并联电容器熔断器保护及其与不平衡保护的配合问题

并联电容器熔断器保护及其与不平衡保护的配合问题摘要：文章重点讨论了并联电容器内部故障保护中广泛使用的熔断器保护配置及其与不平衡保护的配合问题，指出常用的配置原则中存在的问题，并提出了修正意见。关键字：电容器故障保护熔断器不平衡保护0前言据全国电力力系统高电压压专业工作网网无功补偿装装置专家工作作组的统计分分析，近年来来高压并联电电容器的年故故障率近几年年有所回升，从1997年前的0．4％左右回升到2000年的1％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1999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。本文仅就使使用最广泛的的单台熔断器器与继电保护护配合作为内内部故障保护护方案在配置置中的一些问问题进行讨论论，以供大家家参考。1熔断器保护护配置的分析析1．1熔断断器特性单台保护用用熔断器属喷喷射式熔断器器，主要靠熔熔断电流自身身的能量产生生气体熄灭电电弧并开断故故障电流，在在电容器装置置中常作为内内部故障的主主保护，在我我国应用十分分广泛。熔断器动作作性能与通过过的电流大小小有关，其动动作时间与电电流的关系由由熔断器熔丝丝的时间—电流特性曲曲线确定，其其反时限特性性对故障电流流开断是有利利的。基于熔断器器的动作机理理，在大电流流下，其熄弧弧能力可充分分发挥，有较较稳定的开断断性能；在小小电流下，则则需在外弹簧簧的帮助下开开断。这些开开断均必须是是无重击穿开开断过程。熔熔断器的极限限开断工频电电流为1800A，极限开断断放电能量为为15kJ（现行标准准规定为12kJ），这两个个限值都可能能作为电容器器组的并联容容量限值的依依据。但通常常并联最大容容量主要受制制于电容器的的外壳耐爆能能量值。为了满足在在小电流范围围内，能具有有足够短的动动作时间，标标准对熔断器器的时间—电流特性（包包括其允许偏偏差）规定了了限值：1．1Inf（Inf为熔丝额额定电流）时时在4h内不得熔断断，1．5Inf和2．0Inf下的熔断断时间不得超超过75s和7．5s。1．2熔丝丝额定电流Inf选定为保证在电电容器长期允允许过电流条条件下，熔断断器不致误动动作，标准规规定了熔丝额额定电流应在在（1．43～1．55Inff）范围内选选取。过大的的Inf不能保证证足够的动作作灵敏度。分析表明了了选取较小的的Inf／Inc（电流比比），可获得得更好的保护护特性，特别别在小电流动动作区内，这这是由十分陡陡直的时间—电流特性确确定的。在新新修订的标准准中，鉴于单单台电容器的的电容偏差由由±10％降低到±5％，故熔丝丝额定电流选选取范围降为为（1．37～1．50）Inc，这对提提高熔断器的的保护性能无无疑是有利的的。此外，改改善运行条件件，如在有效效地控制谐波波的条件下，可可进一步降低低电流比，按按更小的电流流比（1．30～1．35）选定Inf。某些熔断器器的质量差，熔熔断时间偏差差过大，是运运行中引起误误动作、群爆爆的主要原因因之一，但不不能因此而改改换偏大规格格的熔丝，求求得一时“平静”。这样做有有可能使电容容器一旦发生生故障时丧失失必要的保护护。据了解，现现场发生的电电容器爆炸事事故中，经分分析多有发现现问题出在熔熔断器上，或或熔丝选配不不当，或按装装不合要求等等等，应当引引以为教训。2电容器组接接线方式对熔熔断器保护的的影响接线方式对对熔断器的动动作行为的影影响，主要反反映在流入故故障电容器电电流Ig的大小，而而故障电容器器电压的大小小又直接影响响其故障继续续发展的快慢慢。下面结合合具体的电容容器组接线进进行讨论。2．110kV电容器组由额定电压压11/、12/kV电容器直接接并联组成一一相，按星形形接线而成，接接线方式是最最简单的，电电容器内部元元件由4个串联段组组成。当某一一台电容器发发生元件故障障，故障率为为g时，经推导导（过程略），流流过故障电容容器的电流（Ig）与电容器器并联台数（M），以及单单台电容器额额定电流（Inc）的关系如（1）式所示。根据保护配配置原则：当当g＝0．5～0．6时，熔断器器应开始动作作，即：要求求Ig＞1．1Inf。从（2）式可知：M≥2时，即能满满足此要求。表1给出了了当g＝0．5、0．75、1时（相应于于电容器内部部分别击穿2、3、4个串联段）Ig和熔断器动动作时间t与M的关系（取M为2和15为例）。需要指出是是当g＝0．75时，剩下一一串健全元件件所承受的过过电压倍数为为2．67倍，故很难难保护在熔断断器开断前故故障不发展，而而一旦g＝1，Ig则突增至4Inf（当M＝2时）或30Inff（当M＝15时），前者者动作时间约约近1s，后者动作作时间一般不不超过25ms，对后者的的配置显然要要放心得多。从本例的分分析中可见：：（1）现行行的熔断器保保护配置原则则存有不足之之处，主要是是并联台数较较少时，保护护动作的配合合不理想。（2）电容容器并联台数数M对熔断器的的保护效果影影响是显著的的，在一定容容量时，选择择单台容量小小而并联台数数多的方案，可可有更好的保保护性能。因此，建议议对M较小的情况况，增加对保保护配置的校校核：当g＝0．75时，应有Ig＞2．0Inf，即对应应有最小并联联台数为M≥4，此时，可可保证在g＝1时，Ig≥8Inf，其动作作时间估计在在0．1s左右。或者者说，对于10kV电容器组，为为保证熔断器器能迅速及时时动作，除了了恰当选配熔熔丝外，要求求并联台数足足够多，最少少不低于4台。2．2355kV电容器组常用接线是是由额定电压压为11kV或12kV的电容器多多台并联后串串联连接，组组成单星形或或双星形电容容器组，此时时N＝2。电容器内内部串联段n＝7。以下分别别讨论单、双双星形接线方方式。（1）单星形接接线方式当某台电容容器故障时，经经推导可得：：假如，g＝＝0．571时（即内部部元件有4串被击穿，即即k＝4），由Ig＞1．1Inf求得M≥3时，虽可满满足现行配置置要求，但也也存在着10kV的类似问题题。通过计算算可知：当M＝3时g＝0．714（k＝5），Ig＝1．5Inf；g＝0．857（k＝6）时Ig＝2Inf。此时故故障电容器内内部健全元件件的过电压已已达到2．25倍和3倍。显然，此此时熔断器的的动作时间是是偏慢了。由由于电容器组组串联段为N＝2，当某台电电容器内部全全短路（g＝1）时，故障障电流受到健健全段电容器器阻抗的限制制，仅有Ig＝1．5MIInc＝4．5Inc＝3Inf，可见情情况较10kV电容器组在M＝2时更为严峻峻。同理，我们们按g＝0．714时使Ig＞2Inf考虑，可可推算得最小小并联台数M为11。如按M＝11配置，在g＝0．857时，其故降降电流Ig＝3．42Inff（此时故障障电容器内健健全元件的过过电压达5．13倍）；g＝1时，Ig增至11Inf，动作时时间约在50ms左右，可见见，此时的保保护配合将可可靠多了。（2）双星星形接线仍按按同样方法分分析，故障电电容器电流为为：先按现行配配置要求求得得最小并联台台数，有：g＝0．571时（k＝4），Ig＞1．1Inf，得M≥4。从上式可可看出，在同同样的并联台台数M下，对应同同样的故障率率，双星形接接线时的Ig较单星形更更低。这意味味着双星形接接线时，熔断断器保护的灵灵敏度不如单单星形。这是是电容器组选选用接线方式式时需注意的的。同样可求出出在g＝0．714（即故障元元件k＝5）时，保证Ig＞2．0Inf的最小并并联台数：M＝18。如按M＝18配置，g＝0．857（k＝6），Ig＝3．36Inff，此时，仅仅剩的1个健全元件件组上过电压压到5．04倍。如g＝1（元件全击击穿）时，Ig增至10．3Inf。综上所述，在在并联台数较较少时，故障障电流Ig的变化在小小电流范围内内，尽管熔断断器的熔断特特性在这区间间内具有很陡陡的特性，但但熔断器的保保护性能仍有有可能因动作作时间过长而而得不到保证证。为此，在在考虑配置时时，应针对不不同的接线方方式按Ig≥2Inf来控制最最小并联台数数。3熔断器保护护与防止电容容器外壳爆裂裂现代电容器器采用薄膜作作为主要介质质材料，其内内部元件组的的串联数n较过去纸介介质电容器明明显减少，这这对熔断器动动作特性的配配合提出更高高的要求。从从上述可见，只只有当Ig＞1．1Inf时，熔断断器才开始发发热并进入动动作区，此时时，g＝0．5～0．6，对应有长长达数小时的的动作时间，而而故障电容器器内部健全元元件串段仅剩剩2～3个，随着故故障发展，熔熔断器动作应应当快于故障障的发展，在在故障达到内内部元件全击击穿之前及时时开断，最迟迟应在电容器器外壳发生破破裂之前完成成开断。否则则，保护将是是无效的。但但是，我国在在故障特性和和发展过程方方面的研究工工作开展甚少少，目前也还还提供不出自自己的电容器器外壳爆裂几几率曲线，这这使保护配置置带有一定的的盲目性。实际运行中中，电容器的的故障过程是是十分复化的的，故障发展展速度及到外外壳破坏的时时间分散性很很大。根据绍绍兴系统试验验站在80年代所做的BWF及BGF型并联电容容器外壳爆裂裂试验的结果果，可知在以以工频为主的的故障电流下下，外壳破坏坏的时间在0．2s到20余s，g＝0．5时，也有可可能故障不发发展，在2．5In故障电流下下，外壳破裂裂时间约2min左右。由于于试品较少，这这些数据仅能能作为参考，但但可以预料，实实际的分散性性将超过这个个范围。前面面讨论中所提提出的以最小小并联台数的的限制作为现现行配置原则则的补充，可可以使g＝1时的熔断器器动作时间控控制在0．1s或更短。这这样，保护将将会更可靠些些。4熔断器与不不平衡保护的的配合电容器组的的不平衡保护护与外部熔断断器同属于内内部故障保护护的配置。根根据并联电容容器的国标报报批稿（等同同于IEC600871－1）的规定，通通常以外熔断断器作为第一一级保护，不不平衡继电保保护与过电流流保护为第二二级保护，也也提到“在有些情况况下，不平衡衡保护比熔断断器更为灵敏敏，这就意味味着熔断器仅仅在例如跨越越套管闪络或或单元中的介介质完全击穿穿时方能动作作。在这种情情况下，不平平衡保护是第第一级保护，而而熔断器作为为后备保护。”在IEC600871－3“并联电容器器和并联电容容器组的保护护”中对不平衡衡保护作了如如下的规定：：“不平衡保护护的主要目的的是当邻近故故障电容器的完好好电容器上的的过电压过大大时发出警报报或断开整个个电容器组”。“另一个作用用是当故障未未被熔断器断断开时将电容容器组撤出运运行或者保护护没有用内部部或外部熔断断器的电容器器组。”外熔断器与与不平衡保护护的组合是实实际装置中运运用最广泛的的保护配置之之一。具体配配合方式即“熔断器为第第一级保护、不不平衡保护为为第二级”。其不平衡衡保护（包括括开口三角电电压保护、差差压保护及中中性线不平衡衡电流保护等等）的整定原原则为在故障障电容器被熔熔断器切除后后，不使与之之相并联的健健全电容器上上的过电压超超过1．1倍。该整定定原则可以保保证在故障电电容器被熔断断器切除后，余余下的电容器器上过电压只只要不超过1．1Unc，电容器器组就可在缺缺台条件下继继续运行。但但是，这个保保护配合的前前提是熔断器器必须动作可可靠有效。我我们注意到标标准规定的不不平衡保护的的“另一个作用用是当故障未未被熔断器断断开时将电容容器撤出运行行”，即规定了了在熔断器不不能及时开断断故障时，不不平衡保护将将充当后备保保护的角色，但但是又“不能代替短短路保护”，因为不平平衡保护总是是有0．2～0．5s的时延。显显然，上文提提及的不平衡衡保护没有考考虑这一作用用。北京地区采采用不平衡保保护直接按电电容器内部故故障率进行整整定的方法，即即按电容器无无内外熔丝保保护的情况进进行配置，实实际上是使不不平衡保护与与熔断器保护护互为备用，从从保护配合的的角度看，这这样更为合理理。据了解，在在我省已有一一些新投运的的电容器组采采用了这种保保护配置方案案。根据北京地地区的运行经经验，同时考考虑熔断器和和不平衡保护护的动作灵敏敏区段，可以以对现行的保保护配合作如如下的修正：：在并联台数数M满足上述的的最小并联台台数限制条件件时，熔断器器按要求配置置，作为第一一级保护，不不平衡保护g＝0．7～0．75整定（前者者指35kV电容器组，电电容器内部7个元件串联联，4个故障）时时延为0．2～0．5s，可作为熔熔断器保护的的后备和补充充。此时，若若电容器极间间短路突发于于故障初期或或发展过程中中时，熔断器器有0．1s或更短的动