（电气工程专业论文）高压并联电容器保护配置研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着电网规模的不断扩大，需要越来越多的无功补偿装置。并联电容器是目前 最经济实用的无功补偿装置，因此，并联电容器组在近些年得到了跨越式的发展。 2 0 0 7 年的变电站电容器组投运的台数比2 0 0 4 年增长了一倍多，而且电容器的容量 也大大提高，目前应用的电容器组最大容量为6 0 m v a r 。但是，电容器的生产环节 并没有相应跟上，导致电容器事故不断，不仅造成了经济上的损失，同时也降低了 河北南部电网的电能质量。本文通过对电容器组的配置选型及安装方面进行了深入 的分析，并经过对河北南部电网电容器组的广泛调研，总结了目前所存在的问题及 改进方法，为将来的设备选型及保护配置提供了理论性的指导。 关键词：无功补偿装置，并联电容器，河北南部电网 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no ft h es e a l eo f p o w e rg r i d s ，i tn e e dm o r ea n d m o r er e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s p a r a l l e lc a p a c i t o r si st h em o s te c o n o m i c a la n d p r a c t i c a lr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，t h e r e f o r e ，p a r a l l e lc a p a c i t o r si nr e c e n t y e a r sh a v eb e e nt h ed e v e l o p m e n tb yl e a p sa n db o u n d s 2 0 0 7s u b s t a t i o nc a p a c i t o r s f o r t h et r a n s p o r to ft a i w a ni n2 0 0 4g r o 、t hh a sm o r et h a nd o u b l e d ，a n dc a p a c i t o r s a l s og r e a t l ye n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h ec u r r e n ta p p l i c a t i o no ft h em a x i m u m c a p a c i t yo fc a p a c i t o r sf o r6 0m v a r h o w e v e r ，t h ec a p a c i t o rp r o d u c t i o np r o c e s s e s a n dn oc o r r e s p o n d i n gk e e pu p ，1 e a d i n gt ot h ea c c i d e n tc a p a c i t o r s ，n o to n l yc a u s e d e c o n o m i cl o s s ，b u ta l s or e d u c et h ep o w e rg r i d si ns o u t h e r nh e b e ip o w e r q u a l i t y b a s e do nt h ec o n 行g u r a t i o nc a p a c i t o r ss e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o nc a r r i e do u ti n d e p t h a n a l y s i sa n dt h r o u g ht h ep o w e rg r i di ns o u t h e r nh e b e ic a p a c i t o r se x t e n s i v er e s e a r c h ， s u m m e du pt h ec u r r e n t l ye x i s t i n gp r o b l e m sa n di m p r o v em e t h o d sf o rf u t u r e s e l e c t i o no fe q u i p m e n ta n dp r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o np r o v i d e sat h e o r e t i c a lg u i d a n c e n it 0 n 曲u i ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gx i n g u o k e yw o r d s ：r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，p a r a l l e lc a p a c i t o r s ，p o w e rg r i d si n s o u t h e mh e b e i 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着电网规模的不断扩大，需要越来越多的无功补偿装置。并联电容器是目前 最经济实用的无功补偿装置，因此，并联电容器组在近些年得到了跨越式的发展。 2 0 0 7 年的变电站电容器组投运的台数比2 0 0 4 年增长了一倍多，而且电容器的容量 也大大提高，目前应用的电容器组最大容量为6 0 m v a r 。但是，电容器的生产环节 并没有相应跟上，导致电容器事故不断，不仅造成了经济上的损失，同时也降低了 河北南部电网的电能质量。本文通过对电容器组的配置选型及安装方面进行了深入 的分析，并经过对河北南部电网电容器组的广泛调研，总结了目前所存在的问题及 改进方法，为将来的设备选型及保护配置提供了理论性的指导。 关键词：无功补偿装置，并联电容器，河北南部电网 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no ft h es c a l eo f p o w e rg r i d s ，i tn e e dm o r ea n d m o r er e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s p a r a l l e ic a p a c i t o r si st h em o s te c o n o m i c a la n d p r a c t i c a lr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，t h e r e f o r e ，p a r a l l e lc a p a c i t o r si nr e c e n t y e a r sh a v eb e e nt h ed e v e l o p m e n tb yl e a p sa n db o u n d s 2 0 0 7s u b s t a t i o nc a p a c i t o r s f 0 rt h et r a n s p o r to ft a i w a ni n2 0 0 4g r o 、 r t hh a sm o r et h a nd o u b l e d ，a n dc a p a c i t o r s a l s og r e a t l ye n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h ec u r r e n ta p p l i c a t i o no ft h em a x i m 啪 c a p a c i t yo fc a p a c i t o r sf 0 r6 0m v a r h o w e v e r ，t h ec a p a c i t o rp r o d u c t i o np r o c e s s e s a n dn oc o r r e s p o n d i n gk e e pu p ，1 e a d i n gt ot h ea c c i d e n tc a p a c i t o r s ，n o to n i yc a u s e d e c o n o m i cl o s s ，b u ta l s or e d u c et h ep o w e rg r i d si ns o u t h e r nh e b e ip o w e r q u a l i t y b a s e do nt h ec o n f j g u r a t i o nc a p a c i t o r ss e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o nc a r r i e do u ti n d e p t h a n a l y s i sa n dt h r o u g ht h ep o w e rg r i di ns o u t h e r nh e b e ic a p a c i t o r se x t e n s i v er e s e a r c h ， s u m m e du pt h ec u r r e n t l ye x i s t i n gp r o b l e m sa n di m p r o v em e t h o d sf o rf u t u r e s e l e c t i o no fe q u i p m e n ta n dp r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o np r o v i d e sat h e o r e t i c a lg u i d a n c e n it 0 n 吐u i ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gx i n g u o k e yw o r d s ： r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，p a r a l l e lc a p a c i t o r s ，p o w e r g r i d si n s o u t h e mh e b e i 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压并联电容器保护配置研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名：勋氮 日期：少呵奠妒 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 随着电网规模的扩大和容量的增加，电力系统的网络结构与电源分布都发生了 显著改变，我国正在快速发展的超高电压等级系统中无功补偿的作用就显得更加重 要。它既关系到电力系统供电质量的优劣，也直接影响着电网自身运行的安全性和 经济性。因此保障无功补偿装置的正常运行在电网安全性和降损节能方面有着重要 的意义。 并联电容器作为电力系统的无功补偿设备，对于提高功率因数、改善电压质量、 降低线损等方面发挥着越来越重要的作用。由于并联电容器具有简单经济、方便灵 活等优点，在无功补偿中得到了广泛应用。虽然电容器的可靠性水平已随着生产工 艺和介质材料的改进有了大幅度的提高，但近几年仍不断发生严重的电容器爆炸事 故。据全国电力系统高电压专业工作网无功补偿装置专家工作组的统计分析，近年 来高压并联电容器的年故障率有所回升，从1 9 9 7 年前的0 4 左右回升到2 0 0 0 年 的l 左右，少数省市还有超过4 的，其中爆炸起火的恶性事故有上升的趋势，仅 1 9 9 9 年就发生了十余起。 分析表明：除了产品自身的质量问题外，运行中的操作过电压问题，加上设备 参数配置不合理、保护配置不当等等也是引起恶性事故多发的直接原因。事实上， 在多数情况下，事故是有可能避免的，由于保护配置上的问题，主要是电容器内部 故障保护的配置不当，电容器有了故障而不能及时被检出并迅速隔离，才使故障继 续发展、扩大，最终造成严重后果。 为了减少电容器损坏，防止电容器事故扩大，并联电容器装置必须有完善和周 密的保护配置，这对于电网的安全经济运行具有十分重要的意义。 1 1 我国目前的无功补偿设备及补偿方式 1 1 1 同步调相机 同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的种无 功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺点是投资 大，运行维护复杂。因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。但是 同步调相机也有自身的优点： 1 ) 调相机可以随着系统负荷的变化，均匀调整电压，使电网电压保持规定的 水平。电容器只能分成若干个小组，进行阶梯式的调压。 2 ) 调相机可以根据系统无功的需要，调节励磁运行，过励磁时可以做到发出 华北电力大学f ：程硕十学位论文 其额定l o o 的无功功率，欠励磁时还可以吸收其额定的5 0 的无功功率。电容器 只能发出无功，不能吸收无功。 3 ) 调相机可以安装强行励磁装置，当电网发生故障时，电压剧烈降低，调相 机可以强行励磁，保持电网电压稳定，因而提高了系统运行的稳定性。电容器输出 无功功率与运行电压的平方成正比，电压降低，输出的无功将急剧下降，比如，当 电压下降l o ，变为0 9 u e 时，电容器输出的无功功率变为0 8 1 q ，即其输出的无 功功率将下降1 9 ，所以，电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。 1 1 2 并联电容器 作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点： 1 ) 电容器是最经济的设备。它的一次性投资和运行费用都比较低，且安装调 试简单。 2 ) 电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的o 0 2 左右。 调相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2 3 0 ，大大 高于电容器。 3 ) 电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。调相机为旋转电机，运行 维护很复杂。 4 ) 电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配 电系统和厂矿用户。而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限。 并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统 中9 0 的无功补偿设备是并联电容器。 1 1 3 并联电抗器 并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避 免电网运行电压过高。 为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升 高，一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器也用来限制由于 突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。 并联电抗器可以直接接到超高压( 2 7 5 k v 及以上) 线路上，其优点是：可以限制 高压线路的过电压，与中性点小电抗配合，有利于超高压长距离输电线路单相重合 闸过程中故障相的消弧，从而提高单相重合闸的成功率。高压电抗器本身损耗小， 但造价较高。并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，有干式的和油浸的两 种，这种方式的优点是造价较低，操作方便。从发展趋势看，更多的将采用高压电 华北电力人学工程硕十学位论文 抗器。 大型并联电抗器的技术、结构和标准与大型电力变压器类似，也有单相和三相， 心式和壳式之分，心式还可以分为带间隙柱的和空心式的，目前我国制造的高压大 容量并联电抗器只采用心式结构。 心式电抗器的结构与心式变压器类似，但是只有一个绕组，在磁路中加入间隙 以保证不饱和，维持线性。 1 1 4 静止补偿器( s v c ) 静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、 调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动 态冲击负荷的补偿。根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的 性质或保持母线电压恒定。 静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功 率，可控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度 远远高于调相机，一般只有2 0 m s 。它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机 以及大型整流设备等。另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿 器来提高系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。在 我国湖南、湖北、广东、河南等多个5 0 0 k v 枢纽变电站都采用了这种装置。 例如我国某大型炼钢厂使用电弧炉炼钢，严重影响供电质量，电弧炉运行时使 电压下降1 5 2 0 ，谐波的干扰使众多用户的电视不能收看，电器设备不能正常使 用，群众反应强烈。 在装了静止补偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围 内，谐波干扰明显降低。在周围广大用户普遍受益的同时，该厂也降低了线损，减 少了电费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。 静止补偿器的最大特点是调节快速。为了充分发挥它在需要无功功率时的快速 调节能力，在正常情况下应经常运行在接近零功率的状态。但因正常负荷变动引起 的电压变化过程缓慢，用一般价格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合，完全可 以满足要求，没有必要选用这种设备。 综合以上分析，并联电容器是一种最廉价效果最好的无功补偿设备，它可以分 散布置在无功负荷较大的区域，并且具有多种电压等级的并联电容器，可以做到无 功补偿的分层分区，是我国现在应用最多的无功补偿设备。 华北电力大学工程硕十学位论文 1 2 河北南网并联电容器现状及问题 目前，电容器质量较1 0 年前有了较大的提高，但电容器装置的状况却不容乐 观。常常是先天不足，即设计选型不当。近几年，河北南网发生了几起比较严重的 并联电容器及配套设施的事故，归纳起来电容器装置在使用中遇到的问题主要有： ( 1 ) 采用外熔断器保护的电容器组众多，而外熔断器质量不佳，特别是大电 流熔断器的问题更大。 ( 2 ) 大容量电容器组接线错误率高，如耐爆超标、外熔断器与内熔丝混用、 接线选型不当等。 ( 3 ) 保护选型及计算错误率高，特别是大容量电容器组( 2 0 m v a r 及以上) 的 保护选型和计算多数有错误，如选用内熔丝电容器的4 0 6 0 m v a r 电容器组采用双 星形中性点不平衡保护，保护根本无法整定。 ( 4 ) 电容器单元选型不当，如1 1 、1 2 k v 的3 3 4 k v a r 电容器选用内熔丝。 ( 5 ) 外熔断器保护电容器组时并联数不足。 ( 6 ) 串联电抗器电抗率选取原则不当。目前串联电抗器的电抗率常常是按电 压等级进行选择，但实际上高电压等级电抗器的谐波问题小，低电压等级串联电抗 器谐波问题大，因此应按谐波状态选取电抗率才能达到目的。 1 3 课题主要研究内容 本课题以理论与实践相结合的方法，对1 2 节中所述的河北南网电容器组存在 的问题进行深入的分析，并提出合理的解决方案，以期对将来的河北南网并联电容 器组的规划与设计工作提供相应的参考。 主要研究内容包括： ( 1 ) 取消外熔断器问题； ( 2 ) 关于内熔丝与外熔断器混用的问题； ( 3 ) 关于电抗率的选取问题； ( 4 ) 保护方式的选择问题。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章河北南网并联电容器应用现状及存在问题分析 近年来，电容器装置尤其是5 0 0 k v 变电站和大容量2 2 0 k v 变电站用大容量电容 器装置常常发生爆炸起火事故，就同接线配置、保护不当密不可分。2 0 0 7 年3 月， 国家电网公司发布了1 1 0 5 0 0 k v 变电站通用设备典型规范并推广应用，其中包 括电容器装置典型规范。在电容器装置典型规范启动之初，就确定了要重点解决电 容器装置配置、接线、保护方式配置和整定错误率过高等问题。从而达到使电容器 装置从设计、制造、建设到运行各环节都尽可能少出错，以提高电容器装置运行可 靠性的目标。 为了减少电容器装置的事故发生率，对电容器装置进行合理规划时，应达到以 下目的： ( 1 ) 规范电容器的选型、配置，达到简化配置、配件、备品，提高设备通用 性的目的。可减少因选型、配置不当造成运行可靠性下降情况发生。 ( 2 ) 规范电容器装置的接线方式，提高电容器装置的统一性，可避免因接线 方式错误引起事故的情况发生。 ( 3 ) 规范电容器装置的保护方式和配置，可提高电容器装置的运行可靠性， 特别是可有效避免电容器装置扩大性事故发生。 2 1 河北南网电容器设备类型 2 1 1 电容器组基本型式 单位数量型 普通型( 分散型)集合型 小计 号 保供 1 9 91 0 73 0 6 石供 3 8 23 6 37 4 5 沧供 2 3 43 42 6 8 衡供 1 2 36 61 8 9 邢供 1 7 9j5 12 3 0 邯供 1 8 49 82 8 2 超高压 2 8o2 8 合计 13 2 97 192 0 4 8 华北电力大学t 程硕十学位论文 2 1 2 电容器组接线型式 单位数量接 单星 双星形三星形小计 线型式形 保供 2 9 412 o3 0 6 石供 7 3 8707 4 5 沧供 2 5 61 2 02 6 8 衡供 1 8 9001 8 9 邢供 2 2 28 02 3 0 邯供 2 5 13 1o2 8 2 超高压o 0 2 82 8 合计19 5 07 02 82 0 4 8 2 2 河北南网并联电容器应用现状 目前，电容器质量较l o 年前有了较大的提高，但电容器装置的状况却不容乐 观。常常是先天不足，即设计选型不当。对大容量电容器装置，这个问题更加突出， 导致装置运行可靠性差，甚至造成严重事故，如爆炸着火等。归纳起来电容器装置 在使用中遇到的问题主要有： ( 1 ) 采用外熔断器保护的电容器组众多，而外熔断器质量不佳，特别是大电 流熔断器的问题更大。 ( 2 ) 大容量电容器组接线错误率高，如耐爆超标、外熔断器与内熔丝混用、 接线选型不当等。 ( 3 ) 保护选型及计算错误率高，特别是大容量电容器组( 2 0 m v a r 及以上) 的 保护选型和计算多数有错误，如选用内熔丝电容器的4 0 6 0 m v a r 电容器组采用双 星形中性点不平衡保护，保护根本无法整定。 ( 4 ) 电容器单元选型不当，如儿、1 2 k v 的3 3 4 k v a r 电容器选用内熔丝。 ( 5 ) 外熔断器保护电容器组时并联数不足。 ( 6 ) 串联电抗器电抗率选取原则不当。目前串联电抗器的电抗率常常是按电。 压等级进行选择，但实际上高电压等级电抗器的谐波问题小，低电压等级串联电抗 器谐波问题大，因此应按谐波状态选取电抗率才能达到目的。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 河北南网电容器相关问题分析 2 3 1 取消外熔断器问题 随着电容器产品制造技术的发展，单台电容器故障保护也经历了发展变化过 程，2 0 世纪末期，曾经大量采用的单台电容器外熔断器保护，由于电容器产品质量 提高，事故率降低，单台容量增大，而外熔断器对大电流的切断性能不能保证，长 时间运行后，出现各种故障( 误动、拒动、群爆) ，弹簧锈蚀，熔管堵塞。由于外 熔断器质量问题较为严重，因此许多人提出取消外熔断器。实际上，这是不可取的， 不能一刀切，全部取消。 内熔丝保护电容器具有可靠性高、免维护的特点，可用于单台大容量电容器。 因此，内熔丝在电容器制造中被广泛应用。但随着电容器全膜化的发展，电容器单 个单元的容量越来越大，目前额定电压为1 l 、1 2 k v 以上电压，容量为3 3 4 k v a r 及 以下容量的电容器，其内部一个串联段中的并联元件一般不会超过8 个。根据试验 研究，通常认为当一个串联段的并联元件数量少于1 2 个时，内熔丝开断性可靠性 变差，少于8 个时内熔丝就常常不能开断。如果全部取消外熔断器，而对于1 1 、1 2 k v ， 3 3 4 k v a r 和2 0 0 k v a r 电容器配置内熔丝的保护性能又不能达到相应要求，因此，小 电流电容器将无故障保护。对于此种类型的单台电容器，仍以外熔断器保护为佳， 故不能不分情况全部取消外熔断器。 2 3 2 关于内熔丝与外熔断器混用的问题 内熔丝电容器保护存在死区：引线故障和套管闪络，内熔丝不动作。因此，部 分工程为了克服保护死区问题，于是出现了内熔丝电容器组又装设外熔断器的情 况。内熔丝+ 外熔断器的配置在河北南部电网也有应用，共有5 5 台电容器，尤其是 5 0 0 k v 变电站的所有2 8 台电容器均采取了这种保护配置方式。实践证明，该保护的 配置方式是十分有害的。因为当内熔丝保护电容器出故障时，电容器的电容量、电 流会减小，而外熔断器保护则要求电流增大才能动作，如无足够的过流倍数，外熔 断器就无法完成保护功能。由此可见，内熔丝与外熔断器保护的原理是完全相反的。 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。该种保护配合方式在国外也鲜有应用。 2 3 3 关于电抗率的选取问题 目前，河北南部电网的串联电抗器的电抗率常常是按照变电站电压等级进行选 取的，但实际上电抗率的选择与电压等级、容量没什么关系，只与系统的谐波有关。 目前的选取方法是：l l o k v 及以下变电站配置4 5 一5 电抗率，2 2 0 k v 及以上配置 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 电抗率。这种配置方法与谐波状态无关，显然这与串联电抗器的作用和原理不 相符。在国家电网公司2 0 0 7 年发行的变电站用电容器典型规范中，对电抗率的选 取问题提供了统的标准。其中，i 电抗率不推荐用于大容量电容器组；当系统 中谐波次数为5 次及以上而无3 次谐波时，应选取5 电抗率；当系统中主谐波次数 为3 次及以上时，应选取1 2 电抗率。 2 3 4 保护方式的选择问题 电容器组的不平衡保护主要有4 种类型：单星形接线采用开口三角电压保护、 双星形接线采用中性点不平衡保护、单星形接线采用相电压差动保护和单星形接线 采用桥式电流保护。由此可见，电容器组接线和保护是互相关联的，选择了接线方 式，也就确定了保护型式，反之亦然。应当注意，每种保护都有一定的适用范围， 应用得当，才能发挥其优点，否则，保护如同虚设，也就失去了安全保障。开口三 角电压保护，适用于1 0 k v 单串联段中小容量电容器组，利用放电线圈二次侧构成 保护，设备简单有效，保护灵敏度可以满足要求；中性点不平衡电流保护，适用于 容量稍大的电容器组，为了减少并联电容器台数，把一组电容器分成2 个星形，将 中性点连接起来，在中性点连接线上装设电流互感器，即构成这种保护，仅用1 台 电流互感器，保护设备少，接线清晰简单；当每相电容器由2 个及以上的串联段组 成，即可采用相电压差动保护，保护可由放电线圈二次侧抽取电压构成，保护动作 可以识别故障相，方便查找故障点，这是它的优点，由于1 0 k v 电容器组大多数是 单串联段，很少采用这种保护。3 5 k v 电容器组至少有2 个串联段，具备采用这种保 护的条件；当电容器组的每相可以分成4 个桥臂时，可以采用桥式差电流保护，这 种保护接线复杂，要用3 台不平衡保护电流互感器，所用设备多，但保护灵敏度高， 也可以判断故障相，适用于3 5 k v 和6 6 k v 大容量电容器组。 目前，河北南部电网的电容器组选用单星开口三角电压保护的有1 7 9 5 台，桥 式电流保护的有1 4 台，相电压差动保护的有1 3 6 台，双星形中性点不平衡电流保 护有7 4 台。由此可见，开口三角电压保护得到了广泛的使用。但通过调查发现， 有些电容器并不适合。比如，5 0 0 k v 变电站采用额定电压1 2 k v 的3 3 4 k v a r 电容器， 整组容量6 0 1 2 0 k v a r ，分成三个单星形接线，每相电容器为2 串l o 并。每星的容量 已经达到了2 0 m v a r ，使用开口三角电压保护已经不再适合，由于每臂采用2 串，所 以采用相电压差动保护配置比较合理。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章并联电容器组的接线及保护方式选择 3 1 电容器组的接线方式 并联电力电容器组的接线与电容器组的额定电压、容量，以及单台电容器的容 量、所连接系统的中性点接地方式等因素有关。目前在河北南网系统中运行的电力 电容器组的接线有两种，即星形接线( 单星形接线和双星形接线) 和三角形接线。三 角形接线主要用在工厂企业变电所的小容量电容器组。三角形接线可以滤过3 倍次 谐波电流，利于消除电网中的3 倍次谐波电流的影响。三角形接线的缺点是当电容 器组发生全击穿短路时，故障点的电流不仅有故障相健全电容器的放电涌流，还有 其他两相电容器的放电涌流和系统短路电流。故障电流的能量往往超过电容器油箱 能耐受的爆裂能量，因而经常会造成电容器的油箱爆裂，扩大事故。星形接线的优 点是当电容器组发生全击穿短路时，故障电流受到健全相容抗的限制，来自系统的 工频短路电流将大大降低，最大不超过电容器组额定电流的三倍，并没有其他两相 电容器的放电涌流，只有故障相健全电容器的放电电流。故障电流的能量较小，因 而故障不容易造成电容器的油箱爆裂。在电容器质量相同的情况下，星形接线的电 容器组可靠性较高。另外，三角形接线的电力电容器组由于其保护熔断器选择困难、 操作过电压倍数高、布置不方便等缺点较多，因此河北南网在工程中电力电容器组 采用星形接线( 单星形接线和双星形接线) 。 在2 2 0 一5 0 0 k v 变电所，并联电力电容器组常采用的接线方式有以下几种： 1 ) 中性点不接地的单星形接线。 2 ) 中性点接地的单星形接线。 3 ) 中性点不接地的双星形接线。 4 ) 中性点接地的双星形接线。 在1 0 3 5 k v 为非直接接地系统时，采用星形接线的电容器组中性点不接地方 式。对于容量较大的电容器组，内部接线一般以选择双星型接线为好。其主要优点 是： ( 1 ) 同样的单组容量，双星形接线的每段并联台数比单星形接线少一倍，因 而减少了事故情况，故障段中完好电容器向故障电容器的放电能量，有利于防止故 障电容器的外壳爆裂和火灾； ( 2 ) 每组双星形接线的电容器组中性线可设置电流保护： 9 华北电力大学1 ：程硕十学位论文 ( 3 ) 中性线差电流互感器由于运行电压较低，故障情况下通过差电流互感器 的电流值也较小，运行可靠性较高。 ( 4 ) 双星形框架式电容器组的布置较为清晰，引线比单星形接线方式少，且 单星形接线时每相电压互感器均需高压引线，双星形接线所需的支柱绝缘子的数量 相对较少，减少了绝缘事故点。 在电容器组内部接线，应采用先并联后串联的接线方式。此种接线，当一台电 容器出现击穿故障，故障电流由来自系统的工频故障电流和健全电容器的放电电流 组成。流过故障电容器的保护熔断器故障电流较大，熔断器能快速熔断，切除故障 电容器，健全电容器可继续运行。如采用先串联后并联的接线方式，当一台电容器 出现击穿故障时，故障电流因受与故障电容器串联的健全电容器容抗限制，流过故 障电容器的保护熔断器故障电流较小，熔断器不能快速熔断切除故障电容器，故障 持续时间长，健全电容器可能因长时间过电压而损坏，扩大事故。 一组并联电容器一般由以下元件组成：电容器c 、隔离开关q s 、断路器q p 、 电抗器l 、电流互感器t a 、熔断器f u 、避雷器f 、放电器l 1 等。如图3 1 所示。 断路器电抗器 图3 1并联电容器结构图 各元件的接线及基本要求如下： 1 电容器 电容器组的容量根据系统设计要求确定，电容器组的型式可由单台电容器组成 或采用集合式电容器组。单台电容器组合灵活、方便，更换容易，故障切除的电容 器少，剩余电容器只要过电压允许可继续运行。但电容器组占地面积大、布置不方 便。集合式电容器组和大容量箱式电容器组，占地面积小、施工方便、维护工作少， l o 华北电力大学：f ：程硕十学位论文 但电容器故障要整组切除，更换故障电容器不方便，有时甚至要返厂检修，运行的 可靠性不如单台电容器组。随着设备制造水平的提高，集合式电容器组和大容量箱 式电容器组的可靠性也在不断提高，在具体工程中可根据实际情况选择电容器组的 型式。 电容器的额定电压应能承受正常运行可能出现的工频过电压，其值不大于电容 器额定电压的1 1 倍。当电容器回路接有串联限流电抗器时，应计及因串联电抗器 引起的电压升高，电容器的端电压将高于接入处电网电压，其升高的电压与电抗器 的电抗率有关，可按以下电抗率确定电容器的额定电压： 当电容器组每相由多段串联而成，每台电容器的额定电压等于电容器组额定相 电压除以串联段数。 单台电容器的容量选择，应根据电容器组的容量、允许的并联台数、串联的段 数以及标准电容器产品的额定值等因素优化确定。在条件允许的情况下应首先选用 单台容量大的电容器，可方便布置，减少占地，有利于运行维护。在有串联电抗器 的情况下，整组电容器的实际输出容量应等于整组电容器的额定容量减去电抗器的 额定容量。 2 断路器 用于电容器组回路的断路器的环境特点是，电容器是一个储能元件，在操作 过程中容易产生操作过电压，而电容器本身又容易因过电压而损坏，因此除满足一 般断路器标准要求外，断路器性能还应满足一些特殊要求。电容器上的过电压主要 是重复充电产生的，断路器合闸过程中的弹跳和分闸过程触头问的重燃是产生操作 过电压的根本原因。断路器合闸过程中的弹跳时间越短，产生的操作过电压越小， 一般要求断路器合闸过程中的弹跳时间小于2 m s ，分闸过程触头间不重燃。此外， 对于多组电容器的总回路断路器还能承受关合涌流、工频短路电流的联合作用。对 于经常投切的电容器组，断路器应具有频繁操作性能。1 0 k v 电容器组回路通常选用 真空断路器。3 5 k v 电容器组通常选用s f 6 断路器。 另外，当电容器组与供电线路接在同一母线时，线路断路器的投切也能引起电 容器自过电压，危及电容器的安全。所以，与电容器接在同以母线的线路断路器也 应与电容器回路断路器具有相同的性能。 3 串联电抗器 串联电抗器用作限制充电涌流和谐波电流。用作限制充电涌流时，涌流值通常 按电容器额定电流的2 0 倍计算，电抗率一般为0 1 1 。用作限制谐波电流时， 与接人电网的谐波有关，如电网的谐波为5 次及以上时，电抗率宜取4 5 5 ， 如电网的谐波为3 次及以上时，电抗率宜取1 2 。电抗率的选取原则将在以后章节 华北电力人学工程硕士学位论文 详述。电抗器的额定电流应大于或等于电容器组的额定电流，一般选用空芯或半芯 干式串联电抗器。 串联电抗器可接在电容器组的中性点侧或电源侧，对限制合闸涌流和抑制谐波 电流白作用都是一样的。接在中性点侧，正常运行时电抗器所承受的电压低，可不 受短路电流的冲击，可减少事故，运行更安全，电抗器的价格也较低。串联电抗器 接在电源侧，对承受电压和短路电流能力的要求就较高，电抗器的价格也较贵。因 此，一般情况下推荐串联电抗器接在电容器组的中性点侧。 接在大容量降压变压器1 0 k v 侧的电容器组，还应考虑变压器l o k v 侧主回路限 流电抗器的影响，电容电流流过电抗器时将引起电压升高。 4 放电线圈 为了安全和防止合闸时因剩余电荷产生过电压，要求放电线圈能在电容器组脱 离电源后，在5 s 内将电容器上的剩余电压降至5 0 v 以下。通常选用同一电压等级 的电压互感器作为放电器，其二次侧还可作检测电压用。为提高安全性，放电器回 路不应接任何保护熔断器和刀开关。 5 避雷器 用于限制电容器组的操作过电压，通常选用无间隙的氧化锌避雷器。 6 熔断器 采用熔断器保护是电力电容器最基本的保护方式。熔断器的作用就是识别出 故障的电容器，并将其从运行的电容器中切除，使故障限制在最小的范围之内，而 无故障的电容器继续运行。熔断器在熔断时，不应产生强烈的喷射，防止引起母线 故障。 3 2 并联电容器组结构型式的选择 1 户外安装的框架式电容器组 户外安装的框架式电容器组是国内应用十分广泛的结构型式，成套装置的周围 设置金属围栏，其优点是成套装置布局清晰，绝缘距离和安全距离较大，装有单台 保护熔断器，发生故障时由于熔断器的掉牌，运行人员能较快地发现故障电容器， 使电容器组尽快恢复运行，土建工程量小，节约投资，通风和散热条件好，风和雨 还可对运行设备起到自然清扫的作用。此类结构型式的缺点是：占地面积较大，为 了节约占地，可采取高层布置的结构型式，将电容器分层安装在铁架上，但为了检 修方便，上下一般不多于3 层，水平放置一般为2 排，以保证巡视的方便和散热良 好。我院设计的易州变3 5 k v 电容器就是采用这种方案。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 2 户内安装和半露天安装的电容器组 在某些环境条件无法满足户外安装电容器组的场所，可将电容器组安装于室 内，由于不受雨雪尘土的侵袭，运行较安全。但增加了室内建筑物和防火、通风等 设施，工程造价有所增加。所谓“半露天布置”，即给户外装置的电容器搭了一个遮 阳棚，其优点是运行中的电容器可以免受夏季阳光的爆晒，但同时失去了雨水自然 冲洗的条件，适用于我国南方某些夏季高温，春季少风沙且污秽不严重的地区。国 标g b 5 0 2 2 7 一1 9 9 5 并联电容器装置设计规范中认为半露天的设计方案不宜推广 采用。 3 半封闭式的电容器组 西欧制造厂家生产的电容器成套装置，多采取此种设计方案。所谓半封闭是指 将电容器的带电部分及引线封闭在箱体内，单台电容器卧放，插入箱体的两侧，套 管对套管，而电容器的外壳部分则裸露于箱体之外。a b b 西安电力电容器公司生产 的电容器成套装置，即属于这种型式，单台电容器的最大容量为l m v a r 。这种结构 方式的优点是：占地面积小；安装检修方便；便于采用单台保护熔断器。但 从运行经验上看，此类结构型式在国内实践中发生事故的机率较高，其缺点是： 半封闭部分易于产生凝露现象而导致闪络事故；国产卧放安装的单台电容器更容 易产生渗漏油，而电容器外壳内油量的多少对电容元件性能的影响，卧放安装比立 放安装影响更大；由于工艺水平，半封闭并未做到完全封闭，潮气和尘土仍可能 侵入箱内，造成闪络。因此国内工程设计中很少采用这种结构型式。 4 集合式或箱式的并联电容器组 近年来集合式并联电容器产品发展很快，其总容量已占我国高压并联电容器总 容量的4 0 左右。在2 2 0 k v 及以下中小变电站中得到了广泛的应用，其优点是占地 面积小，安装维护简单，特别适用于户外安装。由于可调容量产品和3 5 6 6 k v 就 地安装全绝缘产品的开发，使其更受到运行单位的欢迎。至于大容量箱式并联电容 器，在我国2 2 0 k v 变电站中已有多年运行经验。但集合式产品在发生内部故障时， 故障的电容单元不易查找，一般应送回制造厂检修，使其应用受到限制。 3 3 设计选型的依据标准 为了使高压并联电容器通过设计与选型真正达到安全可靠、技术先进与经济合 理的综合目标要求，在高压并联电容器的设计上遵循了以下原则： ( 1 ) 高压并联电容器的设计( 包括电气接线，电器导体的选择，保护和投切装置、 控制回路、信号回路和测量仪表，布置和安装，防火和通风等方面) 应符合现行国家 标准g b 5 0 2 2 7 1 9 9 5 并联电容器装置设计规范以及g b t l1 0 2 4 1 2 0 0 l 标称电 华北电力大学工程硕士学位论文 压l k v 以上交流电力系统用并联电容器第3 部分：并联电容器和并联电容器组的保 护中的有关规定； ( 2 ) 高压并联电容器产品的技术条件( 包括产品分类，技术要求，试验方法，检 验规则，以及标志、包装、运输、贮存等) 应符合电力行业标准d l t 6 0 4 1 9 9 6 高 压并联电容器装置订货技术条件的规定要求； ( 3 ) 密切注视国内外电容装置技术发展动态，积极推广应用新技术、新产品、新 工艺、新材料； ( 4 ) 重视调查、总结与吸取电容装置或相关设备的运行经验与事故教训，采取切 实有效的安全保护措施； ( 5 ) 电容装置在技术上把安全可靠放在首位，在技术经济综合指标上要体现经济 合理与技术先进，同时要为加工制造、运输安装和运行维护创造良好条件。 3 4 并联电容器保护方式选择 3 4 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、内部极问短路故障、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。 3 4 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一电流特性曲线位于电容器的1 0 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