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摘 要：随着社会经济的发展，高压电网对无功补偿的需求越来越大，无功补偿电容器组大量的投入使用。本文从电容器组的结构和故障特点出发，探讨了电容器保护的配置问题并初步分析了保护中的一些参数计算方法。
关键词：电容器；继电保护；计算；整定
0. 引言
随着社会经济的发展，用电负荷不断增加，对电网利用率的要求就越来越高。由于接入电网的用电设备很多都成电感性，功率因子偏低，使电网的有功功率输出降低，加大了电网的负荷，同时加大了电力输送中的损耗。因此，进行无功功率补偿，提高功率因子，增大电网的有功功率输出，降低电网负荷，提高电网利用率，适应社会经济发展就显得十分重要。一般在变电站低压侧并联电容器组来实现无功功率补偿。
1. 电力电容器结构
电力电容器主要由以下几部分组成：电容器组、高压断路器、串联电抗器、放电原件、避雷器等
1.1电容器组
电容器组通常由单台电容器串并联组成，通常可接成星形（双星形）和三角形。在相同的容量的电容器的条件下，三角形接线方式输出的无功功率是星形接线的3倍，但是每相承受的电压也是星形接线方式的■倍，因此绝缘要求更高。
1.2高压断路器
选用的断路器应能切断正常的工作电流、过负荷和短路电流。由于在断开电容器时，断路器的触头的电弧会引起操作过电压，所以选择开关容量时需要比电容器容量大35%左右。
1.3串联电抗器
由于在电网中存在如大型整流器等谐波源，会产生各次谐波。电容器的电抗对于n次谐波来说只有工频的1/n，所以高次谐波对电容器的损害很大，很容易造成电容器击穿。所以在电容器之前串联电抗器，用来抑制谐波。
1.4放电原件
放电原件需要满足在电容器断电5S后将其电压从额定电压降低到50V或更低。同时放电原件的二次侧绕组可以输出零序电压或者差动电压。
1.5避雷器
为了避免运行中出现的各种过电压损害电容器，需要安装氧化锌避雷器。
2. 电容器在运行中常见的故障
2.1接地与短路故障
与线路一样，在电容器与断路器之间或者电容器内部都可能发生相间短路故障或者接地故障。
2.2单台电容器内部故障
并联电容器组是有很多单台电容器通过串、并联组成的。每个单台电容器都会因为绝缘降低而造成短路故障，引起事故。
2.3多台电容器内部故障
电容器组内部故障会不断的扩大，最初只是一台电容器故障，随着时间的推移，故障会波及到相邻原件，并且发展速度越来越快。如果故障得不到控制，将会造成电容器爆炸。
2.4电网过电压
电容器只允许在1.1倍额定电压下长期运行，当电网因故障等原因电压升高时会造成运行中的电容器因为过电压而损坏。
2.5合閘过电压
在电容器没有放电完全的时候若是合闸，则电容器可能会需要承受1.1倍额定电压以上的电压而损坏。当系统故障后线路跳开，使电容器失电，而线路重合闸又使母线带电，这时候电容器将承受合闸过电压而损坏，因此当供电电源消失后必须将电容器从系统中切除。同理，电容器不能配置自动重合闸。
3. 电容器保护
为了应对以上各种电容器运行中所见的常见故障，避免故障扩大，减小损失，对运行中的并联电容器配置保护措施是十分必要的。通常，并联电容器有以下保护类型。
3.1过流保护
对于接地与短路故障，我们可以使用过流保护。当电容器组串联有电抗器的时候，投入电抗器的瞬间电流会达到电容器额定电流的5～6倍，不过衰减很快，进过0.1～0.2s后会衰减到正常的额定电流。所以，过流保护应该设定短延时躲过该合闸涌流。
保护的动作电流
Iset = Krel IN
式中Krel为可靠系数，取1.25，IN为电容器组最大额定电流的二次值。
3.2熔丝保护
对于单台电容器内部故障，可以用专用的熔断器（熔丝）来保护，当单台电容器故障后，熔丝会自动熔断将故障电容器隔离。由于电容器有一定的超载能力，少数单台电容器切除对整个电容器组不会有太大的影响。
3.3不平衡保护
当多台电容器被切除后，剩余的电容器可能会出现超载而损坏，这时候可以使用不平衡保护来将整个电容器组切除。对于不同的电容器接线方式，所使用的不平衡保护也有所不同。常用的不平衡保护有：零序电压保护，电压差动保护，不平衡电流保护。
3.3.1零序电压保护
图（1） 电容器零序电压保护接线
当电容器为单星形连接时，常用零序电压保护，接线方式如图（1）。若每相电容器由拥有专用熔断器的单台电容器E台并联F台串联组成，每个单台电容器的电容为C（采用标么值C=1）。设某相电容器一排有K台单台电容器被切除，则该故障排的故障后电容为：
故障相（设A相为故障相）的电容为：
非故障相电容为：
此时的中点偏移电压为：
（1）
故障相电压为：
（2）
故障排非故障电容器的过电压倍数为：
由上式可以推导出K：
（3）
通常电容器的过电压倍数KV可取1.1～1.2，带入式（3）可以求得可以切除的最多单台电容器数K。由式（1）可以求得中点偏移电压，中点偏移电压等于电容器零序电压的负数。保护零序电压由开口三角电压互感器提供时，开口三角电压为三倍的零序电压。
保护动作电压：
式中Ksen为灵敏系数，取1.25～1.5。 3.3.2电压差动保护
当电容器组为单星形接线且可以均分为上下两组电容串联时也可以使用电压差动保护。接线方式如图（2）（图中只画出了一相），当电容器中上段或者下段有多台电容器退出运行时，上下段的电容不再平衡，PT二次侧将感应出差电压。
图（2） 电容器电压差动保护接线
设每相电容器由拥有专用熔断器的单台电容器E台并联F台串联组成，每个单台电容器的电容为C（采用标么值C=1），上段电容器电容量为C1，下段电容量为C2，当A相上段电容器一排有K台单台电容器被切除时，上段电容为：
下段电容为：
故障相总电容为：
上段电压为：
下段电压为：
带入式（2）得电压差为：
保护动作电压：
式中Ksen为灵敏系数，取1.25～1.5。
当差电压值大于保护定值时，保护将动作于跳闸，确保故障不再扩大。
3.3.3不平衡电流保护
电容器组为双星形接线时常用中性线不平衡电流保护，接线方式如图（3）。当一相电容某一臂上部分电容器故障退出后，中性点电压偏移，两个星形中性点有电压差从而产生不平衡电流。同样假设每相电容器每一臂由拥有专用熔断器的单台电容器E台并联F台串联组成，每个单台电容器的电容为C（采用标么值C=1），每一臂电容器电容量为Cb，则每相电容量为2Cb。
图（3）电容器不平衡电流保护接线
当A相某一臂上电容器一排有K台单台电容器被切除时，故障臂上电容为：
则故障相电容为：
中点偏移电压为：
故障相电压为：
故障排非故障电容器的过电压倍数为：
由上式推导出K：
（4）
通常电容器的过电压倍数KV可取1.1～1.2，带入式（4）可以求得可以切除的最多单台电容器数K。
故障臂的电流为：
故障相非故障臂电流为：
中线电流为故障相两臂电流差的一半：
单臂的额定电流为：
由上式得：
将UA带入ΔI得：
保护动作电流：
式中Ksen为灵敏系数，取1.25～1.5。
当差电流值大于保护定值时，保护将动作于跳闸，确保故障不再扩大。
3.4过电压保护
对于电网过电压故障，我们可以使用过电压保护。当电容器组端电压升高时，保护动作跳闸，保护电容器组不受到损害。过电压定值为：
通常过电压保护接入PT采的是母线电压。当电容器组串联有电抗器时，由于电抗器为感性阻抗，会使电容器的端电压高于母线电压，导致采样值与实际值不符，因此我们必须对采样值进行折算。电抗器电压值为：
而 ，所以
带入得：
式中KV为电容器长期允许的过电压倍数，可取1.1～1.2。
3.5低电压保护
对于合闸过电压，我们可以使用低电压保护。当供电电压消失时，低电压保护动作，将电容器切除，保护电容器组不受合闸过电压。
低电压动作定值为：
式中Kmin为系统正常运行时可能出现的最低电压系数，一般取0.5。
需要说明的是，低电压保护的动作时间需要保证在同级母线上其他出线故障时，故障切除前不动作，而在备自投装置或供电电压源重合闸动作之前动作切除电容器。同时，为了防止PT二次侧空开动作造成PT二次侧失压引起保护误动，可以增加一个电流闭锁低电压保护，只有在电容器三相同时满足低压定值且电容器组无流时，低电压保护才动作跳闸。
3.6其他保护
有时，电容器组还会配备一些非电量保护。如超温告警保护，瓦斯保护等。其工作原理与变压器保护相同，在此不再复述。
4. 结束语
事实证明，并联电容器组在调解无功功率上是着实有效的。它有着安装方便；有功損耗小；个别电容器损坏不影响整体的优点。然而电容器组同样存在着电压特性差；短路稳定性差；切除后有残余电荷的缺点。因此，合理的保护配置与正确的定值整定是保证电容器组安全运行的前提。■
参考文献
【1】 罗士萍。微机保护实现原理及装置。北京：中国电力出版社，2011
【2】 国家电力调度通信中心编。几点保护培训教材。北京：中国电力初步社，2009
【3】 江苏省电力公司编。电力系统继电保护原理与实用技术。北京：中国电力出版社
【4】 各厂家说明书
关键词：电容器；继电保护；计算；整定
0. 引言
随着社会经济的发展，用电负荷不断增加，对电网利用率的要求就越来越高。由于接入电网的用电设备很多都成电感性，功率因子偏低，使电网的有功功率输出降低，加大了电网的负荷，同时加大了电力输送中的损耗。因此，进行无功功率补偿，提高功率因子，增大电网的有功功率输出，降低电网负荷，提高电网利用率，适应社会经济发展就显得十分重要。一般在变电站低压侧并联电容器组来实现无功功率补偿。
1. 电力电容器结构
电力电容器主要由以下几部分组成：电容器组、高压断路器、串联电抗器、放电原件、避雷器等
1.1电容器组
电容器组通常由单台电容器串并联组成，通常可接成星形（双星形）和三角形。在相同的容量的电容器的条件下，三角形接线方式输出的无功功率是星形接线的3倍，但是每相承受的电压也是星形接线方式的■倍，因此绝缘要求更高。
1.2高压断路器
选用的断路器应能切断正常的工作电流、过负荷和短路电流。由于在断开电容器时，断路器的触头的电弧会引起操作过电压，所以选择开关容量时需要比电容器容量大35%左右。
1.3串联电抗器
由于在电网中存在如大型整流器等谐波源，会产生各次谐波。电容器的电抗对于n次谐波来说只有工频的1/n，所以高次谐波对电容器的损害很大，很容易造成电容器击穿。所以在电容器之前串联电抗器，用来抑制谐波。
1.4放电原件
放电原件需要满足在电容器断电5S后将其电压从额定电压降低到50V或更低。同时放电原件的二次侧绕组可以输出零序电压或者差动电压。
1.5避雷器
为了避免运行中出现的各种过电压损害电容器，需要安装氧化锌避雷器。
2. 电容器在运行中常见的故障
2.1接地与短路故障
与线路一样，在电容器与断路器之间或者电容器内部都可能发生相间短路故障或者接地故障。
2.2单台电容器内部故障
并联电容器组是有很多单台电容器通过串、并联组成的。每个单台电容器都会因为绝缘降低而造成短路故障，引起事故。
2.3多台电容器内部故障
电容器组内部故障会不断的扩大，最初只是一台电容器故障，随着时间的推移，故障会波及到相邻原件，并且发展速度越来越快。如果故障得不到控制，将会造成电容器爆炸。
2.4电网过电压
电容器只允许在1.1倍额定电压下长期运行，当电网因故障等原因电压升高时会造成运行中的电容器因为过电压而损坏。
2.5合閘过电压
在电容器没有放电完全的时候若是合闸，则电容器可能会需要承受1.1倍额定电压以上的电压而损坏。当系统故障后线路跳开，使电容器失电，而线路重合闸又使母线带电，这时候电容器将承受合闸过电压而损坏，因此当供电电源消失后必须将电容器从系统中切除。同理，电容器不能配置自动重合闸。
3. 电容器保护
为了应对以上各种电容器运行中所见的常见故障，避免故障扩大，减小损失，对运行中的并联电容器配置保护措施是十分必要的。通常，并联电容器有以下保护类型。
3.1过流保护
对于接地与短路故障，我们可以使用过流保护。当电容器组串联有电抗器的时候，投入电抗器的瞬间电流会达到电容器额定电流的5～6倍，不过衰减很快，进过0.1～0.2s后会衰减到正常的额定电流。所以，过流保护应该设定短延时躲过该合闸涌流。
保护的动作电流
Iset = Krel IN
式中Krel为可靠系数，取1.25，IN为电容器组最大额定电流的二次值。
3.2熔丝保护
对于单台电容器内部故障，可以用专用的熔断器（熔丝）来保护，当单台电容器故障后，熔丝会自动熔断将故障电容器隔离。由于电容器有一定的超载能力，少数单台电容器切除对整个电容器组不会有太大的影响。
3.3不平衡保护
当多台电容器被切除后，剩余的电容器可能会出现超载而损坏，这时候可以使用不平衡保护来将整个电容器组切除。对于不同的电容器接线方式，所使用的不平衡保护也有所不同。常用的不平衡保护有：零序电压保护，电压差动保护，不平衡电流保护。
3.3.1零序电压保护
图（1） 电容器零序电压保护接线
当电容器为单星形连接时，常用零序电压保护，接线方式如图（1）。若每相电容器由拥有专用熔断器的单台电容器E台并联F台串联组成，每个单台电容器的电容为C（采用标么值C=1）。设某相电容器一排有K台单台电容器被切除，则该故障排的故障后电容为：
故障相（设A相为故障相）的电容为：
非故障相电容为：
此时的中点偏移电压为：
（1）
故障相电压为：
（2）
故障排非故障电容器的过电压倍数为：
由上式可以推导出K：
（3）
通常电容器的过电压倍数KV可取1.1～1.2，带入式（3）可以求得可以切除的最多单台电容器数K。由式（1）可以求得中点偏移电压，中点偏移电压等于电容器零序电压的负数。保护零序电压由开口三角电压互感器提供时，开口三角电压为三倍的零序电压。
保护动作电压：
式中Ksen为灵敏系数，取1.25～1.5。 3.3.2电压差动保护
当电容器组为单星形接线且可以均分为上下两组电容串联时也可以使用电压差动保护。接线方式如图（2）（图中只画出了一相），当电容器中上段或者下段有多台电容器退出运行时，上下段的电容不再平衡，PT二次侧将感应出差电压。
图（2） 电容器电压差动保护接线
设每相电容器由拥有专用熔断器的单台电容器E台并联F台串联组成，每个单台电容器的电容为C（采用标么值C=1），上段电容器电容量为C1，下段电容量为C2，当A相上段电容器一排有K台单台电容器被切除时，上段电容为：
下段电容为：
故障相总电容为：
上段电压为：
下段电压为：
带入式（2）得电压差为：
保护动作电压：
式中Ksen为灵敏系数，取1.25～1.5。
当差电压值大于保护定值时，保护将动作于跳闸，确保故障不再扩大。
3.3.3不平衡电流保护
电容器组为双星形接线时常用中性线不平衡电流保护，接线方式如图（3）。当一相电容某一臂上部分电容器故障退出后，中性点电压偏移，两个星形中性点有电压差从而产生不平衡电流。同样假设每相电容器每一臂由拥有专用熔断器的单台电容器E台并联F台串联组成，每个单台电容器的电容为C（采用标么值C=1），每一臂电容器电容量为Cb，则每相电容量为2Cb。
图（3）电容器不平衡电流保护接线
当A相某一臂上电容器一排有K台单台电容器被切除时，故障臂上电容为：
则故障相电容为：
中点偏移电压为：
故障相电压为：
故障排非故障电容器的过电压倍数为：
由上式推导出K：
（4）
通常电容器的过电压倍数KV可取1.1～1.2，带入式（4）可以求得可以切除的最多单台电容器数K。
故障臂的电流为：
故障相非故障臂电流为：
中线电流为故障相两臂电流差的一半：
单臂的额定电流为：
由上式得：
将UA带入ΔI得：
保护动作电流：
式中Ksen为灵敏系数，取1.25～1.5。
当差电流值大于保护定值时，保护将动作于跳闸，确保故障不再扩大。
3.4过电压保护
对于电网过电压故障，我们可以使用过电压保护。当电容器组端电压升高时，保护动作跳闸，保护电容器组不受到损害。过电压定值为：
通常过电压保护接入PT采的是母线电压。当电容器组串联有电抗器时，由于电抗器为感性阻抗，会使电容器的端电压高于母线电压，导致采样值与实际值不符，因此我们必须对采样值进行折算。电抗器电压值为：
而 ，所以
带入得：
式中KV为电容器长期允许的过电压倍数，可取1.1～1.2。
3.5低电压保护
对于合闸过电压，我们可以使用低电压保护。当供电电压消失时，低电压保护动作，将电容器切除，保护电容器组不受合闸过电压。
低电压动作定值为：
式中Kmin为系统正常运行时可能出现的最低电压系数，一般取0.5。
需要说明的是，低电压保护的动作时间需要保证在同级母线上其他出线故障时，故障切除前不动作，而在备自投装置或供电电压源重合闸动作之前动作切除电容器。同时，为了防止PT二次侧空开动作造成PT二次侧失压引起保护误动，可以增加一个电流闭锁低电压保护，只有在电容器三相同时满足低压定值且电容器组无流时，低电压保护才动作跳闸。
3.6其他保护
有时，电容器组还会配备一些非电量保护。如超温告警保护，瓦斯保护等。其工作原理与变压器保护相同，在此不再复述。
4. 结束语
事实证明，并联电容器组在调解无功功率上是着实有效的。它有着安装方便；有功損耗小；个别电容器损坏不影响整体的优点。然而电容器组同样存在着电压特性差；短路稳定性差；切除后有残余电荷的缺点。因此，合理的保护配置与正确的定值整定是保证电容器组安全运行的前提。■
参考文献
【1】 罗士萍。微机保护实现原理及装置。北京：中国电力出版社，2011
【2】 国家电力调度通信中心编。几点保护培训教材。北京：中国电力初步社，2009
【3】 江苏省电力公司编。电力系统继电保护原理与实用技术。北京：中国电力出版社
【4】 各厂家说明书