陳偉，馬倩倩，陳智偉，蔡林

(1.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100192；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000;3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

1 并聯(lián)電容器裝置的運行可靠性

特高壓交流工程用的并聯(lián)電容器裝置設(shè)計安裝在變壓器的三次繞組側(cè)，起到補償系統(tǒng)無功功率和支撐電壓的作用，三次側(cè)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓是110 kV。目前已經(jīng)投運的特高壓交流工程中，絕大部分單組并聯(lián)電容器裝置的額定容量是240 Mvar，電容器單元型號為BAM6.08-556-1W(5%串抗率)和BAM6.56-556-1 W(12%串抗率)。并聯(lián)電容器裝置典型運行工況是高場強下運行，且分合閘頻繁操作，過電壓和涌流沖擊較多，因此，屬于故障率較高的電力設(shè)備。隨著特高壓交流輸電工程的不斷建設(shè)，越來越多的110 kV大容量并聯(lián)電容器裝置投入運行，低電壓等級并聯(lián)電容器裝置的年故障率為0.3%左右，這對于特高壓工程是不能接受的，必須進一步提升并聯(lián)電容器裝置的可靠性。

并聯(lián)電容器裝置保護根據(jù)保護對象可分為對單個電容器元件的保護，對多個電容器元件組成的單元保護，對多個電容器單元串并聯(lián)形成的電容器組保護和由多組電容器組組成的高壓大容量并聯(lián)電容器裝置保護[1-2]。其中，一般采用不平衡保護為主保護[3-4]。

用于并聯(lián)電容器組的不平衡保護的主流方式，分別是中性點不平衡電流保護和橋差不平衡電流保護、電壓差動保護、開口三角保護，根據(jù)電容器組容量大小和保護裝置的靈敏度等來選擇具體的保護方式。不平衡保護的整定原則有多種，但對于采用內(nèi)熔絲保護的電容器單元和集合式高壓并聯(lián)電容器，一般采用故障電容器內(nèi)完好元件的連續(xù)運行電壓不超過元件額定電壓的1.3倍。

特高壓交流工程用110 kV并聯(lián)電容器裝置的額定容量為240 Mvar，由于電容器單元串并聯(lián)數(shù)量多，試驗示范工程時認(rèn)為單橋差不平衡保護不能滿足靈敏度和可靠性的要求[5-6]，因此采用可靠系數(shù)更高的雙塔雙橋結(jié)構(gòu)不平衡保護方式。隨著電容器容差控制技術(shù)不斷提升，目前電容器組橋臂間的初始不平衡電容值可以控制在0.1%范圍內(nèi)，不平衡保護的可靠系數(shù)得到了很大提升[7-8]，采用單橋差保護也具有一定的可行性，但是否滿足要求需要進行研究。如果可以采用單橋差保護，則保護的邏輯可以簡化，每組電容器可以減少3臺電流互感器，同時占地面積會有所減小。[9-10]

本文對特高壓交流工程用110 kV、240 Mvar并聯(lián)電容器組采用雙橋差與單橋差不平衡保護的整定值、可靠系數(shù)和靈敏度分別進行詳細(xì)的分析和計算，驗證采用單橋差不平衡保護的可行性。

2 橋差不平衡電流保護計算方法

橋式不平衡電流保護的原理如圖1所示[11]，圖中兩個對角接電源電壓U，另兩個對角接檢流計，設(shè)4個臂的阻抗分別為Z1、Z2、Z3和Z4。

電橋平衡的條件是Z1Z4=Z2Z3，電橋平衡時，電流互感器中無電流流過。

當(dāng)4個臂為全膜電容器時，由于全膜電容器損耗很小，在用作橋式不平衡電流保護時可以忽略電阻分量，僅考慮電容，4個臂的電容值分別為C1、C2、C3和C4。則電橋平衡的條件是C1C4=C2C3。

圖1 橋式不平衡保護電路原理

只要某一個臂的電容器出現(xiàn)故障，電容發(fā)生變化，就使電橋不再平衡，電流互感器中流過電流，這就是橋式差電流的原理。

假設(shè)初始狀態(tài)C1=C2=C3=C4=C，IN?為電容器組額定相電流IN?=UωC，C3發(fā)生故障，電容值變?yōu)镃’=(1-η)C，其中η為橋臂間電容值的初始不平衡度，一般取值0.1%。流過各電容器的電流值分別為I1、I2、I3、I4，流過電流互感器的電流即不平衡電流I0，C1和C3上的電壓為U1，C2和C4上的電壓為U2，則：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)電路原理可以推導(dǎo)出橋式不平衡電流保護方式下，不平衡電流與故障電容器元件數(shù)之間的關(guān)系，如式(7)和式(8)所示：

(7)

(8)

式中：I0—不平衡電流；

k—內(nèi)熔絲熔斷隔離電容器元件的數(shù)量；

M—單橋電容器單元并聯(lián)數(shù)；

N—單橋電容器單元串聯(lián)段數(shù)；

m—電容器單元中電容器元件并聯(lián)數(shù)；

n—電容器單元中電容器元件串聯(lián)段數(shù)；

Kv—電容器完好元件允許過電壓倍數(shù)。

繼電保護標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定，對于電容器，完好元件的連續(xù)運行電壓的限值是1.15倍額定電壓。在2010年以前，集合式電容器單臺容量較小，不平衡保護較易整定，在限值較低的情況下也可滿足需求。隨著單臺集合式電容器容量不斷增大，內(nèi)單元連接方式也在更新，部分電容器增加了內(nèi)熔絲保護，在這種情況下，使用1.15倍元件額定電壓下計算的整定值就會偏小，無法與固有不平衡輸出進行區(qū)別。另一方面，整定值過小有可能導(dǎo)致電容器過早退出運行，未能充分利用，尤其集合式電容器，一旦退出需整組退出，其維護工作量大，周期長，建議將完好元件額定電壓由1.15倍放寬到1.3倍，即Kv=1.3。

3 特高壓工程用110 kV并聯(lián)電容器組不平衡電流保護計算

特高壓工程用110 kV、240 Mvar并聯(lián)電容器組每相電容器單元12串12并，采用雙橋差不平衡電流保護，串橋結(jié)構(gòu)，其接線原理如圖2所示[13]，圖中“A”為不平衡保護用電流互感器。這種串聯(lián)雙橋接線方式中兩個橋的不平衡電流是相互獨立的，可以分開單獨進行計算，對于接線相同的兩個串聯(lián)橋，只需要計算任一橋的不平衡電流即可。

圖2所示為平衡接線橋，即4個橋臂的電容值和接線方式均相同，這種橋的不平衡電流計算可以直接利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式。雖然圖2采用了花式接線，即部分電容器單元之間采用了先串后并的結(jié)構(gòu)，但對于平衡橋來說，花式接線對不平衡電流沒有影響。

圖2 雙橋差不平衡保護單相電容器組接線原理

電抗率對于不平衡保護計算沒有影響，以5%電抗率為例進行計算，BAM 6.08-556-1W電容器單元內(nèi)部元件3串18并，即m=18，n=3，M=12，N=6，帶入式(8)進行計算得到k=5.85。

由此可見，當(dāng)內(nèi)熔絲熔斷并隔離故障電容器元件達(dá)到6個時，完好電容器元件的過電壓倍數(shù)將超過1.3倍，帶入式(7)進行計算，此時的不平衡電流I0為

I0=2.022×10-3INΦ

額定相電流INΦ為

同理可以算出，k取5時,

I0=1.602×10-3INφ=1.76 A

取電流互感器一次電流整定值I1為

為提高保護測量裝置的分辨率和精度，電流互感器的變比和測量精度應(yīng)越小越好，實際工程中變比最小取到2∶1，因此，互感器二次側(cè)電流整定值I2為

即保護跳閘整定值IZD為

IZD=I2=0.995 A

保護靈敏系數(shù)KLM為

已知橋臂間電容值的初始不平衡度要求不超過0.1%，根據(jù)式(6)可以算出電流互感器一次初始不平衡電流IBP1為

則電流互感器二次初始不平衡電流IBP2為

不平衡保護的可靠系數(shù)KK為

(2)單橋差不平衡保護整定值計算

為了進行比較，對110 kV、240 Mvar并聯(lián)電容器裝置單橋差不平衡電流保護的整定值進行計算。計算方法同上，計算條件為m=18，n=3，M=12，N=12，帶入式(8)進行計算得到k=5.8。

由此可見，單橋結(jié)構(gòu)仍然是當(dāng)內(nèi)熔絲熔斷并隔離故障電容器元件達(dá)到6個時，完好電容器元件的過電壓倍數(shù)將超過1.3倍，此時的不平衡電流I0為

I0=1.12×10-3INφ=1.232 A

同理可以算出，k取5時，此時的不平衡電流I0為

I0=0.867×10-3INQ=0.95 A。

比較計算結(jié)果可見，單橋結(jié)構(gòu)的不平衡電流約為雙橋時的一半。取電流互感器一次電流整定值I1為

電流互感器變比仍取2∶1，則互感器二次側(cè)電流整定值I2為

即保護跳閘整定值IZD為

IZD=I2=0.546 A

保護靈敏系數(shù)KLM為

電流互感器二次初始不平衡電流不變，仍為0.137 5 A。則不平衡保護的可靠系數(shù)KK為

4 結(jié) 論

(1)在相同計算條件和過電壓水平下，單橋差和雙橋差不平衡保護均應(yīng)在電容器單元內(nèi)部有6根內(nèi)熔絲熔斷并隔離故障電容器元件時發(fā)出動作信號。

(2)在保護靈敏系數(shù)相同的情況下，雙橋的不平衡電流輸出值約為單橋的兩倍，電容器橋臂初始不平衡導(dǎo)致的不平衡電流輸出相同，因此，雙橋的保護可靠系數(shù)約為單橋的兩倍。