电网10kV电容器保护方式原理探讨

电网10kV电容器保护方式原理探讨

摘要：目前，内熔丝的可靠性和隔离性能都比较成熟稳定，加上不拆线测量技术的发展成熟，对于电网110kV变电站内10kV侧常用的双星性接线、单台容量334kVar的并联电容器组，内熔丝+继电保护方式完全可发展为一种较完善可靠的保护方式。对于外熔断器，建议可以对目前的生产制造水平进行调研，加强其质量监管，在可靠性得到保障的情况下，可深入探讨和研究外熔断器+内熔丝+继电保护的配置方案。

关键词：10KV并联电容器保护方式

随着我国电网的发展和电容器制造水平的提高，并联电容器已广泛应用于电力系统的无功补偿，电容器保护也经历了一个发展变化的过程。上世纪70年代初，电容器单台容量小，保护措施多以继电保护为主；后来发展了单台电容器保护用熔断器，为防止电容器爆裂起到了良好的效果。其间随着容量增大，发展了带内熔丝的电容器，由内熔丝切除内部故障元件。目前并联电容器的保护配置通常是电容器单元内部故障保护配合电容器组故障保护，具体形式有以下4种：外熔断器+继电保护、内熔丝+继电保护、外熔断器+内熔丝+继电保护、单独继电保护。

目前，电网110kV变电站10kV侧普遍采用的并联电容器组方案为：容量10020/8000kVar，双星形接线。单台电容器334kVar，单元内部元件3串11并。本文拟结合该并联电容器组，对上述各种电容器保护方式的原理、现状进行分析，以期提出合理的保护配置方案。

1 保护方式原理分析

1.1 外熔断器+继电保护

结合电网常用的单台334kVar电容器的内部接线，外熔断器保护的

基本原理如下图1所示

单台334kVar电容器由11个元件相互并联后构成1个串联段，再由3个串联段相互串联而构成。当其中某个元件故障后，元件被击穿，自身阻抗下降，引起该串联段和电容器阻抗减小，电流增大；随着击穿元件的增多，流过外熔断器的电流达到一定过电流倍数时，外熔断器发热熔断，有故障的单台电容器被切除，其它健全电容器继续运行；当故障电容器增多，剩余健全电容器的过电压超过限制（约为1.1倍）时，继电保护动作，整组电容器退出。这种保护方式在国内应

用较早，但随着较大容量的电容器的推广使用，采用外熔断器保护单台电容器在使用中出现了不少问题。根据《高压并联电容器单台保护用熔断器订货技术条件》（DL442-1991）的要求，“熔断器熔丝的额定电流应不小于被保护电容器额定电流的1.43倍”，一般推荐在1.43～1.55倍的范围内选取，并规定了熔丝的时间-电流特性见表1

结合常用的单台334kVar电容器，若熔断器额定电流选为1.5倍InC（InC 为单台电容器额定电流），则熔断器通过1.65InC（约为80A）时应4h不熔断，流过145A时应在7.5s内熔断。只有在保证熔断器的时间-电流特性曲线位于电容器的10%外壳爆裂曲线左侧（即安全带中），才能确保在电容器内部故障发展至外壳爆裂前熔丝迅速熔断，从而隔离故障电容器。而我国熔断器生产厂家多为小厂，行业管理松散，技术力量薄弱，产品质量不稳定，多不能提供80A以上的大电流熔断器时间-电流特性曲线的型式试验报告；运行中也发现大电流熔断器时间-电流特性分散性大，长期使用后性能可能改变。国内也有电力试验机构曾对主要熔断器生产厂家的对应334、200、100kVar容量的三种规格的产品专门做过试验，结果令人勘忧。所有产品都没有附上熔丝的时间-电流特性曲线，84A、92A等大规格熔断器在额定容性电p内熔丝的保护原理如上图2所示，当某一元件故障被击穿，击穿元件与其相并联的同一串联段上的其它元件所储存的电荷通过与其相串联的内熔丝向击穿元件放电。在放电电流的作用下，该熔丝迅速熔断，与其它完好元件相隔离。此时，该串联段阻抗增加，流过电流减小，所承受的电压增大。当故障元件增多，致使与其相并联的完好元件所承受的电压达到一定值，继电保护动作将整组电容器组退出运行。由于内熔丝无安装要求，不受气候影响，动作一致性好，免安装免维护，工程中采用内熔丝电容器越来越多。但内熔丝+继电保护方式并不是所有地方都可以采用。根据内熔丝的保护原理，当其并联元件过少时，会导致向故障元件击穿点提供的能量不足以使熔丝熔断，失去保护作用。根据有关计算，最小并联元件数不小于7，考虑内熔丝动作的分散性，通常取≧10～13为好。因此，内熔丝保护不适用于小容量的电容器。内熔丝+继电保护方式在电容器组退出后，由于故障电容器没有明显标识，查找故障点比较麻烦。但随着不拆线测量技术的推广应用，故障后的检测更换时间会逐步减少。

1.3 外熔断器+内熔丝+继电保护

近些时间来，部分工程中出现了外熔断器和内熔丝一起保护单台电容器的的接线方式。该方式是综合了内熔丝和外熔断器的保护特点而产生的。其思路是由内熔丝对单台电容器内部元件早期故障进行隔离，外熔断器对套管闪络、极间短路、极对外壳放电等故障实施快速保护。需要说明的是，由于内熔丝的保护原理，在电容器内部故障元件被隔离后，单台电容器阻抗增大，工作电流降低，外熔断器是无法因为其内部故障的扩大而熔断的，只能反应于套管闪络、极间短路等贯穿性击穿故障，而不是简单意义上的双重保护。鉴于大电流熔断器的不可靠性，国内有专家对此种保护方式用于较大容量的电容器持坚决反对态度，认为“外熔断器质量不佳，特别是大电流熔断器的问题更大；质量不可靠的外熔断器的接入，只会增加装置的不可靠性和维修工作量，根本起不到保护作用”。因此，在国家电网电容器装置典型规范中就不推荐这种保护方式。

1.4 继电保护

电容器继电保护的动作原理均是由故障电容器在故障时引起电容器变化，使得故障支路与非故障支路之间的电流和电压产生不平衡而动作，其结果是切除整组电容器。不同的电容器组接线对应不同的继电保护方式。《并联电容器装置设计规范》（GB50227-1995）中规定：单星形接线的电容器组，可采用开口三角电压保护；串联段数为二段及以上的单星形电容器组，可采用电压差动保护；每相能接成四个桥臂的单星形电容器组，可采用桥式差电流保护。双星形接线电容器组，可采用中性点不平衡电流保护；对于电网110kV变电站内10kV侧常用的双星形接线的电容器组，继电保护均是采用不平衡电流保护。由于单独继电保护方式无独立的单台电容器内部故障保护，要求电容器内元件的故障率极低，否则会使运行维护工作量增加较大，导致电容器装置投运率下降，因此目前很少采用。

2 结语

文章结合电网目前常用的10kV并联电容器组，对各种电容器组保护方式的原理、现状进行分析总结，并提出合理的保护配置方案。