浅谈35kV并联电容器组接线与保护方式的选择

浅谈35kV并联电容器组接线与保护方式的选择

摘要：通过对并联电容器组接线方式和几种保护原理的分析，提出了35kV 并联电容器组在风力发电中合理的接线及保护配置方案。

关键词：并联电容器组；不平衡保护；电压差动保护；桥式差电流保护近年来，随着我国风力发电业的不断发展，大范围高压输电网络逐渐形成，系统对无功功率的要求也日益严格。目前，我国风力发电升压变电站中普遍采用在35kV母线上安装动态无功补偿装置，而并联电容器组作为该装置的一个组成部分，对调整电压和降低线损起着非常重要的作用。

本文拟结合35kV并联电容器组在风电场中的应用，对电容器组的接线、保护方式进行了探讨，以提出合理的保护配置方案。

电容器组的接线方式

电容器组的接线通常分为三角形和星形两种方式。此外，还有双三角形和双星形之分。

三角形接线的电容器直接承受线间电压，任何一台电容器因故障被击穿时，就形成两相短路，故障电流冲击很大，如果不能迅速切除故障，故障电流促使绝缘介质发生分解产生气体，使电容器油箱发生爆炸，并波及相邻的电容器。现阶段，这种接线方式已很少应用，仅在380V系统中有少量使用。

双星形接线是将两个电容相等的星形接线方式的电容器组并联成一个大的电容器组，两组星形接线的电容器中性点之间连接一台小变比的电流互感器。这种接线就是利用故障时，在中性点处产生的不平衡电流来保护动作的。电容器组接线类型如图1所示：

图1 电容器组接线类型

因此，在高压电力网中，电容器组一般采用星形接线或双星形接线。在风力发电升压变电站中，35kV并联电容器组采用星形和双星形两种接线方式均能满足要求，当单台电容器容量较小，每相并联台数较多者，可以选择双星形接线；当每相串联段数较多，为简化结构布局，宜采用单星形接线。

电容器组不平衡保护

在风电发电中，无功补偿装置优先采用损耗小、投资省、可分组投切、使用灵活、操作维护方便，且响应时间快的并联电容器组。

电容器组不平衡保护指当电容器发生事故后，会引起电容器组内部三相电容不平衡，因电容值不平衡形成的电流差或电压差就构成了电容器组不平衡保护。电容器故障最主要的表现是当电容器电压升高超过允许值时，这种不平衡保护就会启动，切除掉整组电容器，将故障点隔离，达到保护电容器的目的。

3、电容器组保护方式的选择

根据电容器组的接线方式，不平衡保护分为4中保护类型。当电容器组采用单星形接线时，保护有开口三角电压保护、相电压差动保护和桥式差电流保护；当电容器组采用双星形接线时，一般采用中性点不平衡电流保护。

开口三角电压保护

开口三角电压保护也叫零序电压保护，一般用于单星形接线的电容器组。他的工作原理是分别检测电容器两端的电压，再将二次侧接成开口三角形，在开口处连接一只整定值较低的电压继电器，从而得出零序电压。在正常运行时，电容器三相容抗对称，三相电压平衡，开口处电压为零；当电容器因故障被切除后，电容器组出现差电压，超过设置的限定值，保护装置采集到差电压信号后将整套电容器从母线上切除。保护原理图如图2所示：

图2：单星形电容器组开口三角电压保护原理图

零序电压保护的原理和安装接线比较简单，它检测的电压只跟设备两端的电压有关，受系统电压波动、接地故障、谐波的影响较小。但是对于容量大、串联段数较多的电容器组，由于其配置的放电线圈电压变比较大，而保护动作信号较小，其保护整定值与电容器内熔丝的配合难度会增大。并且，系统电压的不对称和放电线圈三相性能的差异会引起起始不平衡电压，降低保护动作的灵敏性，因此这种保护方式不适用于35kV及以上电压等级的大容量电容器组，只适用于10kV电压等级的小容量（20Mvar及以下）电容器组。

电桥式差电流保护

电桥式差电流保护中电容器按单星形接线，电容器组分相设置，每相分为两个支路，且每相的串联段数为双数，其中部桥接一台电流互感器。正常运行时，桥路中的电流为零，当某一电容器有故障被切除时，桥接电路中产生电流，保护装置采集到差电流信号后动作掉闸。电桥式差电流保护能根据动作信号判断故障相别，保护灵敏度高，缺点是在发生对称故障时不会动作，且设备投资多，结构复杂，占地面积大。因此这种保护多用于66kV以上电压等级的大容量电容器组。保护原理图如图3所示：

图3：单星形电容器组电桥式差电流保护原理图

相电压差动保护

电容器组的相电压差动保护，简称为差压保护。该保护要求每相有两个及以上的串联段的电容器，将每一相平分为上、下两段，每段接一个放电线圈，要求两个放电线圈变比相同，电容器二次线圈反极性串联后接入电压继电器，便构成了差压保护。当正常运行时，两段电容值相等，两个放电线圈承受的电压也相同，差压为零。当某一个或几个元件故障被切除时，两个放电线圈就会出现电压差，当这一电压差超过限定值时，差压保护将动作切除故障相，以保证电容器组的安全运行。

图4：单星形电容器组相电压差动保护原理图

这种保护方式几乎不考虑系统单相接地故障和电网电压不平衡的影响，保护动作灵敏度高，故障时可分相动作；但是保护存在死区，发生对称故障时保护不能正确动作，而且灵敏度易受放电线圈性能的影响，当电容器组的串联段增多时，保护灵敏度显著降低，使其适用范围受到约束。

双星形中性点不平衡电流保护

中性点不平衡电流保护主要用于双星形接线的电容器组，即两个星形电容器组组合成一个电容器，在其中性点间安装低变比的电流互感器。正常运行时，电容器三相阻抗平衡，中性点间无电压差，中性线上没有电流流过；如果某一台或几台电容器发生故障时，故障相的电压下降，中性点出现电压，中性线有不平衡电流流过，保护采集到不平衡电流后即动作掉闸。保护原理图如图5所示：

图5：双星形电容器组中性点不平衡电流保护原理图

中性点不平衡电流保护受外界影响小，保护灵敏度和可靠性较高，对电网通讯不会造成干扰。但电容器组安装时调平衡较麻烦，当某台电容器发生短路击穿，切除每相串联段数较少时，高频放电电流通过中性点电流互感器时易将其烧毁。由于这种保护测量的是中性点间的电流，而在设备运行过程中，每组电容器补偿支路的投切都是变化的，因此可能会出现保护误动作，并且在发生对称故障时保护也会误动作；对于容量超过20Mvar的电容器组，该保护的灵敏度会受到限制。

结束语

电容器组的保护方式随其接线方案不同而异。总的来说，尽量采用简单可靠而又灵敏的接线把故障检测反映出来。风力发电中并联电容器做为动态无功补偿