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摘要：電容器保護的配置及整定對保證主設備和系統的安全至關重要,本文介紹了1000 kV晉東南-南陽-荊門交流特高壓試驗示范工程的低壓側電容器接線及保護配置情況,分析和探討了示范工程低壓側電容器保護配置方案、整定、應用原則及整定中應注意的問題。在整定計算時應充分考慮保證電網主設備和系統安全這一重要原則,對后備保護進行合理配置和正確的整定。

　　關鍵詞：交流特高壓試驗示范工程;保護配置;整定;電容器

　　1　引言

　　1000 kV 晉東南—南陽—荊門交流特高壓試驗示范工程是中國第一個特高壓工程，且是目前世界上僅有的以額定電壓長期運行的特高壓工程，該示范工程自2008年12月30日22時通電試運行，其后將有六橫四縱的特高壓電網發展戰略規劃。因此試驗示范工程設計、建設及運行的成敗將在很大程度上影響到后續特高壓電網的建設，意義重大[1]。對該工程110 kV低壓側電容器保護的配置及整定，目前還沒有標準及整定規程可依據。本文介紹了110 kV電容器接線及保護配置情況，分析和探討了該工程電容器保護配置方案、整定、應用原則及整定中應注意的問題。

　　2　110 kV電容器接線簡介

　　長治站低壓側設備區(本期)電氣一次主接線如圖1所示，在主變壓器低壓側裝設4組210Mvar電容器，分別引接自兩段110kV母線，并通過兩組開關引接至主變低壓側出線所連接的110kV母線上。圖1中1101、1102、1112-1115、1121-1123為110kV斷路器。

　　其中1113C、1121C號電容器組型號為TBB110-216500/501-AQW，其串抗電抗率為12%，主要用于抑制3次及以上諧波，電容器組相電壓136.4/√3kV，額定容量為216.5Mvar，電容器單元額定容量501kvar，額定電壓6.56kV，額定電流76.37A，額定電容37.06μF;1114C、1122C號電容器組型號為TBB110-200500/464-AQW，其串抗電抗率為5%，主要用于抑制5次及以上諧波，電容器組相電壓126.32/√3kV，額定容量為200.5Mvar，電容器單元額定容量464kvar，額定電壓6.08kV，額定電流76.32A，額定電容39.96μF。兩型號電容器組均采用單星雙橋差中性點不接地接線方式。由于串聯電抗器的電抗率不同造成了容量的差異，當扣除串抗的作用后，對外補償效果的一樣，接線統一、設備互換性好，保護的定值也配置相同。

　　長治站電容器組采用分相布置，每相兩個塔架(又稱雙塔)結構，單相連接為12串12并，由144臺電容器單元組成;每個塔架接線6串12并，共6層，每層12臺電容器，側臥布置。兩塔連成H型接線。

　　每塔由三個絕緣平臺組成，每兩層電容器框架直接連接構成一個絕緣平臺，絕緣平臺間用35kV支柱絕緣子支撐。自上而下第1與第2層、第3與第4層、第5與第6層構架直接連接，構成三個絕緣平臺;第2、3層間、第4、5層間用35kV支柱絕緣子支撐，層間最高工作電壓為13.8kV(電抗率12%)和12.8kV(電抗率5%)。每個塔架最底層對地用145kV絕緣子支撐。每層電容器臺架兩側處有2個接地引線接頭供檢修時用于接地。裝置電容器組在左塔和右塔第3、4串間位置的兩臂之間接二個CT，構成單星形雙橋差不平衡電流保護。以保護電容器組內部故障時不平衡保護在1.3倍元件過電壓倍數條件下有足夠的可靠性。

　　另外，低壓側并聯電容器組還包括：過電壓阻尼裝置、避雷器、接地開關等，而過電壓阻尼裝置和避雷器則是為限制操作過電壓而與并聯電容器配套使用的。

　　3　110 kV電容器保護配置及整定原則
　　荊門站和長治站的電容器保護采用微機型，由帶短時限的電流速斷保護、過電流保護、過電壓保護、過負荷保護、低電壓保護，雙套橋差不平衡電流保護組成。

　　3.1　時限電流速斷保護
　　帶短延時動作，跳開本回路斷路器。速斷保護電流定值按電容器端部引線故障時有足夠的靈敏系數整定，根據電容器一次側等效阻抗和110kV系統小方式下等效系統阻抗，按照三相電容器端在最小運行方式下發生兩相短路時，保護具有足夠靈敏度(不小于2)來整定，整定值為3～5倍額定電流。

　   3.2　過電流保護
　　帶短延時動作，跳開本回路斷路器。過電流保護電流定值應可靠躲電容器組額定電流，整定為1.5倍額定電流。保護動作時間整定為0.9s，從圖2可以看出，能可靠躲過合閘涌流的影響，同時也和主變低壓側復合電壓閉鎖過流保護配合。

　　3.3　過電壓保護
　　帶定延時動作，動作時間定為9s，跳開本回路斷路器。由于電容器的設計場強遠高于其它電器設備，因此電容器是對電壓高度敏感的設備。當系統中電壓超越電容器的額定電壓值時，將導致電容器內部介質耗損增加，產生過熱而加速絕緣老化、降低使用壽命，嚴重時可能使介質擊穿，并發重大事故。根據國家標準規定[5]，電力電容器應能在1.1倍工頻穩態過電壓下長期運行;1.15倍工頻穩態過電壓下，每24小時運行30min;1.2和1.3倍工頻穩態過電壓下允許持續運行各為5min和1min。過電壓保護定值應按電容器端電壓不長時間超過1.1倍電容器額定電壓的原則整定，且宜有較高的返回系數。目前60Mvar及以下容量的電容器裝置，元件過電壓倍數多選擇1.3，這既能滿足國內外電容器的制造水平要求，也能保證電容器的安全。

　　然而當初在確定低壓側電壓等級的時候，考慮到若低壓側選用66kV為其額定電壓，則電容器組用斷路器就很難選;若選用110kV為其額定電壓，則必須選用大容量電容器組用斷路器;若選220kV 為其額定電壓，則電容器組用斷路器問題就較易解決。但從變壓器制造而言，選220kV為第三繞組則制造難度最大，110kV次之，66kV最易。因此，綜合考慮選用110kV為變壓器的第三繞組電壓等級，低壓側瓷柱式斷路器額定電壓為126kV，電容器額定電壓為126.32kV(5%串抗)或136.4kV(12%串抗)。配置電容器補償裝置較為合理，僅需在斷路器選用上考慮有足夠的電流容量，同時還應盡可能地提高其分、合閘速度。目前開關廠家承諾：可以滿足在140kV下開合背對背電容器組電流1600A~2000A，開合單組電容器電流3600A~4000A，開合電抗器電流1600A~2000A，不承諾在更高電壓等級下可靠的切除電容電流。電容器是對電壓高度敏感的設備, 電容器廠家只承諾滿足GB /T 11024標準，即1.1倍額定電壓下24小時內運行時間不超過8小時。因此過電壓保護必須小于140kV，可取1.1倍額定電壓[2]。

　　由于1000 kV設備為國內首次研制，設備在系統電壓超過最高運行電壓1100 kV情況下耐受工頻電壓的時間沒有明確的標準規定。1000 kV設備合同對設備耐受工頻電壓能力提出了要求，但為確保特高壓首臺首套設備的安全運行，增加了穩態過電壓控制裝置，當任何一個變電站/開關站的2組1000kV開關三相跳開后，或者任何一個變電站/開關站的線路穩態過電壓超過1150kV達0.5s，則通過通信通道發信號跳開其他兩站所有的1000kV開關。各站收到跳閘信號后，先跳開本站所有1000kV開關，再跳開110kV側所有電容器。因此電容器的過電壓保護定值，還必須和百萬伏線路的穩態過電壓控制裝置過電壓保護定值相配合，防止在穩態過電壓控制裝置動作前動作。

　　運行中只能從110kV 母線TV測量電壓，含5%串抗電容器的額定電壓為126.32kV，含12%串抗電容器的額定電壓為136.4kV，扣除串抗的補償作用后，在母線側電壓均為120kV，按1.1倍額定電壓整定為132kV，延時9s。

　　3.4　過負荷保護
　　為反時限特性，以便和電容器的過載特性近似匹配，經延時動作于信號。過負荷保護需滿足GB /T 11024標準，選擇式(1)特性的反時限動作曲線，         
　   3.5　低電壓保護
　　帶短延時動作，跳開本回路斷路器。低電壓定值應能在電容器所接母線失壓后可靠動作，而在母線電壓恢復正常后可靠返回，整定為0.6倍110kV母線標稱電壓。保護的動作時間與本側出線后備保護時間配合。投入電流閉鎖判據，防止PT斷線時低電壓保護誤動。

　　3.6　雙橋差不平衡電流保護
　　一段告警、二段跳開本回路斷路器。(電流互感器為2/1A、0.5級)。每相由2個保護裝置共同構成。特高壓電容器組單組電容器臺數達432，電容器元件達23328個，保護裝置要在23328個元件中分辨出1～2個元件故障，分辯率是否能滿足保護可靠性的要求將決定電容器組是否能建立起防止事故蔓延的安全防線。因此，110kV電容器采用內熔絲保護方案。電容器采用橋差不平衡電流保護，既擺脫開口三角不平衡電壓保護和相差不平衡電壓保護使用放電線圈安全性的困擾，又比雙星不平衡電流保護提高了一倍的靈敏度。為避免不平衡保護存在對稱位置故障的拒動，在跳閘之前增設一級報警，一旦確定有熔絲動作則告警，以便及時安排檢修，這在超高壓換流站的大型電容器組中已經普遍采用。

　　當對特高壓電容器組按常規橋差進行兩段式保護整定計算時發現：即使把電容偏差降至最低，保護整定值仍無法通過初始不平衡校驗。更何況在實際應用中，一方面需將電容器裝置的實際容差控制在盡可能小的范圍內，另一方面在可保證保護靈敏度和可靠性的條件下，需將保護計算的初始容差控制值盡可能選大，使保護計算的初始容差與實際容差之間留出一個容差間距，這個容差間距一者用于補償運行條件的差異形成的電容變化，二者用于電容器故障后更換造成的電容變化，從而給運行維護帶來便利。有效的辦法是減少橋差接線中電容器元件總串聯數。因此采取把電容器組的一相從上到下一分為二的辦法，由原來的一個橋形接線改成兩個橋，通過有效減少一個橋形接線中的元件總串聯數使整定值成倍提高，并使不平衡保護整定值通過初始不平衡值校驗[3]。

      IEEE率先為內熔絲電容器組和無熔絲電容器組保護建立了較為完整的指導性文件[4]，我國目前較新、較權威的電容器標準對于內熔絲電容器單元本身作了技術要求[5]，外熔絲的配置仍是針對大部分電容器。制造廠至少應根據下面3種情況提供內熔絲的最大開斷根數：有可能出現弧光短路或箱殼爆破時;有可能超過元件的暫態過電壓能力時;健全單元穩態過電壓高于1.1Un時。不平衡電流跳閘值按如下方法整定：如果電容器制造廠推薦最大內熔絲動作根數為D(滿足單元穩態過電壓<1.1Un要求)，為了保證不平衡保護動作的可靠性，跳閘動作值要定在第D-1根內熔絲動作不平衡電流與第D根內熔絲動作不平衡電流的中間值。不平衡跳閘延時應躲過涌流、系統接地、相鄰設備的投切、合閘不同期，而且應當縮至最短，以使極對殼擊穿或內熔絲失效時箱殼爆破的可能性最小化，整定為0.2s。不平衡保護告警定值按內熔絲開斷2～3根整定，以防止對稱性故障導致的拒動。在電容器橋差2個分支發生相同損壞情況下，不平衡電流的故障分量為0，僅僅隨著穿越電流的變化而發生變化，因此報警定值所依據的內熔絲開斷根數不宜太大。詳細計算結果(二次)如表1所示。

　　電容器投運時，需要對雙橋差的兩個分支的電容進行調整，使其盡可能相同，但是也不能完全消除其間的差別，不可避免地出現不平衡電流，同時在直流濾波器正常工作過程中，溫度、陽光等外界環境參數會改變電容的大小，導致不平衡電流的產生。從表1可以看出，初始不平衡誤差達到報警定值的33%，當初始不平衡誤差達到報警定值的50%時，應采取措施校正消除電容器組和系統產生的初始不平衡。目前在高壓直流系統中交、直流濾波器不平衡保護可以補償這種初始不平衡電流(基于補償之后的不平衡電流的保護稱為暫態不平衡保護，沒有經過補償的不平衡電流的保護稱為穩態不平衡保護)，而在交流系統電容器保護中還沒有得到廣泛的應用，因此建議保護廠家完善這方面的工作。

　　 4　結束語
　　本文對1000 kV 晉東南—南陽—荊門交流特高壓試驗示范工程110 kV電容器保護配置方案、整定及應用原則等有關問題進行了分析和探討。110 kV電容器保護的配置及整定對保證系統和主設備的安全穩定運行很重要，電容器過電壓保護和雙橋差不平衡電流保護的整定具有一定特殊性。