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提纲 电容器组件属于电力系统的核心，在系统中发挥重要的作用，比如提供功率因数、均压、稳压等方面。电容器因其易受破坏和影响，作为重点保护对象进行研究。本文以电流和电压保护两个角度，分析了电流保护技术、过电压保护技术、低电压保护技术以及最新的不平衡保护技术的原理、设置以及必须达到的相关条件等。
关键词 电力；电容器；保护技术
1.引言
电容器是电力系统中一个被广泛使用的核心组成器件，优点是在均压、稳压、降低线路系统损耗以及提高电力系统功率因数等方面均发挥着重要的影响力。在多种场景的配电系统中，比如工厂、居民区、交通配电设施等都可发现配置电容器。然而，电容器的缺点是极易受损、受影响。电容器对安装和维护均有较高要求。电容器在电力系统中占据极其重要的一个角色，保证电力系统的正常运行。本文将从电流、电压两个角色分别探讨其保护技术。
2.电流保护技术
电容器组的电流保护主要是过电流保护和电流速断保护，过电流保护接在电容器组断路器回路电流互感器二次侧。通常非为速断和过流两段，速断段的动作电流须在最小运行方式下引线相间短路，保护灵敏度大于2来整定。当电容器组引接母线、电流互感器、放电电压互感器、串联电抗器等回路发生相间短路，电容器组件内部元件全部或部分被击穿形成相间短路时，电容器内部会突然通过超大的短路电流，必定会对电容器产生极大的破坏，甚至毁坏电容器。因此，过电流保护和速断保护必须安装。
“电流速断保护的动作电流须在最小运行方式下引线相间短路”，按照保护灵敏度大于2来整定，短路电流通过电容器前留有0.1-0.2s的延时，利用该延时可保护电容系统。不仅考虑速断保护，还应考虑过电流保护以及过负荷保护。因此，动作电流须满足以下三个条件：①电容器组件的电容可存在±10%的偏差，增大负荷电流承载能力；②电容器设置其长期工作环境电流是额定电流的1.3倍，保证期大电流通过能力；③当出现短路，产生很大的电流冲击电容器组件时，电力系统内不可发生误动。最后，电容器过电流保护应考虑反时限特性，积极配合过电保护，最好的情况是两端电流保护均采用三相式接线，保持相当水平的灵敏度。
3.低电压保护技术
在电力系统正常运行时，如突然发生断电或电压失常，对电容器系统会造成就为严重的影响，甚至破坏。比如，当“电力系统断电，而后恢复供电，未能及时切除电容器，导致变压器带电容器直接合闸，产生谐振过电压，变压器或电容器立即遭到破坏”。电路系统在恢复供电的早期，变压器尚不能带负荷运行，过高的母线电压极易影响电容器出现过电压。因此，电容器应配备低电压保护装置。
通常条件下，电力电容器低电压保护的动作电压可计算为UOP=(0.5~0.6)Un/nbv。其中，Un代表系统设定的额定电压，nbv代表电压互感器变比。当UOP的值在0.5Un/nb及以下水平时，互感器二次一相熔丝熔断的情况下，系统不会出现低电压保护误动作。当同级电压出现短路时，低压电保护误动，直接切断电容机组，可考虑延时动作予以躲过。
4.过电压保护技术
“过电压保护主要是通过电压继电器来反映外部工频电压升高的，电压继电器通过接在放电线圈或放电用电压互感器的二次侧。通常，一组母线上接有几组电容器，电压继电器可接在母线电压互感器二次侧，共用一套过电压保护”。对系统产生的过电压，尽可能考虑对称过电压，如此，电容器的过电压保护返回系数必须高于0.98。现行情况下，我国的电力系统已基本实现微机保护和控制，返回系数也达到基本条件。过电压元件的整定范围为1.1~1.3倍额定电压，动作时间必须小于电容器允许的过电压时间。对于电容器工频过电压以及相应的允许运行时间，我国出台相关国家标准予以统一规范，如表1所示。
表1 电容器工频过电压与相应允许运行时间表
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注：表中所示过电压1.15U、1.2U、1.3U及其相应的运行时间，在电容器的寿命期间总共不超过2000次，其中若干次过电压实在电容器内部温度低于零度但未低于温度下限时发生。
5.不平衡保护技术
电力系统中通常会装设有多组电容器，当其中一部分电容器出现短路现象，或者某处电路出现故障导致电压或电流不正常，剩余的电容器是否会受到较大影响，主要取决于电容器承受的最大电压，电容器组的内部接线方式，并联或串联等因素。当个别电容器故障切除后，健全电容器上的电压超过额定电压的1.1倍，极易对其他电容器造成破坏。电力系统内部设置过电压保护装置，则可防止超额电压对其他电容器的破坏，以及对整个电力系统产生威胁。然而，过电压保护系统必须配合在串联段上装设多个电压互感器，便于监测电容器两端出现的工频过电压，造成成本极大增高。实际中，通常使用另一种技术，不平衡保护技术代替。该技术的原理是检测一组电容器正常与故障部门在各指标上的差异，当该差异数值超过整定值时，系统自动实行保护动作，切除故障电容器组。
电容器组的接线方式大不相同，导致不平衡保护的方式也有差别，具体方式为三种，分别是零序电流保护、零序电压保护和差压保护。当线路正常运行，无故障出现时，三相电流或电压的向量和为零或者仅通过较少的不平衡电流；当线路出现故障或运行出现异常时，零序电流和电压二次回路涌过大额电流和过载大电压，保护装置测到差值超过整定值，则会直接切除故障回路。
不平衡电压保护技术被广泛使用在各大电力系统中，包括城市轨道交通电路系统、电力系统主网变电站等。该技术是将电容器组的三相电压互感器二次头尾相接（A相非极性端与B相极性端相连接，B相非极性端与C相极性端相连接），并且从A相极性端和C相非极性段导出二次线形成差电压回路，将该电压介入保护装置用于监测线路故障或短路，随即可发出信号或直接切除故障回路。
不平衡保护技术主要有八个关键元素：①与熔断器保护需要相互协作，保证在切除故障电容器或电路后，电容器系统仍可正常运行；②不平衡保护技术必须具备保持一定的灵敏度水平；③不平衡保护动作的延时尽量控制到最小，防止单相或断相故障出现时，不平衡保护中的电流互感器或电压互感器以及保护继电器等设备受到过电压的破坏；④不平衡保护的动作时间要适当，防止在极端情况下，强行进行不平衡保护动作，或者出现极短时间的差值，响应不平衡误动作。通常情况，电容器组的不平衡保护动作可延时0.5s；⑤不平衡保护回路应考虑加装谐波滤过器，限制谐波电压可能出现的情况。甚至，对于电容器组中性点可能出现的暂态过电压也需要采取保护措施；⑥不平衡保护应该配备闭锁的功能，当进行不平衡保护动作跳闸时，自动投入应闭锁电容器组，禁止故障的电容器组再次投入使用；⑦不平衡保护的动作值须容纳因系统和电容器公差引起的原始不平衡；⑧所有中性点不平衡检测接线，都需要检测三相电压和电流的不平衡，使得每相中失去同样数额的电容器产生的过电压都可以获得检测结果。不平衡检测不能监测过电压而不得不承受高过电压。
6.结语
电力系统中的电容组件是非常重要的部分。电容组件在电力系统中发挥着重要的影响。然而，电容器同时易受破坏和影响。特别是当电路出现故障时，发生电压过载或超大额电流通过，电容器极易受冲击而损坏，甚至电容器的破坏对电力系统的正常运行产生较大的威胁。本文以电流和电压保护两个角度，分析了电流保护技术、过电压保护技术、低电压保护技术以及最新的不平衡保护技术的原理、设置以及必须达到的相关条件等。
参考文献:
[1] 刘勋, 王丽君, 马俊民,等. 电容器组不平衡保护动作原因分析[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(17):122-124.
[2] 高军. 电容器内部故障保护配置及整定值问题探讨[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(12):122-123.
论文作者:张天扬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/11
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