并联电容器内部故障保护的现状及分析

并联电容器内部故障保护的现状及分析并联电容器已广泛用于电力系统的无功补偿.随着我国电容器制造水平的提高,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,电容器制造水平低,单台容量小,各地的布置形式多样,接线方式不合理,保护措施不当不全,且多以继电保护为主，在运行中事故不断。概述并联电容器已广泛用于电力系统的无功补偿。随着我国电容器制造水平的提高，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，电容器制造水平低，单台容量小，各地的布置形式多样，接线方式不合理，保护措施不当不全，且多以继电保护为主，在运行中事故不断。后来发展了单台电容器保护用熔断器（外熔丝），为防止电容器爆裂起到了良好的效果。其间还发展了带内熔丝的电容器，由内熔丝切除内部故障元件。80年代中期，电容器单台容量增大至200kvar和334kvar，产品质量进一步提高，同时为避免电容器在发生内部元件贯穿性短路时受到系统短路电流的冲击，普遍采用星形或双星形接线，保护亦更加完善，因此电容器年事故率大大降低。但是，单台电容器保护用熔断器在使用中暴露出不少问题，如熔管受潮、弹簧拉力随长期运行而下降、熔丝熔断后不能顺利拉出、熔丝的时间—电流特性分散性大，运行中出现误动、拒动和群爆现象，以至怀疑外熔丝的保护是否可靠。至90年代基本形成两种观点，即以电容器单台保护熔断器为电容器内部故障的主保护和以继电保护（不平衡保护）作为电容器内部故障的主保护，且各地均有运行经验或事故教训。在制定国家标准《并联电容器装置设计规划》时，对高压并联电容器内部故障保护方式没有取得一致意见，有关电容器的“保护装置”章节中只作出“6．1．1电容器故障保护方式应根据各地的实践经验配置”的灵活规定，留下了尚待解决的问题。1目前状况及存在的问题1．1电容器内部故障保护的几种类型电容器的内部故障包括内部元件故障、内部极间短路故障、内部或外部极对壳（外壳）短路故障。从保护的类型来看，不外乎以熔断器为主保护和以继电保护为主保护两大类，具体形式大致有4种：熔断器（外熔丝）＋继保、内熔丝＋继保、外熔丝＋内熔丝＋继保、单独继保等。继电保护（不平衡保护）又根据电容器组的不同接线方式有不同的型式，主要有开口三角零序电压保护、电压差动保护、桥式差电流保护、中性线不平衡电流保护或中性点不平衡电压保护。1．2二种主保护特点的讨论主张电容器单台保护熔断器作为电容器内部故障主保护，是因为熔断器具有反时限特性，只要能保证熔断器的时间—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），就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，使健全电容器继续运行。持该观点者认为，继电保护只能反映稳态故障，且动作时限较长，可作为电容器内部故障的后备保护，当熔断器切除故障电容器后，剩余健全电容器的过电压超过限值时，保护动作切断整组电容器。这种方式为国际普遍采用。持相反意见者认为国产熔断器性能不稳定不可靠，经常发生误动或拒动，不能确保防止电容器发生外壳爆裂事故，主张取消熔断器，应将继电保护作为电容器内部故障的主保护，因为继电保护动作性能稳定，只要合理设定保护动作的整定值，就能在电容器内部元件故障发展至一定程度时，保护动作使电容器组退出运行，避免故障继续发展引起电容器外壳爆裂。从熔断器和继电器的动作特性来看，以熔断器作为电容器内部故障主保护，继电保护作为后备保护似乎更有理论依据。熔断器切除故障迅速，有较好的选择性，这已成共识。但是其缺陷亦较为明显，由于性能不良（电流—时间特性分散性大，长期使用后性能改变），拒动、误动甚至群爆时有发生，使得其作为电容器内部故障主保护的可靠性大打折扣，给运行带来很大麻烦。如220kV慈溪变3号电容器组投产后，多次在投运数分钟乃至数小时发生单个或多个熔断器熔断。其间，运行单位更换过两批熔断器，并复测三相电容，仍未能解决问题。后从仓库抽取库存熔断器，进行基本熔断特性试验，通以1．1倍熔丝额定电流，熔断时间均在100s内（要求4h不熔断）。其次，目前各电容器厂家均无法提供电容器外壳爆裂几率曲线，都是参照JB3840推荐的美国早期50kvar和100kvar两种电容器爆裂曲线，其可靠性和合理性有待探讨。正是由于熔断器保护存在缺陷，随之出现以继电保护（不平衡保护）替代熔断器作为电容器内部故障主保护的方式。虽然继电保护的特性比较稳定，但是当电容器内部故障发生特别迅速时，继电保护不能快速反应，就可能无法避免外壳爆裂；再者，继电保护的配置不允许缺台运行，一旦保护动作立即切除整组电容器，且寻找故障电容器比较困难。1．3保护方式的比较1．3．1外熔丝＋继保外熔丝＋继保的保护方式在各地应用最为广泛。按照电力行标DL442－91《高压并联电容器单台保护用熔断器订货技术条件》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。同时规定了熔断器的基本熔断特性见表1。如熔丝额定电流选为1．5Ic（Ic为电容器额定电流），则故障电流≤1．1×1．5Ic＝1．65Ic时，熔断器不动作，只有当Ic′＞1．5×1．5Ic＝2．25Ic时，熔丝进入快速动作区，而此时电容器内部故障率已达50％。也就是说电容器故障率小于50％或更小时，熔断器保护存在着死区。1．3．2内熔丝＋继保安装内熔丝的主要作用是隔离电容器内部早期击穿的故障元件，使电容器单元继续工作。按照GB3982．2－89《高电压并联电容器》的要求，电容器单元装有内熔丝，在单元的整个寿命期间，熔丝应能承受等于或稍大于单元电流最大允许值除以并联熔丝数的电流、开关操作引起的涌流以及内部其他元件损坏和外部短路时的放电电流。当元件在0.9Un和2.0Un范围内发生击穿时，熔丝应能将损坏的元件隔离开来。当一个元件击穿后，来自并联元件的放电电流和电源工频续流，使得该元件的内熔丝迅速熔断，从而达到隔离故障元件的目的。但是击穿元件熔丝的熔断不仅与并联的元件数有关，也与工频故障电流有关。随着熔丝开断数的增加，健全并联元件数减少，向击穿点提供的能量减少；同时，电容量减小，容抗增加，工频故障电流减小，有可能使得故障元件熔丝开断能力逐步下降，失去对故障元件的隔离作用，形成保护死区，导致故障串元件全部短路。此外，内熔丝对电容器内部极间短路无保护作用，也是内熔丝保护的死区。内熔丝电容器不平衡保护的整定，是以故障元件被熔丝切除后，其端电压升高不危害其余健全元件为原则。内熔丝电容器较早在欧洲等国家生产和应用，我国曾从国外引进大容量内熔丝电容器，在武汉、沈阳均发生过严重的爆炸起火事故。1．3．3外熔丝＋内熔丝＋继保由于内熔丝只能隔离电容器内部的故障元件，对电容器的其它内部故障无法起到保护作用。而实际的运行经验表明，除极间介质发生绝缘击穿外，引线对外壳的击穿短路和套管外绝缘发生闪络等，都可构成极间短路。这类故障的短路电流不通过内熔丝，且电流峰值大、衰减快，继电保护亦不能反映，只有靠外熔丝来切断这类故障电流。外熔丝＋内熔丝＋继保的措施是综合了内熔丝和外熔丝的保护特点而产生的，由内熔丝对个别元件早期故障进行隔离，由外熔丝对电容器贯穿性击穿实施快速保护。国内采用此类保护措施已运行多年，但是国外有关文献则提出：“内外熔丝保护不应同时使用，否则是危险的。”在内外熔丝如何配置，使用的安全可靠性方面值得深入探讨和研究。目前国内安装在500kV变电所的大容量高压并联电容器装置，大多选用带内熔丝电容器，同时配置单台电容器保护用熔断器，其不平衡保护（一般采用中性线不平衡电流保护）整定需考虑到内熔丝切除故障元件后，健全元件上的过电压倍数不超过1．1倍以及外熔丝切除故障电容器后，健全电容器上的过电压倍数超过1．1倍。如无锡电力电容器厂和锦州电力电容器厂的装置均按此原则设计。1．3．4继电保护(不平衡保护)电容器内部故障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，所以又称不平衡保护，其动作结果是切除整组电容器。前面讲述的三种保护形式均是以不平衡保护作后备保护。在以不平衡保护为电容器内部故障主保护时，其保护的对象是电容器组，要求电容器组三相基本平衡，且不允许缺台运行。但是目前保护定值缺乏规范，多数是以内部元件故障率来整定，一般故障率达到50％以上动作。另外，不平衡保护取样信号与故障单元电容变化量大小成正比，又与单元总数成反比，电容器组单元数量越多，故障单元电容变化量越小，则取样信号越小。不平衡保护无论是作为主保护还是后备保护，在国内主要有如下几种类型：(1)开口三角零序电压保护该保护大部分用于10kV单星形接线电容器组，将放电线圈二次接成开口三角，无需专用互感器，灵敏度高。但是容易受到系统电压不平衡的影响，只不过10kV系统对地电容不平衡度相对较小。(2)电压差动保护该保护一般用于每相有两个串段的电容器组，放电线圈为三套管（一次和二次均由2个线圈组成），一次线圈分别接电容器的两串段，二次线圈按差动联接。这种接线方式不受三相电压不平衡和单相接地故障影响，故障时分相动作。其缺陷是当某相的两个串段内的电容器同时发生故障且故障台数相同时，不能正确反映。(3)中性线不平衡电流（电压）保护该保护用于容量较大的电容器组，将电容器接成两个星形，在两个中性点间连接安装电流互感器。这种方式不受三相电压不平衡和谐波的影响，灵敏度较高。但当某台电容器发生短路击穿，且每相串段较少（如一个串段）时，高频放电电流通过电流互感器很容易将其烧坏。这类事故在运行中时有发生，我省温州蒲州变在1996年曾发生过此类事故。有些地方将电压互感器替代电流互感器，结果使保护灵敏度降低，因此未能得到广泛应用。(4)桥式差流保护该保护在66kV大容量电容器组中应用，每相有两个及以上的串段，其特点同不平衡电流保护相似。2进一步研究的设想并联电容器内部故障，除了产品制造质量的原因外，还有许多外部原因，故障与事故在所难免。而目前并联电容器内部故障保护措施还不能确保安全运行的要求，开展此项研究工作显得十分必要，亦非常重要。从分析现有保护装置入手，针对存在的问题，通过必要的试验研究，提出改进完善措施将是可行的。鉴于国内高压并联电容器内部故障保护形式主要是：外熔丝＋继保、内熔丝＋继保、外熔丝＋内熔丝＋继保、单独继保，因此熔断器保护是研究的重点，其次是熔断器保护与继电保护的配合问题。2．1熔断器专题试验研究通过近几年来对浙江省发生的多次电容器事故调查来看，熔断器存在的问题较为突出。一方面反映在熔断器的性能上，如误动现象以宁波慈溪变3号电容器组最为典型，而杭州崇贤变、温州蒲州变、嘉兴嘉善变均发生过熔断器群爆事故；另一方面熔断器安装不当的现象普遍存在，慈溪变和嘉善变的情况更严重些。在嘉善变现场找到多支炸飞的熔管以及拉断的熔丝，基本认定由于安装不符合要求，熔断器在故障电流下不能开断，致使部分熔管炸飞，并导致内部故障继续扩大（4台电容器爆裂，1台电容器鼓肚）。针对熔断器产品质量下降及型式试验过期的实际情况，有必要对主要厂家的产品技术性能进行检验，其重点是熔断器安－秒特性的分散性检验，开断特性试验及抗涌流试验，从中发现问题，并进行分析研究。应从现场抽取国内主要厂家已运行不同年限的熔断器进行技术性能稳定性检验，进一步了解熔断器的使用寿命及使用环境对其的影响，以期对熔断器的技术性能和安全可靠性作出正确评估，提出改进完善措施。要进一步对内外熔丝同时使用时的安全可靠性进行分析研究，可通过设置典型故障状态，分析计算故障支路的电流电压分布的变化，提出合理的保护配置。2．2熔断器与继电保护的配合专题试验研究熔丝为主保护，不平衡保护为后备保护时，两者之间的配合及保护死区有待试验研究和验证。应该考虑到，对于无内熔丝电容器单元内部元件击穿或带内熔丝电容器单元内熔丝不能有效隔离故障元件时，其单元电容变化量（电容量增大）与外熔丝切断电容器单元所产生的结果相抵消，使得保护信号无法对故障状态作出正确反映。当熔丝保护和不平衡保护同为主保护时，保护配合及定值问题值得进一步的研究。2