并联电容器组不平衡电压保护动作原因分析

景宁 冉利利

摘 要 并联电容器组在电力系统中应用非常广泛，主要用于补偿无功功率的不足，进而提高系统电压质量，降低能量损耗，达到维持系统稳定运行的目的。不平衡电压保护是电容器组内部故障的主要保护，其动作后需要及时检查动作原因，以便尽快将故障电容器组投入运行。本文详细介绍了不平衡电压保护的原理，分析了不平衡电压的产生原因，总结了引起不平衡电压保护动作的故障类型并实际举例说明，得出了相关结论，对电容器组的运行维护、故障查找判断有一定的指导作用。

关键词 电容器组 不平衡电压保护 电容量

中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）11-0029-02

1 前言

电力系统中，通常在变电站的低压侧装设电容器组，用来就地补偿无功功率，提高系统电压质量，降低电能传输损耗，保障系统稳定运行。电容补偿装置的安全运行对保障电力系统的供电质量与经济效益将起到重要作用。并联电容器组可以接成星形（包括双星形），也可接成三角形。根据电路原理分析可知，同样规格的电容器接成三角形时，其产生的无功功率是接成星形时的3倍，但每相电容器所承受的系统电压也是接成星形连接时的3倍。在容量比较大的并联电容器组中，小量高次谐波会产生较大的高次谐波电流，可能造成电容器组过负荷，因此可采取在每相电容器组中串接电抗器的方式来限制高次谐波电流。

并联电容器组常见的故障以及不正常运行状态有以下几类：（1）并联电容器组与开关之间的连接导线以及并联电容器组内部连接导线之间的相间短路故障、导线与地之间的接地故障;（2）并联电容器组内部的故障，即电容器组内部短路以及电容器组内部部分电容器故障;（3）并联电容器组运行中的过负荷;（4）并联电容器组运行中的过电压;（5）并联电容器组运行中的低电压。本文重点探讨电容器组内部故障时的主保护即不平衡电压保护的原理及影响因素，并附以实际案例。

2 并联电容器组的不平衡电压保护

并联电容器组的不平衡电压保护是其主要保护，用来反映电容器组内部的各类故障。电力系统中，目前常用的不平衡保护类型有四种：第一种是相电压差动保护，适用于串联数量为两段及以上的单星形电容器组;第二种是开口三角电压保护，适用于单星形的电容器组;第三种为中性点不平衡电流保护，适用于双星形电容器组;最后一种为桥式差电流保护，适用于每相可以连接成四个桥臂的单星形电容器组。

并联电容器组不平衡电压保护的原理，是把PT作为放电电阻时，其一次线圈与电容器并联形成放电线圈，其二次线圈中的一套则接成开口三角接线，在开口处连接一只较低整定值的电压继电器。在系统正常运行时，所采得的三相电压较为平衡，开口处电压则为0V，当某一相电容器发生故障时，三相电压不平衡，开口处就会出现零序电压，不平衡电压保护就是利用这个零序电压值来启动继电器并接通跳闸回路，切除整组电容器，从而起到保护电容器组的目的，因此该保护也被称为零序电压保护。目前，在省内新建的110千伏变电站中普遍采用不平衡电压保护保护电容器组[1]。

3 并联电容器组不平衡电压的产生原因

目前在甘肃电力系统中，110千伏及35千伏电压等级的变电站，并联电容器组不平衡保护基本全部采用开口三角电压保护。由于系统中三相电源及负荷不可能完全对称，所以在并联电容器组正常运行时，其中性点电位不可能总为0V，会发生偏移，产生不平衡电压的因素有以下几个方面。

3.1 放电线圈自身性能差异产生不平衡電压

并联电容器组的放电线圈，将高压并联电容器连接至电力系统母线，可以确保电容器组从电力系统中切除后，电容器剩余电荷能够快速释放，从而有效防止并联电容器组再次合闸时，由于电容器组仍残留电荷而产生危及设备及人身安全的过电压和过电流，保证检修人员的安全。如果电容器组放电线圈性能（含伏安特性）差异较大，即使在一次系统电源及负荷完全平衡的情况下，二次侧也会产生虚假的不平衡电压，甚至会引起保护误动。因此，应特别关注并联电容器组放电线圈的选型，同一组电容器组应选用规格、参数一致的放电线圈。

3.2 系统电压三相不对称会产生不平衡电压

计算可知，电力系统三相电压幅值偏差2%、相位偏差1°时，其产生的不平衡电压能够达到并联电容器组额定相电压的6%左右。由此可见系统电压对开口三角电压的影响较大。同时，系统电压中谐波含量也会对开口三角电压幅值带来影响，不过其影响比基波小得多。

3.3 并联电容器组三相电容量不平衡产生不平衡电压

当并联电容器组的三相电容量值各不相同时，运行中将产生电压不平衡现象，产生开口三角电压。根据分压原理可知，其电容值小的一相或某一串联段将承受较高的系统电压，各相电容值不平衡度越大，则各相电压不平衡度随之加大，开口三角电压也越大。计算可得，若三相电容量不平衡偏差达到6%的额定电容量，也即各相电容量的最大值与最小值之比为1.06时，此时产生的不平衡电压将达到6%的并联电容器组额定相电压[2]。

4 并联电容器组不平衡电压保护动作原因分析

4.1 并联电容器组三相电容量不平衡或电容器组放电线圈参数不相同是不平衡电压保护动作的主要原因

不平衡电压保护是从放电线圈二次线圈获取电压，当电容组发生内部某一相发生故障时，三相电容量将不平衡，放电线圈二次电压（也即开口三角电压）增大，若达到保护定值将导致不平衡电压保护动作，切除电容器组。导致电容器组三相电容量不平衡或放电线圈变比不一致的原因有以下两点：

1.运行中AVC系统频繁投切会使得电容器组产生的操作过电压，可能损坏电容器组放电线圈，导致放电线圈匝间短路或击穿，造成放电线圈参数性能发生变化。

2.由于大量电容器组并联接于低压不接地系统，运行过程中发生单相接地时，非故障相电压将升高至线电压，接地过电压可能导致电容击穿，造成三相电容量不平衡。

4.2 电容器安装过程中，安装工艺对不平衡电压保护有较大影响

1.首先，接线端与母线铝排的连接，要注意其对电容器组施加的应力。另外，各相电容器之间的连接大多是采用铜铰线连接在一起的，而电容器组母线所采用的一般是铝排，因此在其连接过程中，应采用铜铝过渡接头;否则，直接接到铝排上，接头会发热，最终可能导致不平衡保护动作。在某站的电容器组运行过程中，曾发现在24h内，不平衡保护接连动作两次，经检查均是外熔丝熔断，导致不平衡保护动作，在两个熔断的熔丝处检查，均在连接母排的地方有过热现象。对整台电容器组停运后彻查的结果是，其施工过程对接线头的压接不实，导致运行过程中发热，处理后电容器组运行正常[3]。

2.电容器在出厂制造过程中，各电容量很难完全一致。安装过程中，假如不注意将电容量正偏差的电容器全部安装于某一相，将会造成并联电容器组各相电容量不平衡，进而产生不平衡电压，若电容器组放电线圈参数（主要是变比）也存在偏差，刚好电容器的正偏差和放电线圈的正偏差碰到一起，可能耦合产生较大的不平衡电压，甚至引起保护动作跳闸。

5 不平衡保护的几个实际例证

1.110千伏某变电站10千伏161-1号电容器电压不平衡保护频繁动作，经检修试验人员逐相逐只进行电容量测试，发现A相电容器组中有一只电容器已被击穿，电容量为0，更换同类型电容器后，投入电容器组，没有再次跳闸。

2.110千伏某变电站10千伏163-3号电容器近半年不平衡电压保护频繁动作。检查发现电容器中某只电容器外熔丝熔断，电容器外熔丝接母排处有过热痕迹，对电容器进行常规试验检查、保护传动，判断电容器组无故障，保护装置能够正确动作，导致电容器组跳闸的原因是电容器组施工中接头压接不实。

3.110千伏某变电站新投入164-4号电容器组，不平衡电压保护动作，经检查确有不平衡电压，且超过保护定值不多。经试验，电容器、放电线圈各项参数均合格，怀疑二者之间不匹配。随后更换了放电线圈，检查试验合格后投入运行[4]。

4.110千伏某变电站10千伏161-1号 电容器组在投入过程中，不平衡电压保护动作，不能正常投入运行，多次安排工作人员去检查试验，均未发现问题。随后退出不平衡电压保护出口压板，用万用表在不平衡電压二次线处用检测，发现在投入的一瞬间不平衡电压数据偏大，达到保护定值，随后不平衡电压快速恢复正常，此时将保护功能压板投入后，电容器组运行正常，没有再次跳闸。按照整定计算规程及厂家提供计算说明书，对该电容器组不平衡电压保护时间定值进行重新计算，并适当延长，运行至今再没有发生不平衡电压动作跳闸。

6 结论

1.不平衡电压保护动作与设备生产质量、安装工艺等直接相关。新安装电容器组在刚投入运行中不平衡电压保护动作发生时，应检查二次回路接线是否有误，定值设置是否符合规程要求，各相之间电容量是否平衡，各相放电线圈性能参数是否一致，电容器组与放电线圈配合是否正确。

2.电容器组在运行过程中，受系统电压、频繁操作等因素影响，性能发生变化。若运行中的电容器组不平衡电压保护动作发生，应检查保护装置逻辑是否正确，开口三角电压回路绝缘是否良好，各相电容量是否合格并与上次数据比对，放电线圈的变比是否发生变化。

参考文献：

[1] 刘勋.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）：122-124.

[2] 张凯.电容器组不平衡保护动作原因分析[J].科技专论，2013（10）：239-240.

[3] 梁琮.并联电容器组不平衡保护初始值的估算[J].电力电容器，2002（03）：1-3.

[4] 郭苏锋.电力电容器组不平衡电压保护动作原因分析及故障诊断[J].电气开关，2008（02）：83-86.