并联电容器保护误动原因探究

1 故障概述

目前，变电站电容器组专用单元微机保护装置已取代了传统的熔管保护和继电器保护，能够实现二段过流、零序电压等保护功能，集保护、监控于一体，与传统熔管保护相比，集成化程度及保护程度高。由于变电运行管理部门对电容器组专用单元微机保护整定不够重视，往往采用装置出厂默认保护设置，其后果容易引起保护误动作。我们知道，电容器出线总开关保护是电容器组单元微机保护的远后备保护，两者其保护范围和反映故障类型各异，如果在保护整定上不满足保护选择性要求，可能引起保护误动作。近期，我公司曾发生过一起因电容器组单元微机保护整定错误发生的保护误动现象。

2011年某月某日，35kV刁口变集中补偿电容器组投入运行，10kV电容器投入第一组后，运行正常。当将第二组电容投入后，电容器组专用微机保护装置发出“过流二段动作，Ib=2.50A”故障信号，第二组电容器合闸后随即分闸。查看装置定值：过流一段5A，0s;二段1.5A,0.5s;零序电压保护20V,0.5s。事后，我们对电容器组专用微机保护定值重新进行了计算，结合现场跳闸数据进行分析，找出了此次跳闸的原因所在。

2 原因分析

2.1 电容器组结构分析

目前，国内对并联电容器装置的单台电容器内部故障，通常有如下三种保护方式：内熔丝加微机保护、外熔断器加微机保护和无熔丝仅有微机保护。目前我公司电容器采用外熔断器加微机保护及无熔丝仅有微机保护方式。按照GB50227-2008《并联电容器装置设计规范》要求，厂家采用不同的保护方式，其优缺点各异。对于外熔断器加微机保护，在国内中小容量电容器上被广泛采用，优点是：故障时能够直观、及时发现外熔断器熔断，便于更换处理。采用外熔断器作为短路保护，能够克服内熔丝保护存在的死区，即：电容器内部引线之间短路和电容器套管闪络击穿，以及作为电容器内部元件串联段发生击穿短路(内熔丝保护失败)的后备保护，动作电流与动作时间呈反时限特性，在电容器发生击穿短路时迅速被切除。内熔丝加微机保护形式，前几年主要是进口电容器和集合式并联电容器采用，近期国内发展起来的大容量单台电容器装设有内熔丝。由于采用内熔断器结构，一般装置内部空间距离增加，金属耗材增大，成本增加且技术要求高等，如果在技术协议中没有明确规定，厂家一般不采用此结构。电容器内部没有熔丝保护，又不装设外熔断器仅采用微机保护，这种形式比较少，从保护可靠性、选择性看，不如外熔断器加微机保护，优点是降低了成本。

2.2 电容器组运行中发生故障的类别及对应保护措施

运行中变电站电容器故障通常有如下几种情况：

2.2.1 电容器组和电容器总开关之间连线故障;

2.2.2 电容器内部故障及其引出线短路;

2.2.3 电容器组中，某一故障电容器切除后所引起剩余电容器的过电压;

2.2.4 所连接的母线失压;

2.2.5 电容器组过电压;

按照GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》规定：对3kV及以上的并联电容器组的下列故障应分别装设保护。

对2.2.1条故障采取在电容器总开关保护中装设限时速段保护和过流保护;对2.2.2条故障采用电容器组微机保护及外熔断器保护;对于2.2.3条故障采用不平衡电压保护，其原理当电容器发生故障后，其电容量发生变化，将引起电容器组内部相关的两部分之间的电容量不平衡，形成的电压差构成开口三角电压保护。这种保护的优点是：不受系统接地故障和系统电压不平衡的影响、不受三次谐波的影响、灵敏度高、使用的设备数量少、安装简单，是中小容量电容器组常用的一种保护方式。其缺点是：放电线圈三相性能差异和电源三相不平衡都会产生起始不平衡电压，将影响保护的灵敏度。为了避免电容器组合闸、断路器三相合闸不同步、外部故障等情况下误动作，延时一般为0.1～1.0s;对于2.2.4条故障采用失压保护，原因一是当电容器组停电后立即恢复送电，将造成电容器带电荷合闸，致使电容器过电压而损坏;二是当变电站停电后恢复送电，可能造成变压器带电容器合闸，变压器与电容器的合闸涌流以及过电压将使两者均受到伤害;对于2.2.5条故障采用过电压保护，按电容器端电压不长时间超过1.1倍电容器额定电压的原则整定。

2.3 电容器组微机保护整定计算

目前我公司变电站运行中的并联电容器组为单星形接线，电容器内部小元件按先并后串且无熔丝,外部接线按有无并联电容器及是否装设专用单台熔断器方式连接。其中三个站采用LDBH201电容器组微机保护单元，电容器装有专用单台熔断器;一个站采用DSB2030型电容器组微机保护单元，电容器未装有单台熔断器。整定计算时，不同厂家产品其整定要求不同，同时按照保护整定规程要求，电容器是否装设专用单台熔断器其计算公式也不同。下面分别举例说明保护整定计算原则及结果。

2.3.1 DSB2030型微机保护单元保护整定计算：

110kV罗家变电容器组采用单纯的微机保护，电容器未装设单台熔断器，电容器型号为DS5-12/3000-3N，分三组投切，容量比为1:2:3，单星形接线。其参数如表1：

图1 无单台熔断器电容器组

2.3.1.1 零序电压整定计算

按照《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》规定：应躲过由于三相电容的不平衡、电网电压的不对称、正常时所存在的不平衡零序电压，在整定时应尽量降低保护定值，以提高较高的灵敏度，同时应满足厂家要求。

第一组和第二组开口三角动作电压整定值：

式中：UDZ:开口三角零序电压整定值

U——————放电线圈的二次相电压57.7V;(实际放电线圈变比：10000/100)

N——————每相电容串段数为4

M——————每相电容并联只数为2

考虑灵敏度要求，用公式(1)计算的值应尽量降低，

UDZ=5.77V≈5V

零序电压定值取：5V，因该装置程序中已经固化为0.2s，因此动作时限整定为0s。

第三组零序电压：

U——————放电线圈的二次相电压57.7V(实际放电线圈变比：10000/100)

N——————每相电容串段数为4

M——————每相电容并联只数为2

为取得较高的灵敏系数，在整定计算时应尽量降低保护定值，UDZ≈3.037V≈3V，因该装置程序中已经固化为0.2s，因此动作时限整定为0s。

2.3.1.2 一、二段过流定值计算：

按照保护规程要求，电容器分别装设限时电流速断及过电流保护。按照厂家提供的动作条件：装置中动作电流IDZ为A、C两相电流相量差。

2.3.1.2.1 第一组整定值计算如下：

A、C两相量差电流二次值IAC=1.732×0.874≈1.52(A)

第一组限时电流速断定值IDZ=KKIAC=2.5×1.52≈3.8(A),式中KK为可靠系数，取2.5。按照规程要求，时限取0.1～0.2s，由于该单元保护装置内部已经固化为0.2s，因此时限整定为0s。

第一组过流定值IDZ=KKIAC=1.8×1.52≈2.74(A),式中KK为可靠系数，取1.8。时限与电容器出线总开关时限满足选择性要求，整定为0.5s。

2.3.1.2.2 第二组整定值计算如下：

A、C两相量差电流二次值IAC=1.732×1.05≈1.818(A)

第二组限时电流速断定值IDZ=KKIAC=2.5×1.818≈4.55(A),式中KK为可靠系数，取2.5。按照规程要求，时限取0.1～0.2s，但该单元保护装置内部已经固化为0.2s，因此时限整定为0s。

第二组过流定值IDZ=KKIAC=1.8×1.818≈3.27(A),式中KK为可靠系数，取1.8。时限与电容器出线总开关时限满足选择性要求，整定为0.5s。

2.3.1.2.3 第三组整定值计算如下：

A、C两相量差电流二次值IAC=1.732×0.98≈1.70(A)

第三组限时电流速断定值IDZ=KKIAC=2.5×1.70≈4.26(A),式中KK为可靠系数，取2.5。按照规程要求，时限取0.1～0.2s，但该单元保护装置内部已经固化为0.2s，因此时限整定为0s。

第三组过流定值IDZ=KKIAC=1.8×1.70≈3.06(A),式中KK为可靠系数，取1.8。时限与电容器出线总开关时限满足选择性要求，整定为0.5s。

2.3.2 LDBH201电容器组微机保护单元整定计算：

35kV刁口变电容器组采用单纯的微机保护，电容器装设单台熔断器，分三组不等容投切，容量比为1:2:3，单星形接线。其参数如表2：

表格 2

2.3.2.1 零序电压整定计算

按照《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》规定：对于电容器装有专用单台熔断器的情况，其开口三角电压整定值计算公式与上面计算不同。

第一组开口三角电压整定值：

式中：UDZ:开口三角零序电压

N:每相电容串段数为4

M:每相电容并联只数为1

KLM:灵敏系数为1.5

NTV:电压互感器变比为100(实际放电线圈变比：10000/100)

β：单台电容器元件击穿相对数为0.50

为躲过正常运行时不平衡电压，UDZ=5.77V≈5V

零序电压定值取：5V，动作时限：0.2s

第二、三组开口三角电压整定值：

U——————放电线圈的二次相电压57.7V;(实际放电线圈变比：10000/100)

N——————每相电容串段数为4

M——————每相电容并联只数为2

为取得较高的灵敏系数，在整定计算时应尽量降低保护定值，UDZ≈3.73V≈3V

动作时限取0.2s

2.3.2.2 一、二段过流定值计算：

按照保护规程要求，电容器分别装设限时电流速断及过电流保护。

2.3.2.2.1 第一组整定计算值如下

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

限时电流速断定值取IDZ=KKIAC=2.5×1.31≈3.28(A),式中KK为可靠系数，取2.5。按照规程要求，时限取0.1～0.2s，因此时限为0.2s。

过流定值取IDZ=KKIAC=1.8×1.31≈2.36(A),式中KK为可靠系数，取1.8s，时限取0.5s。

2.3.2.2.2 第二组整定计算值如下

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

限时电流速断定值取IDZ=KKIAC=2.5×2.62≈6.55(A),式中KK为可靠系数，取2.5。按照规程要求，时限取0.1～0.2s，因此时限为0.2s。

过流定值取IDZ=KKIAC=1.8×2.62≈4.71(A),式中KK为可靠系数，取1.8s，时限取0.5s。

2.3.2.2.3 第三组整定计算值如下

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

限时电流速断定值取IDZ=KKIAC=2.5×3.94≈9.85(A),式中KK为可靠系数，取2.5。按照规程要求，时限取0.1～0.2s，因此时限为0.2s。

过流定值取IDZ=KKIAC=1.8×3.94≈7.09(A),式中KK为可靠系数，取1.8s，时限取0.5s。

根据对35kV刁口变整定计算结果与保护动作数据对比可以看出，在投入第二组时，之所以导致过流保护动作，原因是动作前装置定值为1.5A，0.5s，实际保护动作电流为2.50A。通过计算，第二组过流保护整定值应为4.71A，投入的定值远小于实际计算值，因此导致保护误动作，将微机保护单元定值按照计算结果重新投入后，运行正常。

3 结束语

《国家电网公司预防高压并联电容器事故措施》规定：采用电容器成套装置及集合式电容器时，应要求厂家提供保护计算方法和保护整定值并进行核算，避免电容器组保护定值错误而引发事故。电容器组保护动作后，应对电容器组进行检测，未经检测核实确无故障，不得再投运,避免带伤电容器再投运而引起爆炸起火。为此，我们向厂方索取了整定计算方法，并重新修订了整定计算值。

同时，在新电容器投入运行前，要求对电容器做不平衡保护动作试验，以检验保护装置参数设置和动作是否准确，试验方法是：对于成套装置，若每相有多台并联，可拆除一台电容器;若每相有多个串联段，可将多串联段中的一段短接，以人为制造一个不平衡故障，然后通电运行，看保护是否正确动作。电容器装置与其它电器设备不同，除非有特殊情况，否则严禁在不接入主保护(不平衡保护)的情况下合闸运行。