并联电容器差动保护的分析
2005 第十届全国保护和控制学术研讨会
并联电容器差动保护的分析
李 嵘
（玉林供电局, 广西玉林 537000）
摘要:目前电容器普遍采用差动保护反应内部故障，本文就此分析其原理和整定方法推导, 并对其
在实际运行中的作用进行介绍。
关键词:电容器; 差动保护; 整定; 分析
1 并联电容器结构和电气接线
1.1 并联电容器的壳体结构
一般分为单台大容量电容器和集合式电容器。“单台”即指由一个电容或数个电容组成一台电容器；“集合式”则由众多的“单元”组合而成，“单元”相当于一台独立的电容器，是全密封结构，在“单元”中又有一定数量的电容小元件。由于集合式电容器由许多相互独立的部分组成，某部分发生故障时不影响其余部分，不象单台式电容器只要故障就全部报废，因此近几年得到大量应用，本文也只对集合式电容器所配置差动保护进行探讨(下文所指电容器均为集合式电容器) 。
1.2 并联电容器的电气接线
1.2.1 内部诸元件采用串、并联接线(如图示) ，每
个元件没有装内熔丝。目前国内10kV 产品的串联
段数一般为4串，并联元件数则根据单台容量的大
小，以及元件是大元件还是小元件的不同而配置。
1.2.2 内部诸元件与1.2.1接线相同，只是在每个
元件的电源侧串接入一个熔丝。
1.2.3 内部诸元件全部并联，即串联段为1个，并
且每个元件均串接入一个熔丝。
2 并联电容器差动保护的作用
电容器在所有电器中绝缘介质的工作场强最高，且总是满负荷运行，仅在电压或频率波
动时负荷才有变化，所以受运行条件(电压、电流、温度等) 的影响较大，各个元件(单元) 电气连接又紧密，只要有元件被击穿就会产生连锁反应，极易毁坏电容器，而常规保护仅仅反应相间故障这样的最严重故障，对部分元件故障灵敏度不足，因此需要灵敏的差动保护起到作用，在转化为严重故障前切除电容器，然后只要把损坏的部分电容器换好就可以继续运行。以下介绍几种常见的差动保护。
2.1 单星型电容器差动保护。
单星型电容器普遍采用开口三角电压或差动电压保护，上图即为二次回路图，开口三角电压取A 、B 、C 相放电线圈电压和，差动电压取每相上下段的电压差。当某个电容器单元(段) 出现故障元件，则该相(段) 的电容量相应减小，在切除一定数量单元(或损失一定数量电容量) 后，故障相(段) 上的电压超过额定电压时，各相(上下段) 的电压不相同，放电线圈的二次侧将会产生一个不平衡电压△U ，从而动作于跳闸，避免电容器进一步损坏。
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2.2 双星型电容器保护
双星型电容器普遍采用差动电流保护，下图即为保护示意图，取双星型电容器中性点电流3I 0。当正常运行时，由于两侧电容量相同，在中性线不流过电流；当某侧电容器单元故障，使得两侧电容量不相等时，根据C=Q/U得，故障侧电流减小，与正常侧电流比较有差值，因此中性线就会流过不平衡电流3I 0，从而动作于跳闸，切除电容器。
3 差动保护公式的推导
3.1 电容器内部小元件有熔丝或外部装有熔断器的开口三角电压公式
设正常电压为：U A =UΨ,U B =α^2UΨ,UC=αU Ψ; (1) 当任一相电容器(单元、元件) 发生故障时, 中性点将出现位移电压U 0，此时三相电流分别为：
I A = (UΨ-U 0)/XA ； I B = (α^2UΨ-U 0)/XB ； I B = (αU Ψ-U 0)/XC
又I A +IB +IC =0
∴ (UΨ-U 0)/XA + (α2U Ψ-U 0)/XB + (αU Ψ-U 0)/XC =0
当A 相出现故障时， X A ≠X B =XC
代入上式得：U 0= [(XB -X A )/(XB +2XA )]UΨ (2)
设Xn 为一元件容抗，A 相电容器故障串联段中有K 个并联元件击穿，熔丝断开，该故障容抗： X ’A-1=[1/(m-k)]Xn (3)
而非故障段容抗：
X A2-N =[(N-1)/m]Xn (4)
∴ 故障A 相容抗为：
X A = X’A-1+X’A2-N =-{[N (m-k)+k]/m(m-k)}Xn (5)
非故障相容抗为：
X B =XC =(N/m)Xn (6)
∴ (5)与(6)代入(2)求得:
U 0=-{k/[3N(m-k)+2k]}·U Ψ (7)
则开口三角电压为：
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U CH =3U0={3k/[3N(m-k)+2k]}UEX (8)
式中：U Ψ(UEX ) —— 并联电容器组的额定相电压；
K ————一 每相电容器的同一并联段内允许切除的元件个数；
N ————一 每相电容器的串联段数；
M ————— 每相电容器内一个串联段内的并联元件数。
再求K 值：
(5)与(6)代入(2)求得电容器A 相电流为：
I A =[3m(m-k)/3N(m-k)+2k]· (UΨ/Xn)
(3)与上式相乘求得故障段两端电压为：
U ’A-1=IA ·X ’A-1=[3m/3N(m-k)+2k]·U Ψ (9)
又该故障前端电压为：
U A-1=UΨ/N (10)
(9)与(10)之比，即为一个串联段因故障切除K 个元件后电压升压系数，设为K V ，则：
K V = U’A-1/UA-1=3m·N/[3N(m-k)+2k]
∴ K=3Nm(KV -1)/[ KV (3n-2)]，此值应取接近计算值的整数。
3.2 电容器内部小元件无熔丝，又外部无熔断器的开口三角电压公式
设单台电容器内部串联段元件被短路的百分比为β, 则故障段的容抗为：
X ’β=[(1-β) /m(1-β)+β]Xn
而非故障段容抗：
X N-β=[(N-1)/m]Xn
∴ 上两式相加得故障相容抗为：
X A = X’β+ XN-β= Xn {N[m(1-β)+ β]-β}/{m[m(1-β)+β]} （11）
∴ 将(6)与(12)代入(2)求得中性点电压:
U 0={β/〔3N[m(1-β)+β]-2β〕}·U Ψ
则开口三角电压为：
U CH =3U0={β/〔3N[m(1-β)+β]-2β〕}·U Ψ (12) 式中：U Ψ(UEX ) —— 并联电容器组的额定相电压；
β————一 单台电容器内部击穿小元件段数的百分数，如电容器内部为n 段，则β=1/n ～
n/n；
N ————一 每相电容器的串联段数；
M ————— 每相电容器内各串联段内的并联电容器台数。
3.3 单星型电压差动保护
其整定公式推导与前面基本一致，电容器内部有熔丝或外部装有熔断器的按公式(8)计算，电容器没有内熔丝及外部熔断器的按公式(13)计算。
4 电容器差动保护的算例
10kV 电容器，设备类型:BAMH11/1.732-6600-3W，设备结构: 4串160并共640个小元件，内部小元件带熔丝，计算其不平衡电压保护整定值。
M=160，N=4
K=3×N ×M ×(Kv-1)/[Kv×(3N-2)]
=3×4×160×(1.1-1)/[1.1×(3×4-2)]
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=192/11
=17.45
取K=18
△U c=3K×U ex/[3N(M-K)+2K]
=3×18×6351/[3×4×(160-18)+2×18]
=342954/1740
=197.1V
Udz=△U c/Klm=197.1/1=197.1V
取Udz.j=197.1/(11/1.732/0.1)=197.1/63.51=3.1V
可见其差动保护整定值一般是很灵敏度的，比过流等保护更有利于切除小电流内部故障。
5 总结
电容器差动保护考虑到了集合式电容器结构的特点，均针对电容器某部分故障来进行设计，动作值低， 反应灵敏，可以及时切除故障，根据多年来的动作统计分析，大多数是差动保护动作来切除故障，保障了电容器小范围故障的切除，使得只要更换故障部分后就可以使电容器继续运行。但是比较而言，最好使用单星型电容器，因为双星型电容器发生双星同时故障时，可能两侧电容器的电容量都受损，在中性线不会产生差流或差流很小，不足以使不平衡电流保护动作，还有在日常运行中双星电容器的电容量很容易不平衡，不平衡电流整定值又很低，容易动作，但是单星型电容器不会产生这个问题，只要有故障才可以出现差压，而且在实际运行中其三相电容量不平衡是很少出现的。因此目前现场运行较多的仍是单星型电容器，配置了差动电压保护。
参 考 文 献
1 DL/T 584—95，3～110kV 电网继电保护装置运行整定规程，中国电力出版社，1996.6。
2 ]崔家佩等，电力系统继电保护与安全自动装置整定计算，中国电力出版社，2000.2。
李 嵘，男，1975年8月生，本科，工程师，现为继电保护管理工程师，主要从事电网继电保护的整定计算和运行管理。
The Analysis for Differential Protection of Capacitor
Li rong
(Yulin Power Supply Bureau，Yulin,537000,China)
Abstract: The differential protection offen reaction to an inner short of capacitor，in this paper,I analyzed the theory and setting,and purpose in course of running.
Key Words: Capacitor Differential protection Setting Analysis
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