并聯(lián)電容器熔斷器保護(hù)及其與不平衡保護(hù)的配合問題

并聯(lián)電容器熔斷器保護(hù)及其與不平衡保護(hù)的配合問題

摘要：文章重點(diǎn)討論了并聯(lián)電容器內(nèi)部故障保護(hù)中廣泛使用的熔斷器保護(hù)配置及其與不平衡保護(hù)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(hù)熔斷器不平衡保護(hù)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(bǔ)償裝置專家工作組的統(tǒng)計(jì)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0．4％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(yùn)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(hù)配置不當(dāng)?shù)鹊纫彩且饜盒允鹿识喟l(fā)的直接原因。事實(shí)上，在多數(shù)情況下，事故是有可能避免的，由于保護(hù)配置上的問題，主要是電容器內(nèi)部故障保護(hù)的配置不當(dāng)，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(kuò)大，最終造成嚴(yán)重后果。本文僅就使用最廣泛的單臺熔斷器與繼電保護(hù)配合作為內(nèi)部故障保護(hù)方案在配置中的一些問題進(jìn)行討論，以供大家參考。1熔斷器保護(hù)配置的分析1．1熔斷器特性單臺保護(hù)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(hù)，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，其反時限特性對故障電流開斷是有利的?；谌蹟嗥鞯膭幼鳈C(jī)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?fù)舸╅_斷過程。熔斷器的極限開斷工頻電流為1800A，極限開斷放電能量為15kJ（現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為12kJ），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(biāo)準(zhǔn)對熔斷器的時間—電流特性（包括其允許偏差）規(guī)定了限值：1．1Inf（Inf為熔絲額定電流）時在4h內(nèi)不得熔斷，1．5Inf和2．0Inf下的熔斷時間不得超過75s和7．5s。1．2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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熔絲額定電流應(yīng)在（1．43～1．55Inf）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Inf／Inc（電流比），可獲得更好的保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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（1．37～1．50）Inc，這對提高熔斷器的保護(hù)性能無疑是有利的。此外，改善運(yùn)行條件，如在有效地控制諧波的條件下，可進(jìn)一步降低電流比，按更小的電流比（1．30～1．35）選定Inf。某些熔斷器的質(zhì)量差，熔斷時間偏差過大，是運(yùn)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(hù)。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(dāng)，或按裝不合要求等等，應(yīng)當(dāng)引以為教訓(xùn)。2電容器組接線方式對熔斷器保護(hù)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(jìn)行討論。2．110kV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4個串聯(lián)段組成。當(dāng)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(hù)配置原則：當(dāng)g＝0．5～0．6時，熔斷器應(yīng)開始動作，即：要求Ig＞1．1Inf。從（2）式可知：M≥2時，即能滿足此要求。表1給出了當(dāng)g＝0．5、0．75、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(dāng)g＝0．75時，剩下一串健全元件所承受的過電壓倍數(shù)為2．67倍，故很難保護(hù)在熔斷器開斷前故障不發(fā)展，而一旦g＝1，Ig則突增至4Inf（當(dāng)M＝2時）或30Inf（當(dāng)M＝15時），前者動作時間約近1s，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(hù)配置原則存有不足之處，主要是并聯(lián)臺數(shù)較少時，保護(hù)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(hù)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(hù)性能。因此，建議對M較小的情況，增加對保護(hù)配置的校核：當(dāng)g＝0．75時，應(yīng)有Ig＞2．0Inf，即對應(yīng)有最小并聯(lián)臺數(shù)為M≥4，此時，可保證在g＝1時，Ig≥8Inf，其動作時間估計(jì)在0．1s左右?；蛘哒f，對于10kV電容器組，為保證熔斷器能迅速及時動作，除了恰當(dāng)選配熔絲外，要求并聯(lián)臺數(shù)足夠多，最少不低于4臺。2．235kV電容器組常用接線是由額定電壓為11kV或12kV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N＝2。電容器內(nèi)部串聯(lián)段n＝7。以下分別討論單、雙星形接線方式。（1）單星形接線方式當(dāng)某臺電容器故障時，經(jīng)推導(dǎo)可得：假如，g＝0．571時（即內(nèi)部元件有4串被擊穿，即k＝4），由Ig＞1．1Inf求得M≥3時，雖可滿足現(xiàn)行配置要求，但也存在著10kV的類似問題。通過計(jì)算可知：當(dāng)M＝3時g＝0．714（k＝5），Ig＝1．5Inf；g＝0．857（k＝6）時Ig＝2Inf。此時故障電容器內(nèi)部健全元件的過電壓已達(dá)到2．25倍和3倍。顯然，此時熔斷器的動作時間是偏慢了。由于電容器組串聯(lián)段為N＝2，當(dāng)某臺電容器內(nèi)部全短路（g＝1）時，故障電流受到健全段電容器阻抗的限制，僅有Ig＝1．5MInc＝4．5Inc＝3Inf，可見情況較10kV電容器組在M＝2時更為嚴(yán)峻。同理，我們按g＝0．714時使Ig＞2Inf考慮，可推算得最小并聯(lián)臺數(shù)M為11。如按M＝11配置，在g＝0．857時，其故降電流Ig＝3．42Inf（此時故障電容器內(nèi)健全元件的過電壓達(dá)5．13倍）；g＝1時，Ig增至11Inf，動作時間約在50ms左右，可見，此時的保護(hù)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：g＝0．571時（k＝4），Ig＞1．1Inf，得M≥4。從上式可看出，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(hù)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g＝0．714（即故障元件k＝5）時，保證Ig＞2．0Inf的最小并聯(lián)臺數(shù)：M＝18。如按M＝18配置，g＝0．857（k＝6），Ig＝3．36Inf，此時，僅剩的1個健全元件組上過電壓到5．04倍。如g＝1（元件全擊穿）時，Ig增至10．3Inf。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(hù)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)針對不同的接線方式按Ig≥2Inf來控制最小并聯(lián)臺數(shù)。3熔斷器保護(hù)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(dāng)Ig＞1．1Inf時，熔斷器才開始發(fā)熱并進(jìn)入動作區(qū)，此時，g＝0．5～0．6，對應(yīng)有長達(dá)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2～3個，隨著故障發(fā)展，熔斷器動作應(yīng)當(dāng)快于故障的發(fā)展，在故障達(dá)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(hù)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曲線，這使保護(hù)配置帶有一定的盲目性。實(shí)際運(yùn)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(yàn)站在80年代所做的BWF及BGF型并聯(lián)電容器外殼爆裂試驗(yàn)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0．2s到20余s，g＝0．5時，也有可能故障不發(fā)展，在2．5In故障電流下，外殼破裂時間約2min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(shí)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(bǔ)充，可以使g＝1時的熔斷器動作時間控制在0．1s或更短。這樣，保護(hù)將會更可靠些。4熔斷器與不平衡保護(hù)的配合電容器組的不平衡保護(hù)與外部熔斷器同屬于內(nèi)部故障保護(hù)的配置。根據(jù)并聯(lián)電容器的國標(biāo)報(bào)批稿（等同于IEC60871－1）的規(guī)定，通常以外熔斷器作為第一級保護(hù)，不平衡繼電保護(hù)與過電流保護(hù)為第二級保護(hù)，也提到“在有些情況下，不平衡保護(hù)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(hù)是第一級保護(hù)，而熔斷器作為后備保護(hù)。”在IEC60871－3“并聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器組的保護(hù)”中對不平衡保護(hù)作了如下的規(guī)定：“不平衡保護(hù)的主要目的是當(dāng)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(bào)或斷開整個電容器組”?！傲硪粋€作用是當(dāng)故障未被熔斷器斷開時將電容器組撤出運(yùn)行或者保護(hù)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(hù)的組合是實(shí)際裝置中運(yùn)用最廣泛的保護(hù)配置之一。具體配合方式即“熔斷器為第一級保護(hù)、不平衡保護(hù)為第二級”。其不平衡保護(hù)（包括開口三角電壓保護(hù)、差壓保護(hù)及中性線不平衡電流保護(hù)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1．1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1．1Unc，電容器組就可在缺臺條件下繼續(xù)運(yùn)行。但是，這個保護(hù)配合的前提是熔斷器必須動作可靠有效。我們注意到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不平衡保護(hù)的“另一個作用是當(dāng)故障未被熔斷器斷開時將電容器撤出運(yùn)行”，即規(guī)定了在熔斷器不能及時開斷故障時，不平衡保護(hù)將充當(dāng)后備保護(hù)的角色，但是又“不能代替短路保護(hù)”，因?yàn)椴黄胶獗Ｗo(hù)總是有0．2～0．5s的時延。顯然，上文提及的不平衡保護(hù)沒有考慮這一作用。北京地區(qū)采用不平衡保護(hù)直接按電容器內(nèi)部故障率進(jìn)行整定的方法，即按電容器無內(nèi)外熔絲保護(hù)的情況進(jìn)行配置，實(shí)際上是使不平衡保護(hù)與熔斷器保護(hù)互為備用，從保護(hù)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(yùn)的電容器組采用了這種保護(hù)配置方案。根據(jù)北京地區(qū)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時考慮熔斷器和不平衡保護(hù)的動作靈敏區(qū)段，可以對現(xiàn)行的保護(hù)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(hù)，不平衡保護(hù)g＝0．7～0．75整定（前者指35kV電容器組，電容器內(nèi)部7個元件串聯(lián)，4個故障）時延為0．2～0．5s，可作為熔斷器保護(hù)的后備和補(bǔ)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0．1s或更短的動作時間，將先于不平衡保護(hù)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(hù)按g＝0．5整定，延時期取0．2～0．5s作為第一級保護(hù)，熔斷器則作為后備保護(hù)，此時，不平衡保護(hù)較熔斷器有更高的靈敏度。不平衡保護(hù)的方式可按不同的接線和要求選擇。實(shí)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(hù)方案。5結(jié)論目前電容器組內(nèi)部故障保護(hù)常用的熔斷器與不平衡保護(hù)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，同時，針對不同情況，按不同的故