10kV电容器电压保护改造的原理分析_电工文摘

10kV电容器电压保护改造的原理分析

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摘　要：坦尾变电站10 kV电容器组常发生熔断丝烧断而保护不动作的故障。通过对原电压保护进行原理分析和计算分析，提出解决电容器电压保护缺陷的思路和措施：增加不平衡电压保护；改进过电压保护接线方式；调整过电压、低电压保护整定值等。
　　关键词：变电站；电容器；电压保护；改造
Theoretical analysis on voltage protection modification for
10 kV condenser　bank in Tanwei SubstationYANG QI(Guangzhou Power Supply Branch, GPG, Guangzhou 510175, China)
　　Abstract:The protection for 10 kV condenser bank in Tanwei Substation often fails to operate because of fuse burnout A resultant theoretical and computational analysis is made on the original voltage protection Some measures for improvement are put forward, which include adding unbalanced voltage protection, modifying the connection scheme of the overvoltage protection as well as adjusting the setting values of the overvoltage and undervoltage protection.
　　Key words:substation; condenser; voltage protection; modification
　　坦尾变电站10 kV电容器组常发生熔断丝烧断，有时甚至出现一次烧断两组电容器熔断丝的情况，但此时电容器保护却无任何反应。作为10 kV系统的无功补偿装置，电容器应根据系统每天不同时段电压的高低、无功功率的多少而频繁投切。
　　发生这些故障的原因是由于某相电容器组的某个内部电容器元件发生击穿、短路后，各相电容器组的容抗及电压分布不平衡，导致局部出现过电压，且其值超过其它完好元件的过电压运行数值上限（1.1Ur，Ur为电容器额定运行电压），使这些完好元件在运行中不断发热，直至被热击穿、短路，并不断恶性循环，最后造成过电流，且电流值超过该组电容器熔断丝的额定电流值，使熔断丝烧断。
　　至于保护无反应，是因为此种电容器电压保护的原理存在缺陷。为此，对坦尾变电站10 kV电容器电压保护进行了改造。本文将分析此次改造所依据的原理。 1改造前的配置
　　坦尾变电站10 kV母线接有无功补偿电容器一套，容量3 Mvar，型号BWF-11/ 3-100-1W，单星形不接地接线方式。每相电容器容量1 Mvar，由10只100 kvar的电容器并联组成（如图1所示）。电压保护配置见表1。

2过电压保护
2.1原理分析
　　如图2所示，原过电压保护取线电压，电压接点串联，保护只能对三相整体过电压有反应。但过电压保护应主要针对由于电容器内部元件故障、板间短路或击穿等引起分布在其它电容器上的电压升高并超过运行允许值这一异常情况而配置的。从原过电压保护接线看，当某个电容器出现内部故障、板间短路或击穿后，各相电容器组间的线电压依然保持不变，但相电压却因中性点电位漂移而发生了变化。

2.2数学计算
2.2.1公式推导
　　假设每相共有L只并联电容器，每只电容器由M×N个电容器元件组成（见图3），则有
　

式中：U——并联电容器组的额定相电压；
　　　UU——电容器U相运行电压；
　　　UV——电容器V相运行电压；
　　　UW——电容器W相运行电压；
　　　α——运算算子。
　　当任一相电容器组内部元件发生故障时，由于电容器三相容抗不平衡，中性点将漂移并出现位移电压

（如图4所示），此时
　　

式中：IU——电容器U相电流；
      IV——电容器V相电流；
      IW——电容器W相电流；
      XU——电容器U相容抗；
      XV——电容器V相容抗；
      XW——电容器W相容抗。

　　设每个电容器元件容抗为Xn，U相L只并联电容器中的一只电容器内部某个串联故障段中有K个并联元件击穿，熔丝断开, 则该故障段的容抗XU－1和非故障段的容抗XU－2分别为：
　


　　U相发生故障的那只电容器的容抗XU1、（L－1）只非故障电容器的总容抗XU2分别为：
　


　　U相L只并联电容器的总容抗XU为
　


　　将式（2）、式（3）代入式（1），得中性点位移电压
　


　　说明：
　　a) 式（4）仅适用于每相并联电容器组中的一只内部电容器元件发生板间短路或击穿、熔丝断开等故障的计算；
　　b)中性点位移电压

的大小与并联电容器组的额定运行相电压U、每相的并联电容器数量L、每只电容器的串段数N、每段并联元件数M和故障段中并联元件击穿数K有关，而与电容器元件容抗Xn无关；
　　c) 非故障相相电压降低，故障相相电压升高。
2.2.2数值计算
　　对于坦尾变电站10 kV电容器电压保护，L=10，M=12，N=5，U=57.7 V，根据式（4），得此电容器与K的对应关系，见表2。
　　根据式（4）的推导原理，还可进一步推导出每相L只并联电容器中，当有X只电容器的熔断丝熔断时，中性点位移电压U′o的计算公式，为
　



　　根据式（5），得此电容器中性点位移电压与X的对应关系（见表3）。

2.3接线方式的改进
　　对于每个元件装有内熔丝的电容器而言，当熔丝熔断的数量足以使其它完好元件的过电压数值达到运行允许上限值，或者当单台电容器因内部元件或引出线发生击穿、短路等故障，在未进一步扩大至发生外壳爆炸（破裂）前，应尽快将该电容器电源切断，待更换已损坏电容器后再投入运行。
　　因此，为正确反应电容器的这种不正常情况，过电压保护在原理上应由取线电压改接为取相电压，电压接点由串联形式改为并联形式，如图5所示。

2.4过电压保护整定值的调整
　　原过电压保护整定值为120 V（即相电压取70 V，中性点位移电压值为6.67 V）。对照表3，相当于每相中有3只并联电容器的熔断丝熔断，保护才启动跳闸，电压整定值显然偏大。现修改为相电压取64 V（即中性点位移电压为3.33 V），对照表3，相当于每相有2只并联电容器的熔断丝熔断，保护就应启动跳闸。 3不平衡电压保护
3.1原理分析与计算
　　由图4可看到，出现中性点电压漂移后开口三角电压
　


式（6）仅适用于计算并联电容器中的一只内部电容器元件发生板间短路或击穿、熔丝断开等故障所产生的零序电压。
　　在式（6）中代入坦尾变电站10 kV电容器电压保护的参数，其中L=10，M=12，N=5，U=57.7V，于是得到3U0与K的关系，如表4所示。

　　同理，还可进一步推导出L只并联电容器中，当有 X只电容器的熔断丝熔断时开口三角电压3U0的计算公式，为
　

　　同样可得此电容器开口三角电压3U0与X的对应关系，如表5所示。

　　通过式（4）、式（6）与式（5）、式（7）的比较，我们看到开口三角电压正常时为0，电容器故障后TV开口三角处的零序电压3U0的大小是中性点位移电压U′o的3倍，灵敏度明显比过电压保护要高。因此必须在坦尾变电站电容器组加装不平衡电压保护。
3.2不平衡电压保护整定值的选择
　　按有关规定，不平衡电压保护定值一般取10V。按式（6）计算，相当于每相中的1只并联电容器损坏，保护才启动跳闸，与过电压保护相比，还不足以体现出其高灵敏度。现修改为不平衡电压保护定值取3 V，相当于一个串段中的10个电容器元件熔丝烧断后，保护就可立即启动跳闸。
　　必须说明：不平衡电压保护和过电压保护各有优点，各有不同的保护范围，两者互为补充，不可缺少。 4低电压保护整定值的调整
　　原10 kV母联自投装置（WBZT-121型）的延时跳闸时间和延时投入时间分别整定为3 s和0.3 s，而电容器低电压保护的跳闸时间整定为5 s。这存在两个问题：第一，当10 kV母线正常失压后，母联自投动作而再次带电时，电容器可能因未放完电而遭受合闸冲击；第二，作为主变压器主保护的差动、瓦斯保护启动，跳“变低”后，将越过自投程序中的延时跳闸时间一级，直接启动延时投入母联（或另一变低）时间一级，此时，如果电容器仍在合闸状态，也将会遭受合闸冲击。上述两方面都极易损坏电容器，危及其安全运行。
　　为此，在改造中将10 kV母联自投装置的延时跳闸时间和延时投入时间分别改为2 s和1 s，电容器低电压保护的跳闸时间改为0.5 s，比母联自投装置的延时投入时间短一个时间级差0.5 s。若10 kV母线正常失压或主变压器出现故障，就可在母联自投装置启动使该母线再次受电前，果断切除电容器，有效防止合闸冲击，避免电容器损坏。

5结束语
　　坦尾变电站10 kV电容器电压保护改造后的配置：
　　——低电压保护，TV变比为10 kV/0.1 kV，定值为40 V和0.5 s，接母线TV，取线电压；
　　——过电压保护，TV变比为10 kV/0.1 kV，定值为64 V和5 s，接放电TV，取相电压；
　　——不平衡保护，TV变比为10 kV/0.1 kV，定值为3 V和5 s，接放电TV，取开口三角电压。
　　改造完成后运行近半年来，电容器组运行稳定，其间电容器不平衡电压保护曾动作跳开关一次，但再无熔断丝烧断的故障发生，说明本次改造的原理及措施是正确的，效果较好。　
参考文献
［1］能源部西北电力设计院. 电力工程电气设计手册［M］．北京：水利电力出版社，1990.
［2］国家电力调度通信中心. 电力系统继电保护实用技术问答［M］．北京：中国电力出版社，1997.

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