并聯(lián)電容器保護(hù)誤動(dòng)原因探究

1 故障概述

目前，變電站電容器組專用單元微機(jī)保護(hù)裝置已取代了傳統(tǒng)的熔管保護(hù)和繼電器保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)二段過(guò)流、零序電壓等保護(hù)功能，集保護(hù)、監(jiān)控于一體，與傳統(tǒng)熔管保護(hù)相比，集成化程度及保護(hù)程度高。由于變電運(yùn)行管理部門對(duì)電容器組專用單元微機(jī)保護(hù)整定不夠重視，往往采用裝置出廠默認(rèn)保護(hù)設(shè)置，其后果容易引起保護(hù)誤動(dòng)作。我們知道，電容器出線總開(kāi)關(guān)保護(hù)是電容器組單元微機(jī)保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，兩者其保護(hù)范圍和反映故障類型各異，如果在保護(hù)整定上不滿足保護(hù)選擇性要求，可能引起保護(hù)誤動(dòng)作。近期，我公司曾發(fā)生過(guò)一起因電容器組單元微機(jī)保護(hù)整定錯(cuò)誤發(fā)生的保護(hù)誤動(dòng)現(xiàn)象。

2011年某月某日，35kV刁口變集中補(bǔ)償電容器組投入運(yùn)行，10kV電容器投入第一組后，運(yùn)行正常。當(dāng)將第二組電容投入后，電容器組專用微機(jī)保護(hù)裝置發(fā)出“過(guò)流二段動(dòng)作，Ib=2.50A”故障信號(hào)，第二組電容器合閘后隨即分閘。查看裝置定值：過(guò)流一段5A，0s;二段1.5A,0.5s;零序電壓保護(hù)20V,0.5s。事后，我們對(duì)電容器組專用微機(jī)保護(hù)定值重新進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)跳閘數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)構(gòu)分析

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)并聯(lián)電容器裝置的單臺(tái)電容器內(nèi)部故障，通常有如下三種保護(hù)方式：內(nèi)熔絲加微機(jī)保護(hù)、外熔斷器加微機(jī)保護(hù)和無(wú)熔絲僅有微機(jī)保護(hù)。目前我公司電容器采用外熔斷器加微機(jī)保護(hù)及無(wú)熔絲僅有微機(jī)保護(hù)方式。按照GB50227-2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，廠家采用不同的保護(hù)方式，其優(yōu)缺點(diǎn)各異。對(duì)于外熔斷器加微機(jī)保護(hù)，在國(guó)內(nèi)中小容量電容器上被廣泛采用，優(yōu)點(diǎn)是：故障時(shí)能夠直觀、及時(shí)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(hù)，能夠克服內(nèi)熔絲保護(hù)存在的死區(qū)，即：電容器內(nèi)部引線之間短路和電容器套管閃絡(luò)擊穿，以及作為電容器內(nèi)部元件串聯(lián)段發(fā)生擊穿短路(內(nèi)熔絲保護(hù)失敗)的后備保護(hù)，動(dòng)作電流與動(dòng)作時(shí)間呈反時(shí)限特性，在電容器發(fā)生擊穿短路時(shí)迅速被切除。內(nèi)熔絲加微機(jī)保護(hù)形式，前幾年主要是進(jìn)口電容器和集合式并聯(lián)電容器采用，近期國(guó)內(nèi)發(fā)展起來(lái)的大容量單臺(tái)電容器裝設(shè)有內(nèi)熔絲。由于采用內(nèi)熔斷器結(jié)構(gòu)，一般裝置內(nèi)部空間距離增加，金屬耗材增大，成本增加且技術(shù)要求高等，如果在技術(shù)協(xié)議中沒(méi)有明確規(guī)定，廠家一般不采用此結(jié)構(gòu)。電容器內(nèi)部沒(méi)有熔絲保護(hù)，又不裝設(shè)外熔斷器僅采用微機(jī)保護(hù)，這種形式比較少，從保護(hù)可靠性、選擇性看，不如外熔斷器加微機(jī)保護(hù)，優(yōu)點(diǎn)是降低了成本。

2.2 電容器組運(yùn)行中發(fā)生故障的類別及對(duì)應(yīng)保護(hù)措施

運(yùn)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(kāi)關(guān)之間連線故障;

2.2.2 電容器內(nèi)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(guò)電壓;

2.2.4 所連接的母線失壓;

2.2.5 電容器組過(guò)電壓;

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

對(duì)2.2.1條故障采取在電容器總開(kāi)關(guān)保護(hù)中裝設(shè)限時(shí)速段保護(hù)和過(guò)流保護(hù);對(duì)2.2.2條故障采用電容器組微機(jī)保護(hù)及外熔斷器保護(hù);對(duì)于2.2.3條故障采用不平衡電壓保護(hù)，其原理當(dāng)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(nèi)部相關(guān)的兩部分之間的電容量不平衡，形成的電壓差構(gòu)成開(kāi)口三角電壓保護(hù)。這種保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)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(shè)備數(shù)量少、安裝簡(jiǎn)單，是中小容量電容器組常用的一種保護(hù)方式。其缺點(diǎn)是：放電線圈三相性能差異和電源三相不平衡都會(huì)產(chǎn)生起始不平衡電壓，將影響保護(hù)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(dòng)作，延時(shí)一般為0.1～1.0s;對(duì)于2.2.4條故障采用失壓保護(hù)，原因一是當(dāng)電容器組停電后立即恢復(fù)送電，將造成電容器帶電荷合閘，致使電容器過(guò)電壓而損壞;二是當(dāng)變電站停電后恢復(fù)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(guò)電壓將使兩者均受到傷害;對(duì)于2.2.5條故障采用過(guò)電壓保護(hù)，按電容器端電壓不長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)1.1倍電容器額定電壓的原則整定。

2.3 電容器組微機(jī)保護(hù)整定計(jì)算

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

2.3.1 DSB2030型微機(jī)保護(hù)單元保護(hù)整定計(jì)算：

110kV羅家變電容器組采用單純的微機(jī)保護(hù)，電容器未裝設(shè)單臺(tái)熔斷器，電容器型號(hào)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(wú)單臺(tái)熔斷器電容器組

2.3.1.1 零序電壓整定計(jì)算

按照《3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》規(guī)定：應(yīng)躲過(guò)由于三相電容的不平衡、電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱、正常時(shí)所存在的不平衡零序電壓，在整定時(shí)應(yīng)盡量降低保護(hù)定值，以提高較高的靈敏度，同時(shí)應(yīng)滿足廠家要求。

第一組和第二組開(kāi)口三角動(dòng)作電壓整定值：

式中：UDZ:開(kāi)口三角零序電壓整定值

U——————放電線圈的二次相電壓57.7V;(實(shí)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(jì)算的值應(yīng)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(dòng)作時(shí)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(shí)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(jì)算時(shí)應(yīng)盡量降低保護(hù)定值，UDZ≈3.037V≈3V，因該裝置程序中已經(jīng)固化為0.2s，因此動(dòng)作時(shí)限整定為0s。

2.3.1.2 一、二段過(guò)流定值計(jì)算：

按照保護(hù)規(guī)程要求，電容器分別裝設(shè)限時(shí)電流速斷及過(guò)電流保護(hù)。按照廠家提供的動(dòng)作條件：裝置中動(dòng)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(jì)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(shí)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(shí)限取0.1～0.2s，由于該單元保護(hù)裝置內(nèi)部已經(jīng)固化為0.2s，因此時(shí)限整定為0s。

第一組過(guò)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(shí)限與電容器出線總開(kāi)關(guān)時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)限取0.1～0.2s，但該單元保護(hù)裝置內(nèi)部已經(jīng)固化為0.2s，因此時(shí)限整定為0s。

第二組過(guò)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(shí)限與電容器出線總開(kāi)關(guān)時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)限取0.1～0.2s，但該單元保護(hù)裝置內(nèi)部已經(jīng)固化為0.2s，因此時(shí)限整定為0s。

第三組過(guò)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(shí)限與電容器出線總開(kāi)關(guān)時(shí)限滿足選擇性要求，整定為0.5s。

2.3.2 LDBH201電容器組微機(jī)保護(hù)單元整定計(jì)算：

35kV刁口變電容器組采用單純的微機(jī)保護(hù)，電容器裝設(shè)單臺(tái)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(jì)算

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

第一組開(kāi)口三角電壓整定值：

式中：UDZ:開(kāi)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(shí)際放電線圈變比：10000/100)

β：?jiǎn)闻_(tái)電容器元件擊穿相對(duì)數(shù)為0.50

為躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)不平衡電壓，UDZ=5.77V≈5V

零序電壓定值?。?V，動(dòng)作時(shí)限：0.2s

第二、三組開(kāi)口三角電壓整定值：

U——————放電線圈的二次相電壓57.7V;(實(shí)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(jì)算時(shí)應(yīng)盡量降低保護(hù)定值，UDZ≈3.73V≈3V

動(dòng)作時(shí)限取0.2s

2.3.2.2 一、二段過(guò)流定值計(jì)算：

按照保護(hù)規(guī)程要求，電容器分別裝設(shè)限時(shí)電流速斷及過(guò)電流保護(hù)。

2.3.2.2.1 第一組整定計(jì)算值如下

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

限時(shí)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(shí)限取0.1～0.2s，因此時(shí)限為0.2s。

過(guò)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(shí)限取0.5s。

2.3.2.2.2 第二組整定計(jì)算值如下

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

限時(shí)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(shí)限取0.1～0.2s，因此時(shí)限為0.2s。

過(guò)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(shí)限取0.5s。

2.3.2.2.3 第三組整定計(jì)算值如下

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

限時(shí)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(shí)限取0.1～0.2s，因此時(shí)限為0.2s。

過(guò)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(shí)限取0.5s。

根據(jù)對(duì)35kV刁口變整定計(jì)算結(jié)果與保護(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，在投入第二組時(shí)，之所以導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，原因是動(dòng)作前裝置定值為1.5A，0.5s，實(shí)際保護(hù)動(dòng)作電流為2.50A。通過(guò)計(jì)算，第二組過(guò)流保護(hù)整定值應(yīng)為4.71A，投入的定值遠(yuǎn)小于實(shí)際計(jì)算值，因此導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，將微機(jī)保護(hù)單元定值按照計(jì)算結(jié)果重新投入后，運(yùn)行正常。

3 結(jié)束語(yǔ)

《國(guó)家電網(wǎng)公司預(yù)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(shí)，應(yīng)要求廠家提供保護(hù)計(jì)算方法和保護(hù)整定值并進(jìn)行核算，避免電容器組保護(hù)定值錯(cuò)誤而引發(fā)事故。電容器組保護(hù)動(dòng)作后，應(yīng)對(duì)電容器組進(jìn)行檢測(cè)，未經(jīng)檢測(cè)核實(shí)確無(wú)故障，不得再投運(yùn),避免帶傷電容器再投運(yùn)而引起爆炸起火。為此，我們向廠方索取了整定計(jì)算方法，并重新修訂了整定計(jì)算值。

同時(shí)，在新電容器投入運(yùn)行前，要求對(duì)電容器做不平衡保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)，以檢驗(yàn)保護(hù)裝置參數(shù)設(shè)置和動(dòng)作是否準(zhǔn)確，試驗(yàn)方法是：對(duì)于成套裝置，若每相有多臺(tái)并聯(lián)，可拆除一臺(tái)電容器;若每相有多個(gè)串聯(lián)段，可將多串聯(lián)段中的一段短接，以人為制造一個(gè)不平衡故障，然后通電運(yùn)行，看保護(hù)是否正確動(dòng)作。電容器裝置與其它電器設(shè)備不同，除非有特殊情況，否則嚴(yán)禁在不接入主保護(hù)(不平衡保護(hù))的情況下合閘運(yùn)行。