摘要：在投入某110kV变电站10kV#1电容器组时，出现多次合闸不成功，不平衡保护跳闸的情况。针对这个问题，开展了高压试验，电容器、电抗器、放电线圈等设备参数都无异常。根据试验结果，采用ATP软件进行了仿真计算。方针结果说明，由于A相电容偏小，在合闸时的暂态过程中，出现了较大的不平衡电压。该不平衡电压正是多次跳闸的原因。
关键词：并联电容器；三相不平衡电压；开口三角形电压保护；ATP
0 引言
在投入本单位某110kV变电站10kV#1电容器组时，出现多次合闸不成功的情况。原因为该电容器不平衡电压保护跳闸。
针对这种情况，对电容器组开展了高压试验，测试了开关、电容器、电抗器、放电线圈、避雷器，其试验结果均在合格范围之内。于是根据电路参数进行了仿真计算。计算结果表明，造成这一结果的原因为A相电容器电容值偏小（尽管仍在合格范围内）。希望本文的分析计算对类似事件有一定的启发作用。
1 事件初步分析
不平衡电压保护，也称为开口三角电压保护。电容器组中，三相放电线圈二次侧首尾连接而成为一个开口三角形，该开口三角形两个终端的电压即为开口三角电压。
根据电力标准《DL/T 584-2007 3kV~110kV电网继电保护装置运行整定规程》[1]：
“6.2.13.5 单星形接线电容器组的开口三角电压保护电压定值按部分单台电容器(或单台电容器内小电容元件)切除或击穿后，故障相其余单台电容器所承受的电压(或单台电容器内小电容元件〉不长期超过1.1倍额定电压的原则整定，同时，还应可靠躲过电容器组正常运行时的不平衡电压。动作时间一般整定为0.1s-0.2s。”
因此，在初步分析时，首先怀疑是电容器的电容值不合格。因此开展了高压试验。
2 高压试验
对该电容器组进行了高压试验。首先测试了三相电容器，该电容器组是集中式电容器组，三相电容值如表1所示：
表1 三相电容器电容值
根据《南网公司电力设备检修试验规程》[2]，每相电容值偏差应在额定值的-5%~+10%之间；每两线路端子之间测量的电容值，最大值与最小值之比不大于1.06。因此该电容器组电容值合格。
又怀疑电抗器、开关、放电线圈等的问题，对它们也进行了高压试验，试验结果如表2-4所示，其试验结果均为合格。
表2 电抗器直流电阻试验结果
表3 511开关时间测试结果
表4 放电线圈直流电阻测试结果
3 仿真模型
从上述《整定规程》中规定可发现，该保护定值是根据电容器正常运行时的电压确定，并未考虑投电容器时候的暂态过程。怀疑是否投入电容器组时候的暂态过程不平衡电压超过了保护定值。因此进行了仿真计算。
仿真采用ATP进行。ATP是EMTP-ATP的简写，是电磁暂态计算程序(Electro-Magnetic Transient Program, EMTP)的一个分支版本。EMTP最初由美国帮纳维尔电力局(BPA)的Dommel博士和Mayer博士开发，在电磁暂态计算领域获得了很大成功。
与EMTP一样，ATP算法的基础是贝杰龙(Bergeron)模型。其基本思想是把复杂的设备、元器件(例如变压器、线路等)等效为最基本的电源、电阻、电容、电感、传输线和开关元件，而该模型的核心就是把电容、电感和传输线等效成电阻和历史电流源的网络，历史电流源的取值由上一个仿真步长中的电流决定。由此可以把电路化成电源、开关和电阻的网络，方便求解。最终电阻网络的求解是用节点电压法。
除了以上基本元件类型以外，ATP还提供了功能更为强大的TACs模块和MODELs模块，能够实现高级用户对元器件自定义的需求，因此ATP对复杂问题的处理能力是很强大的。除此以外，对于电力系统中的一些设备，如电机、变压器、线路等，都有现成的模型。还往往提供多个模型供不同需求的用户选择，因此对普通用户而言，ATP也具有使用简单，容易上手的优点[3]。
图1所示为电容器组的等效电路模型，其中放电线圈可以等效为一个纯电阻和电感，其铁心的励磁曲线也在试验中测试得到。
图1 电容器组的等效电路模型
图2所示即为计算所用ATP模型。电源为变低绕组，可以等效为简化T形模型，由于出口电容较大，忽略了绕组直流电阻。电缆采用π形模型。放电线圈采用一个可变电感和固定电阻等效，其参数都由试验结果确定。电容器就采用一个固定电容等效。电抗器也采用一个固定电感等效。电抗器末端接地。
图2 电容器组的ATP计算模型
开口三角电压就采用了上述TACs模块实现。一些TACs元件可以从电路中提取电压、电流等电气量，转化为信号量。这些信号量组成的回路可以理解为二次电路，它们并不会对一次电路造成直接的影响，而是通过控制开关、电源电压等来间接影响一次电路。此外，这些信号量可以实现数学计算（包括基本算术、常用初等函数、微积分、滤波等），逻辑计算等，还可以添加信号源，功能非常强大。
采用TACs元件，先是从放电线圈两端取出信号，此时的电压信号是一次侧的，通过一个增益元件，变化成二次侧电压信号，该变比也是通过试验确定。再把三个电压信号相加，即实现了开口三角的等效，最后有一个电压探头来测量开口三角的电压值。
4 计算结果分析
图3、图4所示即为计算所得波形。其中图3为全波，可以看到，在合闸的初始阶段，有一段时间的过电压，在0.5秒左右才趋近稳定值，该稳定值小于继保整定值15V。而波头的过电压幅值就超过了15V，这应该就是保护动作的原因。图4所示为波头部分展开。
图3 计算得到开口三角电压波形的全波
图4 计算得到开口三角电压波形的波头部分
为了排除其他因素影响，修改A相电容值进行了计算。其中A相电容值真实不平衡度为4.6%，在这一轮计算中，其电容值修改为120μF，不平衡度为2.3%。计算波形如图5所示，该暂态电压远小于整定值15V。由此可见，电容值的不平衡度对开口三角电压的影响是非常明显的。
图5 电容值不平衡度为2.3%时开口三角电压波形的全波
5 总结
在投入某10kV电容器组时，多次出现了合闸不成功，保护跳闸的情况。其原因为开口三角电压超过保护整定值。针对这个情况进行了调查。
开展了高压试验。经试验，电容器组、电抗器、放电线圈、开关、避雷器均合格。A相电容器电容值偏小，但仍在合格范围内。
进行了仿真计算，仿真采用ATP进行。仿真发现，合闸后会出现一个暂态过电压。正是由于A相电容器电容值偏小，造成该暂态过电压值超过了保护整定值。
本文分析了这次投电容器不成功的事件，发现了电容值不平衡度对开口三角电压的影响。希望对今后类似情况的处理有所启发。此外，《检修试验规程》中对于电容值不平衡度的规定，与《整定规程》中整定值的计算公式，二者如何配合，是一个需要进一步研究的问题。
参考文献：
[1] DL/T584—2007 3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程 代替DL/T584—1995[M]. 中国电力出版社, 2008.
[2] Q/CSG1206007—电力设备预防性试验规程[M]. 中国南方电网有限责任公司, 2018.
[3] 段韶峰. 电磁暂态计算程序ATP的输入与输出格式[J]. 企业技术开发月刊, 2016, 35(19).
[4] Dommel H.W. EMTP Theory Book[M].1986
[5] CEUG. Alternative Transients Program (ATP) Rule book[M]. 1995
作者简介：
段韶峰，1984年出生，工学博士，工程师。主要从事高压试验领域工作和研究。
论文作者:段韶峰,韩金尅,黄远鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：电容器论文; 电压论文; 电容论文; 不平衡论文; 线圈论文; 过电压论文; 电阻论文; 《电力设备》2018年第24期论文;