电力系统继电保护与二次回路课件 第6章 电容器组保护

第6章电容器组保护电容器安装场合：在变电所中，低压侧通常装设并联电容器组，用以补偿无功功率，从而提高电压质量，降低电能损耗，提高系统运行的稳定性。在实际运行中，既要考虑电容器组在长期运行中其本身操作或故障对系统的影响，也要考虑系统故障对电容器组的损坏，所以电容器组要加装相应的保护。为了更清楚全面了解电容器组保护情况，先介绍电容器回路保护。6.1电容器回路保护6.1.1高压并联电容器回路电压等级不同，并联电容器的接线方式及相应的配套设备有一些差异，所以在介绍电容器回路保护时分为高压回路和低压回路两部分介绍。高压并联电容器组常采用星形接线，比如额定电压为6.3kV的电容器在10kV电网中使用时，应采用星形接线。额定电压为10.5kV的电容器在10kV电网中使用时，应采用三角形接线。在非有效接地系统中采用星形接线，发生一相击穿时，故障电流小，而采用三角形接线，发生一相击穿时，有可能引起外壳爆炸事故。故在高压回路中，电容器常采用星形接线方式。高压并联电容器回路应装设下列配套装置，如图6-1a所示：1）隔离开关QS、断路器QF。2）电流互感器TA。3）串联电抗器L。4）操作过电压保护用的避雷器FV。5）放电线圈TV。6）三相电容C星接。7）接地开关QG，运行时不合，检修时合上。6.1电容器回路保护a）高压电容器回路配套设备b）低压电容器回路配套设备

图6-1电容器回路配套设备6.1.2低压并联电容器回路低压并联电容器组常采用三角形接线，采用三角形接线其无功功率是星形接线的3倍，但电容器击穿时，会形成相间短路，有可能引起电容器外壳爆炸，应采用灵敏系数较高的保护装置。低压并联电容器应装设下列配套装置，如图6-1b所示：1）总回路刀开关QS。2）电流互感器TA。3）操作过电压保护用的避雷器FV。4）短路保护用的熔断器FU。5）串联电抗器L。6）接触器KM。7）断路器QF。8）三相电容C1角接。9）放电线圈TV。6.1.3电容器回路保护6.1电容器回路保护高压、低压并联电容器回路涉及到避雷器过电压保护、电抗器限流保护和熔断器过流保护。避雷器过电压保护：不论高压还是低压，回路中都加装了避雷器，用来抑制操作过电压。比如并联在额定电压为10kV的电容器组，操作过电压可能高达40kV，一般考虑加装避雷器防止该类暂时性操作过电压，在实际中常采用无间隙金属氧化物避雷器。电抗器限流保护：不论高压还是低压，回路中都加装了串联电抗器。串联电抗器可用于抑制电容器合闸涌流对电网的影响，有时还用于抑制电网谐波对电容器的影响。用于抑制涌流时，电抗率宜取0.1%——1%。由于抑制谐波时，当电网谐波含量主要为5次级以上时，电抗率宜取5%，当电网谐波含量为3次及以上时，电抗率宜取12%（电抗率为感抗除以容抗）。熔断器过流保护：电容器装设单独的熔断器保护，是防止因内部击穿而扩大事故的一种重要保护装置。熔丝结构简单，能够迅速将故障电容器切除，避免电容器的油箱发生爆炸，使附近的电容器免遭波及损坏。当故障电容器被切除以后，其他健全的电容器可以继续运行。此外，熔丝动作后有明显标志，易于找出故障电容器。6.1.3电容器回路保护6.1电容器回路保护熔丝的保护性能是在油箱发生爆炸以前将故障电流切断，以免扩大事故。但目前国产电容器还不能提供油箱的“爆裂特性”曲线，国产的保护熔丝的安秒特性也只有小电流范围，没有提供整个保护区域内的安秒特性，故只能根据电容器的额定电流和熔丝的熔断电流间的关系来选择。单台电容器熔丝的额定电流选择原则：1)在电容器允许的长时间运行电流下不熔断。电容器允许在1.3倍额定电流下长时间运行，考虑到允许的电容值偏差10%，则为1.43倍额定电流。2)电容器内部故障元件击穿一半时能够熔断。当电容器内部故障元件击穿一半时，假设这时端电压不变，静态的故障电流将增加到电容器额定电流的2倍。但实际运行情况是，这时电容器端电压会发生变化，且故障段其他健全电容器将对故障电容器放电，因此流入故障电容器的电流远大于电容器额定电流的2倍。并联电容器越多，流过故障电容器的放电电流越大。熔丝应在电容器内部串联元件全部击穿前熔断；或者在30s之内电容器的击穿系数≤1（击穿系数,表示元件击穿数，表示元件串联总数）。6.1.3电容器回路保护6.1电容器回路保护3)电容器在合闸涌流下不熔断。规定涌流的峰值为电容器额定电流有效值的100倍，通过时间为4ms。4)当电容器故障击穿时，流过很大的故障电流，不能满足在油箱爆裂时间之前使熔丝熔断，则需考虑采取限流措施。为此选择熔断器熔丝的额定电流IFUN为：（6-1）30s的熔断电流应小于电容器组的相间短路电流，如表6-1所示。电容器的内部元件击穿系数如表6-2（在过电压保护整定计算时，需要用到击穿系数）。在选择熔断器时，不仅要考虑电容器的额定电流，还要考虑电容器的相间短路电流。表6-1电容器内部元件的熔丝30s熔断电流熔丝额定电流/A2357.510152030s熔断电流/A61020304060806.1.3电容器回路保护6.1电容器回路保护表6-2RN型熔断器30s熔断时电容器内部元件的击穿系数接线方式额定电压/kV电容器型号电容器串联元件数电容器额定电流/A电容器正常运行电流/A熔断器额定电流/A熔断器30s熔断电流/A击穿元件个数/m击穿系数

三角形接线10YY10.5-10-1140.9520.90726120.85710YY10.5-12-1131.1431.08826110.8466YY6.3-10-181.5871.51231070.8756YY6.3-12-181.9051.81431070.875星形接线10YY6.3-10-181.5871.45531070.87510YY6.3-12-181.9051.74631070.8756.2电容器组保护配置及整定原则将多台电容器通过串联、并联方式组合形成电容器组，用串联方法获得符合运行要求的电压，用并联的方法获得所需要的容量。实际应用中宜采用先并联后串联的连接方式，电容器并联总容量不应超过3900kvar。电容器在运行中要考虑操作过电压、回路出现短路、合闸时出现涌流等情况，故在电容器组回路中加装避雷器和熔断器，串联电抗器等，这在前一节电容器回路保护中已经详细介绍。电容器组在运行中还要考虑防火和通风等问题，在电容器组的布置和装设消防设施等途径加以解决。除了以上提到的问题，还要考虑电容器组本身的故障和异常运行状态及相应的保护配置。6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.1电容器组保护配置电容器组的常见故障和异常运行情况如下：1）电容器组与断路器之间连接线短路；2）电网中出现的高次谐波可能导致电容器组过负荷；3）电容器组内部故障及其引出线短路；4）电容器组中某一故障电容器切除后所引起的剩余电容器的过电压；5）电容器组的外壳接地时会出现接地故障；6）电容器组所连接的母线失压；7）电容器的内部充满作为绝缘介质的专用油，当电容器内部出现故障时可能因电弧而使绝缘油分解，产生大量气体，如果不能及时发现并处理可能引起火灾。8）电容器的温度过高，会导致其内部介质老化，从而缩短使用寿命甚至引发事故。6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.1电容器组保护配置对以上电容器组的常见故障和异常运行情况分别考虑相应的保护配置：1）电容器组与断路器之间连接线短路，可装设带有短时限的电流速断和过电流保护，并应动作于跳闸。2）电网中出现的高次谐波可能导致电容器组过负荷时，电容器组宜装设过负荷保护，并应带时限动作于信号或跳闸。3）电容器组内部故障及其引出线的短路，宜对每台电容器分别装设专用的熔断器。熔丝的额定电流可为电容器额定电流的1.5-2倍。4）电容器组中某一故障电容器切除后所引起的剩余电容器的过电压，应装设过电压保护，并应带时限动作于信号或跳闸。5）电容器组的外壳接地时会出现接地故障，宜装设电容器组接地保护。6）电容器组所连接的母线失压时，应装设失压保护，当母线电压过低时，应带时限跳开所有接于母线上的电容器组。7）电容器内部绝缘油分解产生瓦斯气体，宜装设瓦斯保护，重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于信号。8）电容器温度过高宜装设温度保护。6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则1.带有短延时电流速断保护的整定原则：动作电流应按最小运行方式下，电容器组端部引线发生两相短路时有足够的灵敏度考虑：上式可以转化为：（6-2）保护的动作时限：应确保电容器充电产生涌流时不误动，一般为0.2s及以上。2.过电流保护的整定原则：动作电流应按躲过电容器组长期允许的最大工作电流整定。（6-3）过电流保护的灵敏系数：（6-4）保护的动作时限：较电容器组短延时电流速断保护的时限大一个时限阶段，一般大0.3s。6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则3.过负荷保护的整定原则：按躲过电容器组负荷电流的原则整定。（6-5）保护的动作时限：较过电流保护时限大一个时限阶段，一般大0.3s。4.过电压保护分两种情况，电容器组的过电压保护与多台电容器切除后的过电压保护，其作用是完全不同。前者是供电电压过高保护整个电容器组不损坏，后者是供电电压正常情况下，电容器组内部故障K台电容器切除后，使电容器上电压分布不均匀，保护切除电容器组使该段上剩余电容器不受过电压损坏，因此保护构成原理不同。供电电压过高，电容器组加装的过电压保护的整定原则：按母线电压不超过110%额定电压长期运行整定。（6-6）保护的动作时限：保护动作于信号或带3-5min时限动作于跳闸。6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则多台电容器切除后的过电压保护：电容器组为单星形接线时，常采用零序电压保护。图6-2为电容器组的零序电压保护接线，电压互感器TV开口三角形上的电压反映的是电容器组端点对中性点N的零序电压。电压互感器TV的一次绕组兼做电容器组的放电线圈。图6-2电容器零序电压保护零序电压动作值为：（6-7）6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则5.低电压保护的整定原则：按母线电压可能出现的最低电压整定。（6-8）保护的动作时限：一般取0.3s。6.单相接地保护的整定原则：保护的一次动作电流按最小灵敏系数1.3整定。（6-9）6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则7.针对电容器内部故障及其引出线短路：装设单星形电压差动保护或双星形中性线不平衡电流保护。图6-3为单星形电压差动保护接线图。正常运行时，电容器组两串联段上电压相等，可认为差电压、、均为零，保护不动作；当某相多台电容器切除后，两串联段上电压不相等，该相出现差电压，保护动作。保护动作时限可取0.2s。保护的动作电压为：（6-10）图6-3单星形电压差动保护6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则图6-4为双星形中性线不平衡电流保护。当多台电容器被切除后，中性线中流有电流,保护即可动作。图6-4中性线不平衡电流保护保护的动作电流为：（6-11）此外动作电流还应躲过正常时的不平衡电流:（6-12）保护动作时限可取0.2s。6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则8.非电量保护逻辑框图非电量保护包括瓦斯保护和温度保护。重瓦斯保护可通过控制字选择是否跳闸，轻瓦斯保护选择是否发信号，电容器的油温过高可选择报警或跳闸,非电量保护逻辑框图如图6-5所示。图6-5非电量保护逻辑框图6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则图6-6所示为一款微机保护实现的电容器保护逻辑框图，包括三段过流保护、过电压保护、低电压保护、不平衡电压保护、不平衡电流保护、三段零序电流保护、非电量保护、遥控操作。用于反应电容器组与断路器之间连接线短路，设置三段式电流保护。为防止系统过电压造成电容器损坏，设置过电压保护。电容器组失电后，若在其放电完成之前重新带电，可能会使电容器组承受合闸过电压，设置低电压保护。设置不平衡电压保护和不平衡电流保护，用以反应电容器组的内部故障。三段零序电流保护用以反应电容器接地故障。还设置了非电量保护，包括重瓦斯保护和温度保护。6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则图6-6所示为一款微机保护实现的电容器保护逻辑框图，包括三段过流保护、过电压保护、低电压保护、不平衡电压保护、不平衡电流保护、三段零序电流保护、非电量保护、遥控操作。用于反应电容器组与断路器之间连接线短路，设置三段式电流保护。为防止系统过电压造成电容器损坏，设置过电压保护。电容器组失电后，若在其放电完成之前重新带电，可能会使电容器组承受合闸过电压，设置低电压保护。设置不平衡电压保护和不平衡电流保护，用以反应电容器组的内部故障。三段零序电流保护用以反应电容器接地故障。还设置了非电量保护，包括重瓦斯保护和温度保护。6.2电容器组保护配置及整定原则6.2.2电容器组保护整定原则图6-6电容器保护逻辑框图6.3电容器组保护实际应用案例【案例一】10kV、1800kvar电力电容器组的保护。已知条件：电容器型号为BAF-25-1W,共72台。最小运行方式下电容器组端部为2750A。10kV电网的总单相接地电容电流为10A。三相短路电流初始值电容器串联段数n=1，并联段并联台数m=24。由电容器型号BAF-25-1W可知：B表示并联电容器，A表示电容器的绝缘介质表示电容器额定电压，苄基甲苯（适用寒冷低温环境），F表示膜纸复合介质。25表示电容器额定容量25kvar，1表示单相，W表示用于户外。保护配置：（1）装设短延时电流速断保护，过电流保护，过负荷保护，电流互感器变比为150/5。（2）装设单相接地保护，过电压保护，低电压保护。（3）装设零序电压保护。6.3电容器组保护实际应用案例【解】1）短延时电流速断保护：依据式（6-2）可得保护动作电流：依据式（2-17）可得保护装置一次动作电流：动作时间应大于电容器组合闸涌流时间。2）过电流保护：依据:和先计算电容器组的额定电流（一相包括24台25kvar的电容器组的额定电流）：依据式（6-3）可得保护动作电流：，取5A6.3电容器组保护实际应用案例依据式（2-17）可得保护装置一次动作电流：依据式（6-4）可得保护装置灵敏系数：动作时限应较短延时电流速断保护大一个时限阶梯，。3）过负荷保护：依据式（6-5）可得保护动作电流:，取3.5A动作时限应较过电流保护大一个时限阶段，6.3电容器组保护实际应用案例4）单相接地保护：依据式（6-9）可得保护装置一次动作电流:，取7A5）过电压保护：依据式（6-6）可得保护动作电压：保护装置动作于信号或带3-5min时限动作于跳闸。6）低电压保护：依据式（6-8）可得保护动作电压:动作时限为0.3s动作于跳闸。6.3电容器组保护实际应用案例7）电容器组零序电压保护：依据式（6-7）可得保护动作电压