许火炬
（国网福建省电力有限公司检修分公司，福建 福州 350108）
摘要： 介绍35kV电容器组不平衡电压及电流的保护原理及保护配置，结合现场经验和实际案例分析了35kV电容器组不平衡保护动作的常见原因，最后总结了不平衡保护动作后现场的分析和诊断流程，为35kV电容器组不平衡跳闸的原因分析和故障诊断提供理论依据和分析思路。
关键词：35kV电容器组；不平衡电压；零序电压；星形接线；放电线圈
引言
500kV变电站内35kV电容器组是电力系统中进行无功补偿、功率因素校正、电网电压调节的重要设备。然而，35kV电容器组同时也是变电站内故障率较高的一次设备，所辖变电站内35kV电容器组由于电容器老化，爆缸，外熔丝熔断导致不平衡保护动作的情况经常发生。因此，分析35kV电容器组的不平衡保护原理及配置，总结造成电容器组不平衡保护动作的原因，对于电容器组不平衡保护动作的故障分析与诊断，以及在运维和检修过程中采取措施预防不平衡保护动作具有重要的意义。
1 35kV电容器不平衡保护原理及配置
当电容器发生故障使得三相电容不平衡时，将引起电容器组故障支路与非故障支路的电压及电流不平衡，通过放电线圈以及中性点CT可以实时监测，在产生的不平衡电压或电流超过阈值后动作[1-2]。根据该原理，电容器组主要采用的不平衡保护方法有：零序电压保护、差压保护、中性线不平衡电流保护、桥差不平衡电流保护。
1.1零序电压保护
俗称开口三角形保护法，主要适用于单星形接线电容器组，如图1所示。将放电线圈的一次侧与电容器并联，二次侧接成开口三角形。当运行过程中部分电容单元击穿，导致三相电容量不平衡时，开口三角将产生压差，保护动作跳闸。然而由于电网三相电压自身的不平衡、电网谐波以及三相电容器组本身存在的偏差，会使得正常运行时开口三角即存在一定的初始不平衡电压，容易造成误动。
图1零序电压保护
1.2 差压保护
即电压差动保护，主要适用于双星形接线电容器组，如图2所示。通过检测同相电容器两串联段之间的电压，当某段出现故障时，由于容抗的变化使得各自分压不再相等产生压差，当压差超过整定值时，保护即动作。差压保护不受电网三相电压不平衡、谐波等固有因素的干扰，相比零序电压法可靠性大大提高。
图2差压及中性线不平衡电流保护
1.3 中性线不平衡电流保护
该方法适用于双星形接线电容器组，如图2所示，通过在双星型接线的两组电容器的中性线上串联电流互感器，在正常情况下，三相阻抗平衡，中性点间电压差为零，中性线没有电流。如果某一台或几台电容器发生故障，三相电容器电容值不平衡，中性线产生不平衡电流，保护即动作跳闸。
1.4 桥差不平衡电流保护
该方法适用于桥形接线电容器组，如图3所示。通过在每相电容器组的中部桥接一台电流互感器。正常运行时，桥路中电流为零，当有电容器单元故障后，两桥臂之间电压不平衡，桥接电路中将有电流流过，保护采集到该电流后即动作跳闸。相比中性线不平衡电流法，在同样的故障状态下，桥差不平衡电流初始不平衡值较小，更不容易受干扰，且电流保护阈值更高，保护更灵敏可靠。
图3差压及桥差不平衡电流保护
2 35kV电容器组不平衡保护动作原因分析
根据现场运行情况，总结电容器组三相不平衡动作的常见原因如下：
2.1电容器爆缸、外熔丝熔断
由于电容器运行年限较久，内部绝缘老化、介质损耗增大，导致电容单元击穿，箱体鼓包膨胀，瓷瓶爆裂或者外熔丝熔断，最终造成三相电容量不平衡，不平衡保护动作跳闸。此类情况在运行年限较久的变电站中较为常见。
案例：2021年4月25日14时25分，所辖某500kV变电站35kV#2电容器组354电容器不平衡电压保护动作跳开开关，该电容器组采用八并四串，双星形连接方式，配置差压保护以及中性线不平衡电流保护。
现场测试三相整组电容量发现A相128.6uF、B相112.7uF、C相112.5uF，进行逐缸测试后发现A相18缸电容量基本为零，分析原因为A相18缸电容器被短路击穿并造成与之并联的其余7缸电容器均被短路，造成A相整组电容量异常。
2.2 放电线圈匝间短路
放电线圈绕组存在匝间短路，造成直流电阻和变比异常，将导致二次侧产生与实际不等的电压，造成差压保护误动。
案例： 2013年10月06日08：50，某220kV变电站35C4电容器组差压保护动作。经现场检查，35C4电容器组装置各部件外观无异常。随后，对电容器组的电容器、放电线圈进行诊断性试验，发现B相放电线圈一个二次绕组变比不正确，故障原因为B相的a2x绕组存在匝间短路[3]。
2.3电容器组整体老化
对于运行较久的电容器组，一组电容器中可能就存在多缸电容器电容量超标的问题，导致三相电容量初始偏差较大，在运行过程中就存在较大的初始不平衡电压及电流，再加上电网三相电压本身的不平衡，电网谐波的影响，综合导致电容器组不平衡电压、电流大于整定值而误动。
案例： 2020年7月1日10时49分，所辖某500kV变电站#6电容器组不平衡电压保护动作、#6电容器组386开关跳闸。
现场进行电容量测试发现共13缸电容值与初值偏差超限，测量放电线圈一次及二次绝缘电阻，放电线圈变比，中性点CT介损及电容量，均未见明显异常。
该#6电容器组2003年投运，运行时间较长，整体老化较为严重，运行工况不佳，存在较多历史问题及缺陷，经常发生不平衡跳闸问题，已申请进行技改更换。
2.4电容、电抗参数不匹配
电容、电抗的参数一般是在变电站设计阶段根据电网情况进行计算。然而，实际可能出现由于电网谐波的影响，导致电容、电抗设计参数与实际电网运行状态不匹配引起谐波放大导致不平衡电压保护动作的情况。
案例： 2016年6月15日，某110kV变电站#3电容器不平衡电压保护动作，#3电容器开关跳闸，现场检查发现各个电容器及放电线圈均无异常，考虑到该变电站所在地光伏电源分布广泛，进行谐波测试发现， #3电容器与其串联电抗器的参数配置不正确，导致电网五次、七次谐波放大引起谐振，引起电力电容器组不平衡电压保护动作[4]。
3 35kV电容器组不平衡保护动作分析和诊断流程
根据现场经常出现的缺陷，总结电容器组不平衡保护动作时，现场的分析和诊断流程：
1、首先应检查电容器组是否有明显的爆缸，外熔丝熔断现象，同时停电进行整组电容量以及单缸电容量测试检查是否存在电容量异常现象。个别电容器爆缸、外熔丝熔断或者击穿短路导致的三相电容量不平衡，是电容器组不平衡电压、电流保护动作最常见原因。
2、若检查发现电容器外观以及整组和单缸电容量均无异常时，这时应重点检查是否为放电线圈及中性点CT存在匝间短路，导致二次电压或电流异常引起电容器组不平衡电压、电流误动。
3、若检查发现电容器、放电线圈以及中性点CT均无异常，则可能有两种原因：
a、电容器组老化较为严重，导致三相电容量存在较大的初始偏差，再加上电网系统三相电压本身的不平衡以及谐波的共同作用，导致不平衡电压、电流超过整定值而误动。
b、所在地的电网存在分布式电源或者大负荷用户，诸如太阳能、风能以及钢铁厂、石材厂等，使得电网系统本身带有较大的谐波污染且电网电压较不稳定，在谐波的干扰下引起不平衡保护误动。
参考文献
[1] 张建华. 35kV双星型接线电容器组内部故障及其保护的探讨[J]. 城市建设理论研究, 2011(31).
[2] 王永红, 孟荣, 王玥,等. 500 kV变电站并联电容器组保护整定的若干问题[J]. 电力自动化设备,2010,30(8):144-147.
[3] 岳彩鹏, 隋恒, 陈虎. 一起集合式电容器组差压保护动作的分析[J]. 电力安全技术, 2016,18(8):48-50.
[4] 郭苏锋, 陆飞, 周刚,等. 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, 2018, 56(2): 83-86.
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