并聯(lián)電容器熔斷器保護及其與不平衡保護的配合問題_secret

1、并聯(lián)電容器熔斷器保護及其與不平衡保護的配合問題摘 要：文章重點討論了并聯(lián)電容器內(nèi)部故障保護中廣泛使用的熔斷器保護配置及其與不平衡保護的配合問題，指出常用的配置原則中存在的問題，并提出了修正意見。 關(guān)鍵字：電容器 故障 保護 熔斷器 不平衡保護0 前言據(jù)全國電力系統(tǒng)高電壓專業(yè)工作網(wǎng)無功補償裝置專家工作組的統(tǒng)計分析，近年來高壓并聯(lián)電容器的年故障率近幾年有所回升，從1997年前的04左右回升到2000年的1左右，少數(shù)省市還有超過4的，其中爆炸起火的惡性事故有上升的趨勢，僅1999年就發(fā)生了十余起。分析表明：除了產(chǎn)品自身的質(zhì)量問題外，運行中的操作過電壓問題，加上設(shè)備參數(shù)配置不合理、保護配置不當?shù)鹊纫彩?/p>

2、引起惡性事故多發(fā)的直接原因。事實上，在多數(shù)情況下，事故是有可能避免的，由于保護配置上的問題，主要是電容器內(nèi)部故障保護的配置不當，電容器有了故障而不能及時被檢出并迅速隔離，才使故障繼續(xù)發(fā)展、擴大，最終造成嚴重后果。本文僅就使用最廣泛的單臺熔斷器與繼電保護配合作為內(nèi)部故障保護方案在配置中的一些問題進行討論，以供大家參考。1 熔斷器保護配置的分析11 熔斷器特性單臺保護用熔斷器屬噴射式熔斷器，主要靠熔斷電流自身的能量產(chǎn)生氣體熄滅電弧并開斷故障電流，在電容器裝置中常作為內(nèi)部故障的主保護，在我國應(yīng)用十分廣泛。熔斷器動作性能與通過的電流大小有關(guān)，其動作時間與電流的關(guān)系由熔斷器熔絲的時間電流特性曲線確定，其

3、反時限特性對故障電流開斷是有利的?；谌蹟嗥鞯膭幼鳈C理，在大電流下，其熄弧能力可充分發(fā)揮，有較穩(wěn)定的開斷性能；在小電流下，則需在外彈簧的幫助下開斷。這些開斷均必須是無重擊穿開斷過程。熔斷器的極限開斷工頻電流為1800 A，極限開斷放電能量為15 kJ（現(xiàn)行標準規(guī)定為12 kJ），這兩個限值都可能作為電容器組的并聯(lián)容量限值的依據(jù)。但通常并聯(lián)最大容量主要受制于電容器的外殼耐爆能量值。為了滿足在小電流范圍內(nèi)，能具有足夠短的動作時間，標準對熔斷器的時間電流特性（包括其允許偏差）規(guī)定了限值：11 Inf（Inf為熔絲額定電流）時在4 h內(nèi)不得熔斷，15 Inf和20 Inf下的熔斷時間不得超過75 s和

4、75 s。12 熔絲額定電流Inf選定為保證在電容器長期允許過電流條件下，熔斷器不致誤動作，標準規(guī)定了熔絲額定電流應(yīng)在（143155 Inf）范圍內(nèi)選取。過大的Inf不能保證足夠的動作靈敏度。分析表明了選取較小的InfInc（電流比），可獲得更好的保護特性，特別在小電流動作區(qū)內(nèi)，這是由十分陡直的時間電流特性確定的。在新修訂的標準中，鑒于單臺電容器的電容偏差由10降低到5，故熔絲額定電流選取范圍降為（137150）Inc，這對提高熔斷器的保護性能無疑是有利的。此外，改善運行條件，如在有效地控制諧波的條件下，可進一步降低電流比，按更小的電流比（130135）選定Inf。某些熔斷器的質(zhì)量差，熔斷時間

5、偏差過大，是運行中引起誤動作、群爆的主要原因之一，但不能因此而改換偏大規(guī)格的熔絲，求得一時“平靜”。這樣做有可能使電容器一旦發(fā)生故障時喪失必要的保護。據(jù)了解，現(xiàn)場發(fā)生的電容器爆炸事故中，經(jīng)分析多有發(fā)現(xiàn)問題出在熔斷器上，或熔絲選配不當，或按裝不合要求等等，應(yīng)當引以為教訓(xùn)。2 電容器組接線方式對熔斷器保護的影響接線方式對熔斷器的動作行為的影響，主要反映在流入故障電容器電流Ig的大小，而故障電容器電壓的大小又直接影響其故障繼續(xù)發(fā)展的快慢。下面結(jié)合具體的電容器組接線進行討論。21 10 kV電容器組由額定電壓11/、12/kV電容器直接并聯(lián)組成一相，按星形接線而成，接線方式是最簡單的，電容器內(nèi)部元件由

6、4個串聯(lián)段組成。當某一臺電容器發(fā)生元件故障，故障率為g時，經(jīng)推導(dǎo)（過程略），流過故障電容器的電流（Ig）與電容器并聯(lián)臺數(shù)（M），以及單臺電容器額定電流（Inc）的關(guān)系 如（1）式所示。根據(jù)保護配置原則：當g0506時，熔斷器應(yīng)開始動作，即：要求Ig11 Inf。從（2）式可知：M2時，即能滿足此要求。表1給出了當g05、075、1時（相應(yīng)于電容器內(nèi)部分別擊穿2、3、4個串聯(lián)段）Ig和熔斷器動作時間t與M的關(guān)系（取M為2和15為例）。 需要指出是當g075時，剩下一串健全元件所承受的過電壓倍數(shù)為267倍，故很難保護在熔斷器開斷前故障不發(fā)展，而一旦g1，Ig則突增至4Inf（當M2時）或30 In

7、f（當M15時），前者動作時間約近1 s，后者動作時間一般不超過25ms，對后者的配置顯然要放心得多。從本例的分析中可見：（1）現(xiàn)行的熔斷器保護配置原則存有不足之處，主要是并聯(lián)臺數(shù)較少時，保護動作的配合不理想。（2）電容器并聯(lián)臺數(shù)M對熔斷器的保護效果影響是顯著的，在一定容量時，選擇單臺容量小而并聯(lián)臺數(shù)多的方案，可有更好的保護性能。因此，建議對M較小的情況，增加對保護配置的校核：當g075時，應(yīng)有Ig20 Inf，即對應(yīng)有最小并聯(lián)臺數(shù)為M4，此時，可保證在g1時，Ig8 Inf，其動作時間估計在01 s左右?；蛘哒f，對于10 kV電容器組，為保證熔斷器能迅速及時動作，除了恰當選配熔絲外，要求并聯(lián)

8、臺數(shù)足夠多，最少不低于4臺。22 35 kV電容器組常用接線是由額定電壓為11 kV或12 kV的電容器多臺并聯(lián)后串聯(lián)連接，組成單星形或雙星形電容器組，此時N2。電容器內(nèi)部串聯(lián)段n7。以下分別討論單、雙星形接線方式。 （1）單星形接線方式當某臺電容器故障時，經(jīng)推導(dǎo)可得：假如，g0571時（即內(nèi)部元件有4串被擊穿，即k4），由Ig11 Inf求得M3時，雖可滿足現(xiàn)行配置要求，但也存在著10 kV的類似問題。通過計算可知：當M3時g0714（k5），Ig15 Inf；g0857（k6）時Ig2 Inf。此時故障電容器內(nèi)部健全元件的過電壓已達到225倍和3倍。顯然，此時熔斷器的動作時間是偏慢了。由于

9、電容器組串聯(lián)段為N2，當某臺電容器內(nèi)部全短路（g1）時，故障電流受到健全段電容器阻抗的限制，僅有Ig15 M Inc45 Inc3Inf，可見情況較10 kV電容器組在M2時更為嚴峻。同理，我們按g0714時使Ig2Inf考慮，可推算得最小并聯(lián)臺數(shù)M為11。如按M11配置，在g0857時，其故降電流Ig342 Inf（此時故障電容器內(nèi)健全元件的過電壓達513倍）； g1時，Ig增至11Inf，動作時間約在50 ms左右，可見，此時的保護配合將可靠多了。 （2）雙星形接線仍按同樣方法分析，故障電容器電流為：先按現(xiàn)行配置要求求得最小并聯(lián)臺數(shù)，有： g0571時（k4），Ig11 Inf，得M4。從

10、上式可看出，在同樣的并聯(lián)臺數(shù)M下，對應(yīng)同樣的故障率，雙星形接線時的Ig較單星形更低。這意味著雙星形接線時，熔斷器保護的靈敏度不如單星形。這是電容器組選用接線方式時需注意的。同樣可求出在g0714（即故障元件k5）時，保證Ig20 Inf的最小并聯(lián)臺數(shù)：M18。如按M18配置，g0857（k6），Ig336 Inf，此時，僅剩的1個健全元件組上過電壓到504倍。如g1（元件全擊穿）時，Ig增至103 Inf。綜上所述，在并聯(lián)臺數(shù)較少時，故障電流Ig的變化在小電流范圍內(nèi)，盡管熔斷器的熔斷特性在這區(qū)間內(nèi)具有很陡的特性，但熔斷器的保護性能仍有可能因動作時間過長而得不到保證。為此，在考慮配置時，應(yīng)針對不

11、同的接線方式按Ig2 Inf來控制最小并聯(lián)臺數(shù)。3 熔斷器保護與防止電容器外殼爆裂現(xiàn)代電容器采用薄膜作為主要介質(zhì)材料，其內(nèi)部元件組的串聯(lián)數(shù)n較過去紙介質(zhì)電容器明顯減少，這對熔斷器動作特性的配合提出更高的要求。從上述可見，只有當Ig11 Inf時，熔斷器才開始發(fā)熱并進入動作區(qū)，此時，g0506，對應(yīng)有長達數(shù)小時的動作時間，而故障電容器內(nèi)部健全元件串段僅剩23個，隨著故障發(fā)展，熔斷器動作應(yīng)當快于故障的發(fā)展，在故障達到內(nèi)部元件全擊穿之前及時開斷，最遲應(yīng)在電容器外殼發(fā)生破裂之前完成開斷。否則，保護將是無效的。但是，我國在故障特性和發(fā)展過程方面的研究工作開展甚少，目前也還提供不出自己的電容器外殼爆裂幾率

12、曲線，這使保護配置帶有一定的盲目性。實際運行中，電容器的故障過程是十分復(fù)化的，故障發(fā)展速度及到外殼破壞的時間分散性很大。根據(jù)紹興系統(tǒng)試驗站在80年代所做的BWF及BGF型并聯(lián)電容器外殼爆裂試驗的結(jié)果，可知在以工頻為主的故障電流下，外殼破壞的時間在02 s到20余s，g05時，也有可能故障不發(fā)展，在25 In故障電流下，外殼破裂時間約2 min左右。由于試品較少，這些數(shù)據(jù)僅能作為參考，但可以預(yù)料，實際的分散性將超過這個范圍。前面討論中所提出的以最小并聯(lián)臺數(shù)的限制作為現(xiàn)行配置原則的補充，可以使g1時的熔斷器動作時間控制在01s或更短。這樣，保護將會更可靠些。4 熔斷器與不平衡保護的配合電容器組的不

13、平衡保護與外部熔斷器同屬于內(nèi)部故障保護的配置。根據(jù)并聯(lián)電容器的國標報批稿（等同于IEC608711）的規(guī)定，通常以外熔斷器作為第一級保護，不平衡繼電保護與過電流保護為第二級保護，也提到“在有些情況下，不平衡保護比熔斷器更為靈敏，這就意味著熔斷器僅在例如跨越套管閃絡(luò)或單元中的介質(zhì)完全擊穿時方能動作。在這種情況下，不平衡保護是第一級保護，而熔斷器作為后備保護?！痹贗EC608713“并聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器組的保護”中對不平衡保護作了如下的規(guī)定：“不平衡保護的主要目的是當鄰近故障電 容器的完好電容器上的過電壓過大時發(fā)出警報或斷開整個電容器組”?！傲硪粋€作用是當故障未被熔斷器斷開時將電容器組撤出運行或

14、者保護沒有用內(nèi)部或外部熔斷器的電容器組?！蓖馊蹟嗥髋c不平衡保護的組合是實際裝置中運用最廣泛的保護配置之一。具體配合方式即“熔斷器為第一級保護、不平衡保護為第二級”。其不平衡保護（包括開口三角電壓保護、差壓保護及中性線不平衡電流保護等）的整定原則為在故障電容器被熔斷器切除后，不使與之相并聯(lián)的健全電容器上的過電壓超過11倍。該整定原則可以保證在故障電容器被熔斷器切除后，余下的電容器上過電壓只要不超過11 Unc，電容器組就可在缺臺條件下繼續(xù)運行。但是，這個保護配合的前提是熔斷器必須動作可靠有效。我們注意到標準規(guī)定的不平衡保護的“另一個作用是當故障未被熔斷器斷開時將電容器撤出運行”，即規(guī)定了在熔斷器

15、不能及時開斷故障時，不平衡保護將充當后備保護的角色，但是又“不能代替短路保護”，因為不平衡保護總是有0205 s的時延。顯然，上文提及的不平衡保護沒有考慮這一作用。北京地區(qū)采用不平衡保護直接按電容器內(nèi)部故障率進行整定的方法，即按電容器無內(nèi)外熔絲保護的情況進行配置，實際上是使不平衡保護與熔斷器保護互為備用，從保護配合的角度看，這樣更為合理。據(jù)了解，在我省已有一些新投運的電容器組采用了這種保護配置方案。根據(jù)北京地區(qū)的運行經(jīng)驗，同時考慮熔斷器和不平衡保護的動作靈敏區(qū)段，可以對現(xiàn)行的保護配合作如下的修正：在并聯(lián)臺數(shù)M滿足上述的最小并聯(lián)臺數(shù)限制條件時，熔斷器按要求配置，作為第一級保護，不平衡保護g070

16、75整定（前者指35 kV電容器組，電容器內(nèi)部7個元件串聯(lián)，4個故障）時延為0205 s，可作為熔斷器保護的后備和補充。此時，若電容器極間短路突發(fā)于故障初期或發(fā)展過程中時，熔斷器有01s或更短的動作時間，將先于不平衡保護動作并開斷故障。并聯(lián)臺數(shù)在最小并聯(lián)臺數(shù)限值以內(nèi)時，建議將不平衡保護按g05整定，延時期取0205 s作為第一級保護，熔斷器則作為后備保護，此時，不平衡保護較熔斷器有更高的靈敏度。不平衡保護的方式可按不同的接線和要求選擇。實際的電容器組接線方式頗多，熔斷器在不同接線中也有不同的功能特性，宜對具體情況作具體分析后，提出最為合理的保護方案。5 結(jié)論目前電容器組內(nèi)部故障保護常用的熔斷器與不平衡保護的配合是不夠完善的，以最小并聯(lián)臺數(shù)限值提高和保證熔斷動作靈敏度