高压并联电容器组保护的分析及参数计算(一)

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摘　要 随着高压配电网无功补偿需要的加大，无功补偿电容设备大量增加。合理配置电容器保护和正确应用电容器各种保护整定计算的公式十分重要。文章对高压并联电容器组保护给予了较详细的分析及公式推导，尤其是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情况下的零序电压保护等，对正确配置电容器保护和电容器各种保护的整定计算十分有益。
　　关键词 并联电容器 保护 分析 整定计算

　　1 引言

　　随着高压配电网无功补偿需要的加大，无功补偿电容设备大量增加，合理配置电容器保护和正确应用电容器各种保护整定计算的公式十分重要。而随着内熔丝技术的发展，大量的并联电容器装置，尤其是集合式并联电容器装置单元内部采用了内熔丝结构，传统的保护整定原则已经不能适应。电容器组保护中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，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保护；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。本文主要针对单星形接线的电容器组零序电压、电压差保护及双星形接线的电容器组中性线不平衡电流保护整定计算公式进行较详细的分析与推导，其他保护仅作简单介绍。
　　2 电力电容器组保护方式
　　2．1 短延时电流保护
　　当电容器组的引线相间短路故障时，电流增大，应迅速切除，保护范围为电容器主开关至电容器组之间连线的故障。在有串联电抗器的情况下，投入电抗器瞬间的冲击电流可达电容器额定电流的5—6倍，但衰减很快，经0．1～0．2s延时，可衰减近于电容器组的额定电流。该保护应通过延时躲过该冲击电流，因此短延时电流保护的时限可设为0．1～0．2s。
　　整定计算：
　　保护一次动作电流，

　　式中，为可靠系数，取3～5；， 为电容器组的额定电流；Kl 为保护安装出口最小灵敏度，应大于等于2； 为保护安装出口最小两相短路电流。
　　2．2 过电流保护
　　作为短延时电流保护的后备保护，反应电流增大，延时(0．3～1 s)动作。
　　整定计算：
　　保护一次动作电流
　　式中，为可靠系数，取1．5～2。
　　2．3 过电压保护
　　为防止配电系统运行电压过高危及电容器组的安全运行，配置电容器组过电压保护。该保护反应电容器组端电压增高，高于1．1 U 电容器组额定电压动作于信号，高于1．2 U 电容器组额定电压经5～10s延时动作于跳闸。
　　整定计算：
　　当电容器组串联电抗器时，由于容抗压降与感抗压降相位相反， 电容器组端电压高于母线电压△ U = 。测量电压互感器装于母线上，一次动作电压d 为：
　　式中，Kv为过电压系数，取1．1及1．2；XL/Xc为每相串联电抗器的感抗和电容器的容抗的比；U 为电容器组的额定电压，以10kV系统为例，。

　　2．4 低电压保护
　　为防止电容器组带电合闸损坏，配置电容器组低电压保护，反映电压降低延时动作。动作时间应该考虑同级母线上的其他出线故障时，在故障切除前不应先跳闸；当有备用电源自投装置时在自动投入电源或上级线路重合闸投入前应先跳闸。
　　整定计算：

　　式中，t 为要求配合的后备保护动作时间；At为配合时间，取0．3—0．5s。
　　2．5 零序电压保护
　　(1)对于单台电容器内部小元件按先并联后串联无熔丝、外部按先并联后串联有单台熔断器连接方式，三相按单星形接线。为防止某串联段K 台并联电容器熔丝熔断切除后，同段正常电容器过电压，配置电容器组零序电压保护，反应零序电压增大延时0．1 0．2s动作跳闸。
　　单台电容器内部元件m个并联n个串联连接，元件电容量为c 。每相电容器组由具有专用熔断器的单台电容器 台并联Ⅳ 台串联连接，单台电容器电容量为c。电容器组原理结构如图1所示。

　　设A相某段K 个单台电容器熔丝熔断切除(用标幺值，单台电容C=1；角频率 =1)，故障段故障后的电容Cfd：M —K。故障相(设A相故障)的电容
　　非故障相的电容
　　外加三相对称电压而三相负载阻抗不相等，则偏移电压

故障相电压

　　故障段非故障电容器过电压的倍数

　　式中，Cfx为故障相电容；Cfd为故障段电容。代入故障段电容Cfd、故障相电容Cfx、故障相电压U Af．故障段非故障电容器过电压的倍数

　　当允许过电压倍数U、，给定时，非故障段不超过允许过电压时最大允许切除电容器台数K 为

　　式中，U、，为允许过电压倍数，取1.2 -1.3。
　　当已知电容器允许过电压倍数U，用式(11)求得最大允许切除电容器台数K。用式(7)
　　求得中点偏移电压A U。中性点偏移电压等于零序电压的负值。当保护采用开口三角接线时，其开口三角电压为三倍零序电压。
　　整定计算：
　　由厂家给出允许过电压倍数，如U、=1．2 --1．3，则当切除K 台电容器后，中性点电压的偏移为A U。
　　动作电压
　　动作电压还应大于三相电容器的不平衡电压和动作时间为。

　　式中，Kl 为灵敏系数，取1．25 1．5；Kk为可靠系数，取1．5； Ubp为不平衡电压，不平衡电压主要由三相电容最大值与最小值之比决定的，如比值为1．02，则不平衡电压为2％ ；一般Ub。=1．02— 1．03。
　　(2)对于单星形接线未加装单台熔断器的电容器组，为保护单台电容器内部元件击穿 后未击穿的串联元件，配置电容器组零序电压保护，反映零序电压升高延时0．1～0．2s动作。单台电容器内部元件为m 个并联n个串联接线，每相为 台电容器并联Ⅳ 台电容器串联接线。单台电容器内部元件电容量为c ，单台电容器的电容C=1(pu)，C= (m／II,) C ，所以c= (n／m)C。电容器组原理结构如图2所示。