看是否相等，不等时的偏差时再分相引入继电保护装置，如此每相的差压都是准确反映电容器内部电容量的平衡与是否有熔丝熔断，存在单个小电容器退出后造成电容量不平衡而存在差压。从此，可以清晰的看出在单星型两串电容器组的接线方式下采用差压保护更能准备反映电容器内部故障，并且有效的避免了系统三相电源不平衡对继电保护的影响。

５ 电容器不平衡电压保护误动作问题分析

有可能造成不平衡电压保护误动作的原因：

（1）三相的电容不平衡。电容器本身三相不平衡误差影响的， 这种情况是由于电容器制造原因产生，在投运初期应该从初始不平衡电压的测量中进行检查。

（2）放电线圈之间变比的差异及放电线圈二次负载不平衡。放电线圈在投运前应进行变比试验，二次回路阻抗也应进行测量。

（3）三相的串联电抗器电抗率的不一致。电容器所穿电抗器其本身的误差过大或在电网内存在较大的高次谐波。

（4）三相电源的不对称。所有对电容器不平衡电压的分析都必须考虑三相电源不对称对不平衡电压保护的影响。而不平衡电压保护可以感知系统的零序分量，因变比关系又可以将系统的零序电压放大３倍；系统零序电压分量值与系统接地方式、空气湿度、电网的电容电流等因素关系密切。接地方式和电网电容电流可以检测，但空气湿度无法人为控制，空气湿度增大可直接导致电网零序电压分量增加，曾发生过多起因阴雨造成的电容器开口三角不平衡电压保护误动事故。

６ 电力电容器在投运前的初始不平衡电压的检查

综合以上因素，电力电容器在投入运行后，无故障情况下，因为本身电容量、电抗器电抗率、系统电源不对称、放电线圈变比等因素造成不平衡电压保护存在初始不平衡电压，初始不平衡电压产生过大的影响，极可能导致电容器不平衡电压保护的误动。

故不平衡电压保护在电容器投入时，继电保护人员应认真进行对初始不平衡电压的复核。大于０．５Ｖ时应认真分析原因，确认不平衡电压保护定值是否需要调整。

初始不平衡电压需实测以纠正以上因素对保护整定计算带来的影响。但在实际运行中， 因对不平衡保护的重视力度不够， 往往只按厂家推荐定值或直接按相关整定公式计算出定值投入不平衡保护， 忽略了电容器自身的初始不平衡， 导致电容器不平衡电压保护过于灵敏， 在现场经常发生误动事故。

７ 结语

随着社会经济的快速发展，工业经济与居民用电都对电能可靠供应与电能质量提出了更高的要求，保证电能的可靠传输，电能质量优良，是电力企业的工作重点。完善骨干变电站中的各类主设备元件的继电保护配置，建设坚强可靠的“智能电网”，是保障供电可靠性的重要技术手段。变电站内各元件继电保护的配置应针对一次设备的实际结构配置最适合的保护。如果在２０１２年２月前已经完成了熊＃１、＃３、＃４电容的继电保护更换工作，针对单星型两串式电容器配置差压保护，２月２４日的熊＃４电容器熊４４开关电容器保护误动作是完全可以避免的。同时无论是差压保护还是不平衡电压保护，因为都经过了放电线圈测量这一中间环节，来测量一次设备的电压，所以都需考虑中间设备不准备的因素造成的测量电压值不准备，从而造成继电保护装置误动作。所以在施工改造过程中，不仅仅是对电容量，电抗器电抗率等常规试验，同时应加强对放电线圈变比及二次回路负载的检测。继电保护人员应在送电投运后及时测量初始不平衡电压，将实测值反映给继电保护定值整定人员，防止电容器不平衡电压保护过于灵敏， 防止发生误动事故。

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参考文献

１ 卓乐友，董柏林．电力工程电气设计手册（电气二次部分）［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００７

２ 毛锦庆．电力系统继电保护规定汇编［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００９

（责任编辑 要 毅）