高压并联电容器组保护的分析及参数计算

艺 ‘羽2007年第26卷第 10期 高压并联电容器组保护的及参数计算 马晋辉 (华北电力大学电气与电子X-程学院 102206) 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 ，d2=Kk， (1) · · — — 40 ．．—— Kl = i ／Id ≥2 (2) 式中， k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 ，d2=Kk， (3) Kl = i ／I d2>12 (4) 式中， k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 Ud ： Kv(1一X￡／Xc)U (5) 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， U =11 kV。 维普资讯 http://www.cqvip.com 高压并联电容器组保护的分析及参数计算 嘭 胡2007年第26卷第10期 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： 保护一次动作电压 Ud ：(0．3—0．6)U 保护动作时间 t：t +△f 式中，t 为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。 I Jv台 c 串联 l Ic 广上] r _L -上_r —I=竺二I— n 廿 l 图 1 有单 台熔断器 电容器组原理接线 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 crx： ∥ ( —K)： ． (6) 非故障相的电容 CB： Cc = ／N 外加三相对称电压而三相负载阻抗不相等，则 偏移电压 A U ： ： (CA—CB)UA —KU ^ ，，，、 一 CA+2 CB 一3 N(M —K)+2 K 、 故障相电压 ： ( 一△ ) ： r_ (8) 故障段非故障电容器过电压的倍数 ： (瓦Cfx )／( ) 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 M(M —K) 1／ [3N(M—K)+3 K]UA}／ — K 3N(N—K)+2K J／ ( )：丽 K (10) ＼Ⅳ／一3Ⅳ( 一 )+2K 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 K ： ⋯ ) K (11) 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 Ud ：3A ／Kl 动作电压还应大于三相电容器的不平衡电压 Ud ≥ Kk Ub。 动作时间 t：0．1 0．2s 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 — — 4， —— r_EⅢ上丁 一 台联一 一 __1 T 一 一 一 离一 维普资讯 http://www.cqvip.com 嘭 名胡9007年第26卷第10期 高压并联电容器组保护的分析及参数计算 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。 厂一_] C -． 1 t- m ．．a I - Ce 1．．．．．．．．．．__J r— ] Ce-7 ”丰ce I．．．．．．．．．．．． 图 2 尢 早 台燔 断 器 电 谷 器 组 原 理 强 线 图 一 台电容器内击穿 段电容后的电容为 cr= ．ce= II,．c = 南 (12) 故障相故障段电容 (设 A相故障) cfd=cf+(M 一1)=T— —百+M 一1 ： (13)1 一 一 、 J 故障相电容 crx=cra∥ = (14) 中性点偏移电压 △ = 一——————————— —————————一 一3 N[M(1 一 卢)+卢]一28 (15) 式中，c 为非故障相电容； 为任一台电容器内 部击穿小元件的百分数 =1／n～1，可取 0．75。 整定计算： 一 次侧动作电压 Udz = ≥ Kk Ub p (16) 二次侧动作电压 Ud = Ud ／n h。 (17) 式中，nyh0为零序电压互感器的变比。 2．6 电压差保护 适用条件及保护对象与零序电压保护相同，反 映电容器组故障相上下 1／2段电压的差。原理接线 一 42 一 如图 3所示。 Jv 富 图 3 电压差保护故障相电容原理结构 图中只画出一相 Tv接线，其他两相也类似。 TV的一次绕组可以兼作电容器组的放电回路，二 次绕组接成压差式即反极性相串联。正常运行时 上、下半段的电容 C =C ，压差为零；当电容器 组上、下半段 c 或 c 中有多台电容器损坏时， 由于 c 和 c 容抗不等，因两只 TV一次绕组的 分压不等，压差接线的二次绕组中将出现差电压。 当压差超过定值时，保护动作。设故障相上半部某 段故障，有 K台电容器熔丝熔断切除，则 上半段的电容 c =( —K)∥ = 2 M(M —K) N(M —K)+2 K (18) 下半段的电容 C2=2 M／N (19) 故障相的电容 crx= c ∥ c = (20) 上半段的电压 U1=百Cfx = 端 (21) 下半段的电压 = 卺 = 故障相的电压 Ufx=(1一A U)·UA 二 3 N(M —K)+2 K = 3 N M K 2 K · A (23) 一 ( 一 )+ u ＼二J， 故障相上下两段电压差 A U。=(U1一U2)U& C C C C 厂● ●● ●●● 、 ●，●●●● 台联 离一 维普资讯 http://www.cqvip.com 高压并联电容器组保护的分析及参数计算 嘭 与‘铂2007年第26卷第10期 丽 K)+K 3 K · 3Ⅳ( — K)+2 K 。 __． )+2 K 最大允许切除电容器台数 K ： K (25) 故障相上下两段电压差等于三倍零序电压。由 于零序电压互感器的变比是电压差保护电压互感器 变比的两倍，所以电压差保护的二次定值为零序电 压保护二次定值的两倍。而正常运行时不平衡电压 二次值是相同的，所以电压差保护躲不平衡电压的 能力比零序电压保护大一倍。 整定计算： 首先确定最大允许切除电容器台数 K，计算 上下两段电压差 △U ： 一 次侧动作电压 Ud = △U。／Kl > 1．5 Ubp 二次侧动作电压 ， cm：( —K)∥ = (28) 故障相电容为 c cm+ c = + = N M三K窖 (29) 一Ⅳ( 一)+ⅣK 、⋯ 设 A相故障 Cf =C 中件 点位 移 电压 △u =乐鼍·Ua= = )= (27) 动作时间 t=0．1～0．2s 2．7 中性线不平衡电流保护 为防止双星形接线电容器组一臂 (单星形)一 相某段并联电容器 K台熔丝熔断切除，该段正常 电容器的电压升高，双星形中性点产生位移，配置 电容器中性线不平衡电流保护 ，反映中性线中电流 增大延时0．1～0．2s动作。 双星形电容器组原理接线如图4所示，每臂电 容器组接线与图 1单星形电容器组相同 (单台电容 器电容 C=1(pU)，内元件为 m个并联 n个串联 无熔断器，每臂每相电容器组为 台并联 Ⅳ台串 联接线，单台有熔断器)。 图4 电容器组双星形接线 正常每相每臂电容为 Cb；每相电容为 2C h、 故障相故障臂电容为 Cm。 故障相电压 Ufx= 1一△U = 一 K A 6N(M —K)+5 K (30) 鱼 !丝= 2±鱼 6N(M —K)+5K 故障段非故障电容器的过电压倍数 =(爱 )／( ) ! = 2 N(M —K)+K 6 N(M —K)+6 K ， 一 M — K 6N(M —K)+5 K A ／( )=丽 (32) 当已知电容器允许过电压倍数 U、，=1．2～1．3 时，由上式可求得故障段非故障电容器不超过允许 过电压时的最大允许故障电容器台数 K K = (33) (33) 故障臂电流 Ufx cm= (34) 故障相非故障臂电流 Ufx c = · (35) 中线电流 △f为两故障臂电流之差的 1／2 △，= 1(，ff一，f) (36) △，=丢[ · 一 6 M(M —K) 6N(M —K)+5 K 3 K 一6ⅣⅣ(M —K)+5 NK 一 臂中的额定电流 · UA (37)． (下转第 100页) -- — — 43 --—— B ●●巾ⅢT上T●_+J ～=== C ●●m 上丁 一 ¨ 已 A ．● ⋯ 上T●L 维普资讯 http://www.cqvip.com 嘭 ．{j 2007年第26卷第10期 浅谈住宅小区室外景观照明 防潮和防腐。 供电电源与电压的选择：光源电压一般情况下 为交流 220V，少数情况下为380V，水下场所可采 用交流 12V光源。 线路敷设：室外照明的特点是线路长，线路上 的电流不一定很大。选择电缆截面时载流量的要求 很容易得到满足，而重点考虑的是线路压降问。 解决线路压降问题的方法就是适当加大电缆截面。 因此选择电缆截面时适当加粗，这样不仅满足压降 减少的问题，而且为以后此回路增加灯具数量或功 率留有余量。水泵等电力干线电缆布线均采用水下 电缆，经手孔井换水下电缆敷设至设备。 配电系统接地形式：室外照明灯具安装于户 外，一般不具备等电位连结的条件，又需承受种种 不利的气候影响，如风吹、日晒、雨淋等，很容易 使灯具受机械损伤和绝缘下降而导致事故发生。它 暴露于公共场所，又无等电位连结，增大了电击死 亡的危险性。故应采用 TT接地系统，为此需在户 外灯具专门设置接地极引出单独的 PE线接灯具的 金属外壳，以避免由 PE线引来别处的故障电压。 还应为电源线路装设漏电保护器作接地故障保护， 额定漏电动作电流不宜大于 100mA。根据具体情 况，可作用于报警或跳闸。 景观照明安全保护：电气设备所有带电部分应 用绝缘、遮拦或外护物保护，以防止直接接触。内 部有可能被人触及带电部分的箱体，应用钥匙或工 具锁住。水景照明采取隔离特低电压供电，220V 电气设备装用额定动作电流不大于 30mA的剩余电 流保护器，在发生绝缘故障时立即切断电源等措施 做好电气防护。 4 结束语 在室外照明的开始阶段即应该进行全面细致的 考虑，对整个工作是非常有帮助的，对于选择照明 的手法时，一定要从艺术的角度加以详细考虑，就 如同一副名画一样，颜色、纹理、形状的每一个细 微差别都应该表现出来，这样才能使景观艺术照明 得到充分的评价和欣赏。 收稿 日期：2007—03—21 (上接第 43页) ： ACb： c = ，eb 将 UA代入式 (37) △，：丽 3KI 一6N( —K)+5 K 整定计算： 首先计算最大允许切除电容器台数 K， 双星接线中线电流△，： 一 次动作电流 Ia = AI／K1 ≥ Kk，b 。 动作时间 t：0．1～0．2s。 3 结束语 分析及公式推导，通过分析和推导，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。 (38) 当然，在具体实例的继电保护整定计算中，不仅要 从电容器组发生故障情况出发，而且还需充分考虑 与单台熔丝保护特性的配合，尤其是保护时限上与 熔丝熔断时间、电容器耐爆安全时问的配合，才能 (39) 体现保护适合的作用。 参考文献 计算 [1] 樊华．集合式电容器电抗器组在变电站的应用 [J]． 电力电容器，2002(1)． [2 3 刘水平．集合式并联电容器的研制 [J]．电力电容 器 ，2002(2)． [3] 李晶明．浅谈集合式电容器的应用 [J]．电力电容 器 ．2002 (2)． 本文对高压并联电容器组保护给予了较详细的 · · - — — 100 ··-—— 收稿 日期：2006—10—31 维普资讯 http://www.cqvip.com