芒果体育电力电容器基础知识讲解 主讲： 概述 高压断路器短路电流的开合 并联电容器的保护 并联电容器的运行与维护 1.接线类型及优缺点： 目前在系统中运行的电力电容器组的接线有两种：即星 形接线和三角形接线。电力企业变电所采用星形居多，工矿 企业变电所采用三角形居多。 三角形接线倍次谐波电流，利于消除电网中的3倍次谐波 电流的影响。 三角形接线缺点： 当电容器组发生全击穿短路时，故障点的电流不仅有故 障相健全电容器的放电涌流，还有其他两相电容器的放电涌 一、并联电力电容器的接线 流和系统短路电流。故障电流的能量往往超过电容器油箱能 耐受的爆裂能量，因而经常会造成电容器的油箱爆裂，扩大 事故。 星形接线优点： 当电容器发生全击穿短路时，故障电流受到健全相容抗 的限制，来自系统的工频短路电流将大大降低，最大不超过 电容器额定电流的3倍，并没有其他两相电容器的放电涌 流，只有故障相健全电容器的放电电流。故障电流能量小， 因而故障不容易造成电容器的油箱爆裂。在电容器质量相同 的情况下，星形接线的电容器组可靠性较高。 并联电力电容器的接线与电容器的额定电压、容量， 以及单台电容器的容量、所连接系统的中性点接地方式等 因素有关。 220～500kV变电所，并联电力电容器组常用的接线）中性点不接地的单星形接线）中性点接地的单星形接线）中性点不接地的双星形接线）中性点接地的双星形接线kV为非直接接地系统时，采用星形接线的电容器中性 点不接地方式 2.电容器的内部接线）先并联后串联：此种接线应优先选用，当一台电容器 出现击穿故障，故障电流由来自系统的工频故障电流和健全 电容器的放电电流组成。流过故障电容器的保护熔断器故障 电流较大，熔断器能快速熔断，切除故障电容器，健全电容 器可继续运行。 （2）先串联后并联：当一台电容器出现击穿故障时，故障 电流因受与故障电容器串联的健全电容器容抗限制，流过故 障电容器的保护熔断器故障电流较小，熔断器不能快速熔断 切除故障电容器，故障持续时间长，健全电容器可能因长时 间过电压而损坏，扩大事故。 3.并联电容器的接线及各元件基本要求： （1）电容器 1）型式的选择 可由单台电容器组成或采用集合式电容器组。单台电容 器组合灵活、方便，更换容易，故障切除的电容器少，剩余 电容器只要过电压允许可继续运行。但电容器组占地面积大 布置不方便。集合式电容器组和大容量箱式电容器组，占 地 面积小、施工方便、维护工作少，但电容器故障要整组切 除，更换故障电容器不方便，有时甚至要返厂检修，运行的 可靠性不如单台电容器组。在具体工程中可根据实际情况选 择电容器组的型式。 2）额定电压的选择 电容器的额定电压应能承受正常运行可能出现的工频 过电压，其值不大于电容器额定电压的1.1倍。当电容器回 路接有串联限流电抗器时，应计及因串联电抗器引起的电压 升高，电容器的端电压将高于接入处电网电压，其升高的电 压与电抗器的电抗率有关，可按以下电抗率确定电容器的额 定电压： ①当电抗率K≤1%时，取每相电容器的额定电压 ②当电抗率4.5%≤K≤6%时，取 ③当电抗率K=12%时，取 ④当电抗率12%≤K≤13%时，取 式中 为电网额定电压。 3）容量的选择 应根据电容器组的容量、允许的并联台数、串联的段数 以及标准电容器产品的额定值等因素优化确定。在条件允许 的情况下应首先选用单台容量大的电容器，可方便布置，减 少占地，有利于运行维护。在有串联电抗器的情况下，整组 电容器的实际输出容量应等于整组电容器的额定容量减去电 抗器的额定容量。 （2）断路器 用于电容器组回路的断路器的环境特点是，电容器是一 个储能元件，在操作过程中容易产生操作过电压，而电容器 本身又容易因过电压而损坏，因此除满足一般断路器标准要 求外，断路器性能还应满足一些特殊要求。电容器上的过电 压主要是重复充电产生的，断路器合闸过程中的弹跳和分闸 过程触头间的重燃是产生操作过电压的根本原因。断路器合 闸过程中的弹跳时间越短，产生的操作过电压越小，一般要 求断路器合闸过程中的弹跳时间小于2ms，分闸过程触头不 重燃。此外，对于多组电容器的总回路断路器还能承受关合 涌流、工频短路电流的联合作用。对于经常投切的电容器 组，断路器应具有频繁操作的性能。 另外，当电容器组与供电线路接在同一母线上，线路断 路器的投切也能引起电容器的过电压，危及电容器的安全。 所以，与电容器接在同一母线的线路断路器也应与电容器回 路断路器具有相同的性能。 （3）串联电抗器 1）串联电抗器的选择 用作限制充电涌流和谐波电流。用作限制充电涌流时， 涌流值通常按电容器额定电流的20倍计算，电抗率一般为 0.1%～1%。用作限制谐波电流时，与接入电网的谐波有关。 如电网的谐波为5次以上时，电抗率宜取4.4%～6%，如电网 的谐波为3次及以上时，电抗率宜取12%。电抗器的额定电流 应大于或等于电容器组的额度电流。一般选用 空芯或半芯干 式串联电抗器。 2）串联电抗器的连接 串联电抗器可接在电容器组的中性点或电源侧，对限制 合闸涌流和抑制谐波电流的作用都是一样的。接在中性点 侧，正常运行时电抗器所承受的电压低。可不受短路电流的 冲击，可减少事故，运行安全，电抗器的价格也较低。串联 电抗器接在电源侧，对承受电压和短路电流能力的要求就较 高，电抗器的价格也较贵。因此，一般情况下推荐串联电抗 器接在电容器的中性点侧。 接在大容量降压变压器10kV的电容器组，还应考虑变压 器10kV侧主回路限流电抗器的影响，电容电流流过电抗器时 将引起电压升高。 （4）放电器 为了安全和防止合闸时因剩余电荷产生过电压，要 求放电器能在电容器组脱离电源后，在5s内将电容器上的剩 余电压降至50V以下。通常选用同一电压等级的电压互感器 作为放电器，其二次还可作检测电压用。为提高安全性，放 电器回路不应接任何保护熔断器和刀开关。 （5）避雷器 用于限制电容器组的操作过电压，通常选用无间隙的 氧化锌避雷器。 （6）熔断器 对熔断器的要求见后面“并联电容器组的熔断器保护”。 高压断路器在电力系统中开断电路时， 总会出现电弧。开断的电流愈大，电弧愈难 熄灭，其工作条件也愈严酷。在电力系统发 生故障时，短路电流比正常负荷电流大得 多，因此关合短路故障是断路器最基本也是 最困难的任务。 电弧现象 1．电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象。如10KV少油断路器开断20KA的电流时，电弧功率高达10000KW以上，造成电弧及其附近区域的介质及其强烈的物理化学变化，可能烧坏触头及触头附近的其他部件。如果电弧长期不灭，将会引起电器被烧毁甚至爆炸，危机电力系统的安全运行，造成重大损失。所以，切断电路时，必须尽快熄灭电弧。 2．开关电器的触头虽然已经分开，但是触头间如有电弧存在，电路就还没有断开，电流仍然存在。 3．电弧是一种自持放电现象，即电弧一旦形成，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。如，大气中1cm长的直流电弧的弧柱电压只有15－30V，在变压器油中也不过100－200V。 4．电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形，在外力作用下（如气体、液体的流动或电动力作用）会迅速移动、伸长或弯曲，对敞露在大气中的电弧尤为明显。如，在大气中开断交流110KV、5A的电流时，电弧长度超过7m。电弧移动速度可达每秒几十米至几百米。 电弧的产生与维持 1．强电场发射 开关电器的触头分离时，动静触头间的压力不断下 降，接触面积减小，因而接触电阻增大，温度剧升。另一方面，触头开始分离时，触头间距很小，即使电压很低，只有几百伏甚至几十伏，但是电场强度却很大。由于上述原因，阴极表面可能向外发射电子，这种现象称为强电场发射。 2．热电子发射 触头是由金属材料制成的，在常温下，金属内部就存在大量的自由电子，当开关开断电路时，在触头分离的瞬间，由于大电流被切断，在阴极上出现强烈的炽热点，从而有电子从阴极表面向四周发射，这种现象称为热电子发射。发射电子的多少与阴极材料 及表面温度有关。 3．碰撞游离 从阴极表面发射出来的电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动。并不断与中性质点碰撞，如果电场足够强，电子所受的力足够大，且两次碰撞间的自由行程足够大，电子积累的能量足够多，则发生碰撞时就可能使中性质点发生游离，产生新的自由电子和正离子，这种现象称为碰撞游离。新产生的自由电子在电场中作加速运动又可能与中性质点发生碰撞而产生碰撞游离。结果使触头间充满大量自由电子和正离子。使触头间电阻很小，在外加电压作用下，带电粒子作定向运动形成电流，使介质击穿而形成电弧。 4．热游离 处于高温下的中性质点由于高温而产生强烈的热运动。相互碰撞的结果而发生的游离称为热游离。作用：维持电弧的燃烧。一般气体发生热游离的温度为9000～10000℃，而金属蒸汽约为4000～5000℃。因为电弧中总有一些金属蒸汽，而弧柱温度在5000℃以上，所以，热游离足以维持电弧的燃烧。 高压断路器在系统中关合有两种情况：一是正常关合； 另一种是故障关合，指关合前线路或电气设备已存在绝缘故 障，甚至处于短路状态的情况。后一种关合大部分出现在线 路发生短路故障，断路器由继电保护控制跳闸后，进行自动 重关合而短路故障并未消除时；也可能出现在电力系统投入 运行前已存在未被发现的“预伏故障”时。由于在各种关合 中短路故障的关合最困难，因此具有足够的关合短路故障的 能力是对断路器的一项基本要求，也是国家标准中规定的型 式试验考核项目。标志这一能力的参数是断路器的额定关合 电流。 一、短路故障的关合 二、恢复电压的基本概念 交流电弧的熄灭与弧隙介质恢复过程和 电压恢复过程有关。图中，Ud代表弧隙 介质恢复曲线后，电弧复燃，而当按 Utr2变化时，电弧就熄灭。 短路故障大多数是电感性电路， 图中，u为工频电压。当断路器触 头S闭合时，电流i落后于电压u角 度φ，电压与 电流的波形如右图。 在t0时，触头S分开，产生电弧， 由于电弧电压很小，电源电压大 部分降落在电阻和电感上，电流 仍按正弦变化。电流过零时电路 中断，电源电压加在触头两端， 弧隙电压将由Ua上升到电源电压U 的这样一个过渡过程。 在实际电路中，弧隙间总有电 容存在，弧隙电压不可能突 变，电压恢复过程是带有周期 性分量的振荡过程，也可以是 非周期性过程。 电压恢复过程中，首先出现在弧隙两 端的是具有瞬态特性的电压，称为瞬 态恢复电压Utr。时间很短，只有几 十微秒至几毫秒。瞬态恢复电压消失 后，弧隙两端出现的是由工频电源决 定的电压，称为工频恢复电压。瞬态 恢复电压与工频恢复电压统称为恢复 电压。瞬态恢复电压具有决定性的意 义，因此是分析研究的主要方面。而 且许多场合提到的恢复电压往往就是 指瞬态恢复电压。 （1）工频恢复电压的大小。 （2）电路中电感、电容和电阻的数值以及它们的分布情况。实际电 网中，这些参数的差别很大，因此瞬态恢复电压的波形也会有很大的差 别。 （3）断路器的电弧特性。断路器的开断性能不同，电流过零时弧隙 电阻值的差别很大。对瞬态恢复电压会带来很大的影响。 电流过零时，弧隙电阻能立即变成无限大的断路器称为理想断路器。 理想断路器的瞬态恢复电压只取决于电网参数，而与断路器的开断性能 无关。 三、单相电路开断时的恢复电压 时，断路器CB的触头分开产生电弧，弧隙两端的电压为电弧电压 。 时，电流过零电弧熄灭，出现电压恢复过程。电源出口处发生短路时，电源侧的对地电容C恰好与断路器弧隙并联，因此弧隙的电压恢复过程就是在 时电源电压u通过R与L对电容C的充电过程。这个过程相当于在下图中开关S突然关合时，电容C两端的电压变化过程。 式中： ——电源电压幅值； 按上式画出的恢复电压波形如下图： 从图中可以看出，瞬态恢复电压中含有高频振荡，其振荡频率f0与L，C有关，但衰减很快。当t接近1/2f0时，瞬态恢复电压达到最大值Utrm，Utrm一般为工频恢复电压U0的1.4～1.5倍。 短路电流中有时含有非周期分量，从图中可以看出，不管电弧是在t1（电流大半波过零）时，还是在t2（电流小半波过零）时熄弧，电源电压瞬时值U01与U02都比Um要小。 （一）中性点非直接接地系统的三相短路故障 我国60kV以及下和部分110kV系统都采用中性点非直接接地方式。这 种系统可能出现三相不接地短路和三相接地短路两种情况。 三相不接地短路故障： 四、三相电路开断时的恢复电压 三相电路中 ，三相短路电流不同时过零，因此三相电弧也不会同时熄灭。假定断路器CB开断后，A相短路电流先过零，A相电弧先熄灭。此时，B、C两相形成两相短路。 A相断路器触头两端的工频恢复电压为： 经计算可得： 由此可见，A相断开后，工频恢复电压为相电压的1.5倍，或称首开极（相）系数为1.5。 A相过零电弧熄灭后，B芒果体育、C两相的短路电流经过5ms（900电角度）也过零。电源电压将加在B、C两相的触头上。如果电压分配均匀，B、C两相触头上的工频恢复电压为： 通过上面分析可知，开断三相短路故障的困难和关键在于首相。首相如能灭弧，后两相一般均能顺利熄灭，但燃弧时间比首开相延长5ms，电弧能量较大，因此触头烧损、喷气等情况比首相要严重些。 三相短路故障开断时的工频恢复电压、短路电流的变化曲线见左图。 对于中性点非直接接地系统中发生三相接地短路故障时，短路电流与恢复电压情况与三相不接地短路故障相同。 （二）中性点直接接地系统的三相短路故障 我国220kV及以上，包括大部分110kV系统采用中性点直接接地方式。中性点 直接接地系统发生三相接地短路故障时的电路如下图。 设A相电流先过零，电弧熄灭，应用对称分量法，可得首开相得工频恢复电压。 经计算可得： 即在中性点直接接地系统中发生三相接地短路故障时的首开极（相）系数为1.3。 即C相工频恢复电压为相电压的1.25倍，较首开相的1.3倍略小。 B相熄灭后，由于三相接地短路故障已全部切除，显然B相得工频恢复电压即为相电压，比先开断的两相都低。 A相恢复电压： C相恢复电压： B相恢复电压： 五、关合和开断电容器组 我国的电容器组一般用于63kV以下，在这些电压中，设备的绝缘水平高，电容器组投入时的合闸过电压通常不会给设备造成危害。电容器投入的主要问题是涌流。波形如上图，涌流的频率较高，可达几百到几千赫；幅值比电容器正常工作电流大几倍至几十倍，但衰减很快，持续时间小于20ms。涌流过大可能造成断路器触头熔焊、烧损，涌流产生的电动力可能会使零件损坏，还可能给电流互感器和串联电抗器造成绝缘损伤等。 式中：ICm—涌流峰值，Im—电容器组正常工作时额定电流的峰值， Xc—电容器组每相的容抗， Xs—电源每相的短路感抗，f0—涌流的 振荡频率。 涌流峰值： 涌流振荡频率： 图有四组电容器，容量相等，经断路器联到母线B上。当要求四组电容器 全部投入运行时，则顺序投入。投入第一组时的涌流与上面单台电容器投入时 的情况相同。投入第二组时，已带电的第一组电容器将向第二组电容 器充电， 也会出现涌流。比第一组电容器投入时严重得多，同理，投入第三组、第四组 时的涌流将更大。 现有n组电容器，计算最后一 组即第n组投入时的涌流。考 虑到在电源电压为峰值时投 入，涌流最大，因此计算时 取u=Um，并进行简化，简化 后如上图。 涌流峰值： 涌流振荡频率： 在电容器组上接入串联电抗器可以限制涌流， 一般采用的是带间隙的铁芯电抗器，电抗器实 质上是一个电感线。 由上式可见，L很小涌流很大，现在接入电抗器后，L增大，涌流也能得到 很大的限制。 在断路器上加合闸电阻也能限制涌流，但由于结构复杂，很少采用。 在（a）图中，t=0时，断路器触头分开产生电弧，电弧电压低，所以电源电压u与电容电压uc接近相等。,t=t1时，电流过零，电弧熄灭，此后电源电压仍按正弦变化，但电容电压不变。可见，在电流过零后10ms后，即t2时，恢复电压 Utr达到最大值2Um。假设此时弧隙产生重击穿。这个过程近似地相当于电压为Um的的直流电源经电感L突然加在电压为-Um的电容上，电容上将出现振荡电压，此电流和电压波形如下页图所示。 当高频电流第一次过零，电容电压Uc恰为最大值，Uc=3Um，即出现3倍过电压。若电弧在高频电流第一次过零时熄灭，Uc将保持暂3Um不变，见上页图（a）。此后断路器的恢复电压又将上升（见上页图（b）），在t3时最高恢复电压可达4Um。假如弧隙在此时又出现重击穿，则电容器上出现5倍过电压。以此类推，若每次重击穿都出现在最高恢复电压（2Um、4Um、 6Um）时，电容上将出现3、5、7倍过电压，使电容器以及电网中其他设备的绝缘受到严重的威胁。 上面分析的是理想情况，实际电网中，影响过电压的因素很多，情况也比较复杂，实测过电压的数值有很大分散性。 以上的分析均假设重击穿发生在电流过零后10ms（1800电角度），即恢复电压达到最大值时。在此情况下，过电压最高，可达3Um。实际上在电流过零后10ms内，任何时刻均有击穿的可能，击穿时刻不同，过电压的大小也不同。 通常称在0～900电角度内击穿的现象为复燃，电容不会出现过电压，在 900～1800电角度内弧隙发生击穿的现象为重击穿，电容上将出现过电压。上述情况的简单说法就是：复燃不产生过电压，重击穿会产生过电压。因此，开合电容器组不会出现重击穿的断路器，开断时就不会出现过电压。 在同一电流相位角下，增加触头的开断 速度，虽然燃弧时间ta不会改变，但电流 过零时动、静触头间的分开距离可以增大， 弧隙介质强度增高，就有可能避免弧隙出 现重击穿，从而不出现过电压 。所以一般 来说，提高断路器的开断速度对降低开断 电容电流的过电压是有好处的。因此，切 合电容器组应选用开断速度高或串联断口 较多的断路器。 由于某些原因，例如断路器的机械故障，在A相开断后，可能出现B相不能开断或C相不能开断，甚至B、C两相都不能开断的情况。此时各相断路器触头上的恢复电压将更为复杂。根据理论分析，可得出各种情况下，各相触头上的恢复电压最大值如下表所示。 1.电容器的内部故障 在一台电容器的箱壳内部，是由若干个芯子组成的。 芯子又由若干个元件和绝缘叠压而成。元件是由电容器纸、 聚丙烯膜纸或纯膜作介质，铝箔作极板卷制成的。为适应各 种电压和容量的需要，在芯子元件之间接成串联或并联。电 容器内部故障一般是这样形成的；电容器投入运行后，极板 之间的绝缘在高电场强度的作用下，在某些薄弱环节开始过 热、游离，直到局部击穿。使得与之并联的元件被短路。此 时总故障电流不大，绝缘分解的气体也少，箱壳内压力升高 得不多。个别元件击穿后引起与之串联的元件电压升高，绝 缘纸间的电场强度加大，可能会引起新的击穿。元件击穿后，剩余元件上的电压就会进一步升高。 二、并联电力电容器的故障和不正常运行方式 结果产生连锁反应，最后导致一台电容器的贯穿性短路。 贯穿性击穿后，通过箱壳内部的故障电流较大，绝缘分解的 气体增多，使电容器箱壳内的压力增高，常出现“鼓肚”或 漏油现象。如果在短时间内发生贯穿性击穿，内压力增高而 来不及释放，就有可能导致箱体爆裂，爆炸起火，扩大事故。 电容器的内部故障是电容器组最常见的一种故障。尽管 随着电容器质量的不断提高，电容器的年故障率在不断下 降，但电容器的内部故障仍然是电容器保护的主要目标。 2.电容器外部的相间和接地故障 电容器外部故障主要指的是电容器与断路器之间的引线 ，绝缘子、套管间的相间和对支架闪络造成的接地故障。一 次变电所的变压器容量较大，其低压侧电容器回路的短路， 如不加限制措施，则短路电流很大，有可能造成短路回路设 备和导体的动、热稳定被破坏。 3.电容器的工频过电压 电容器的工频过电压，其中一个原因可能是由于系统电 压升高，例如，在变压器轻负荷时，低压侧母线电压升高而 引起电容器承受的电压过高。另一个原因是一组电容器中个 别电容器损坏切除或内部击穿，使串联的电容器之间的电压 分布发生变化，剩余的电容器承受过电压。 电容器耐受过电压的能力的原因： 电容器输出 的无功功率和内部的有功功率损耗均与其端 电压的平方成正比，即 输出无功功率： 内部有功功率损耗： 当电压超过电容器的额定电压时，箱壳内的有功损失增加得很快， 温度升高，游离增大，寿命降低。因此，电容器需装设较完善的工频过 电压保护，确保电容器在不超过最高允许电压下和规定的时间范围内运 行。按照IEC标准，“电容器单元应适合于当端子间的电压有效值升到不 超过1.1倍额定电压（过渡过程除外）下联系运行”。我国的国家标准也 规定，电容器的工频过电压不超过1.1倍额定电压。 4.电容器组的暂态过电压 电容器组的暂态过电压，主要是由于雷电产生的过电压 和在投切操作时产生的暂态过电压造成的。这两种原因产生 的暂态过电压必须用标准的过电压保护装置予以消除，例如 配备避雷器，放电间隙等，一般来说，电容器具有吸收雷电 冲击过电压的能力，在母线上接有并联电容器组时，可以大 幅度降低雷电冲击过电压幅值。但电容器组并不是一个完善 的过电压保护装置，电容器吸收雷电冲击过电压效果取决于 电容器与雷电冲击电压引入点之间的电路参数和冲击电压作 用时间。投切操作产生的暂态过电压主要是由于断路器触头 间电弧重燃产生的。为消除这种现象，要选择性能优良的断 路器，在投切控制回路设计也要考虑这一问题。 5.暂态过电流（涌流） 当电容器投入时往往产生充电涌流，在电容器组断开操 作时，断路器触头的重燃也能产生涌流。涌流的幅值、频率、 衰减时间常数与回路的电容、电感、电阻，合闸瞬间电容器 组的充电状态，合闸回路的阻尼电阻等参数有关。在严重情 况下，涌流幅值可达电容器组额定电流的数十倍。涌流一般 能在几分之一的工频周期衰减至零。涌流产生的电动力，可 以造成设备动稳定的破坏，产生不良的电磁干扰和引起继电 保护的误动作。因此，一般采用串联限流电抗，降低涌流的 幅值。 5.电容器组的失压 运行中的电容器如果突然失去电压，对电容器本身并无 损害。但可能产生以下两个后果： （1）如果变电所因电源侧瞬时跳开或主变断开，若电 容器仍接在母线上，当电源重合闸或备用电源自动投入时， 母线电压很快恢复，在电容器上的残压未降到0.1倍额定值 以下时，可能使电容器承受高于1.1倍的额定电压而损坏。 （2）当变电所断电后电压恢复时，电容器不切除，可 能造成变压器带电容器合闸，产生谐振过电压，使变压器或 电容器损坏。此外，在变电所停电后，电压恢复的初期，变 压器还未带上负荷， 母线电压较高，这也可能引起电容器的 过电压，所以电容器因装设失压保护。 一组电容器是由若干台电容器串联而成，主要故障形式是 单台电容器的内部故障。在一台电容器内部发生贯穿性击穿 时，虽内部电流超过本身额定电流许多倍，但电容器组线端 的电流变化不大。装在线端的保护一般很难反应内部故障。 因此，对单台电容器内部故障需装设专用保护。 在一组电容器中，损坏一定数量的电容器后，只要把损坏 的电容器切除，剩余的电容器过电压不超过允许值，电容器 组还可以继续运行。为提高电容器组运行的可靠性，在电容 器内部故障时，保护动作切除的范围越小越好。只有在切除 部分电容器后，剩余的电容器过电压超过允许值时，才将电 容器切除。 三、并联电力电容器组保护的特点 在运行中，为了调节无功功率的输出，电容器组经常投入 或切除。在投入电容器时，由于电容器充电而产生涌流。在 涌流的作用下，电容器的保护装置不应误动作。在发生故 障时，保护动作切除电容器组的同时，应闭锁自动切投控制 装置，防止将故障电容器组再次投入。 为保护单台电容器的内部故障，一般采用熔断器保护，而 引线故障和过电压，一般采用继电器保护。这两种保护的动 作特性不同，熔断器保护具有反时限特性，而继电器保护一 般是采用定时限。要完善电容器保护性能，设计时应统一考 虑两种保护方式的合理配合。防止由于保护特性配合不当而 造成误动作或拒动。 1.熔断器保护方式： （1）由一个熔断器保护几台电容器的分组保护； （2）每台电容器装一个熔断器保护。 2.分组式熔断器保护的缺点： （1）熔断器的额定电流是按所保护的一组电容器额定 电流的1.3～1.52倍来选择的，当一台电容器内部故障时， 故障电流小而熔断器反应不灵敏，不能及时切除故障。 （2）因一台电容器故障，熔断器便切除一组电容器， 有可能使剩余电容器的电压过高，引起继电保护动作切除整 组电容器。 因此不推荐采用分组式保护。 四、并联电力电容器组的熔断器保护 为了进一步缩小故障的切除范围，有的熔断器还带有内 熔丝，即电容器内部每个元件串有一个熔丝。当元件击穿 时，熔丝熔断，将故障元件切除，无故障部分继续运行。因 为熔丝熔断后在外面无明显标记，同时，熔丝不能保护套管 的闪络，所以在装有内熔丝的情况下，一般还有装设单台的 外熔断器保护。 3.用于保护单台电容器的熔断器的基本要求 （1）熔断器的额定电流 应大于电容器的长期允许的 过电流， 可按 下式计算： 式中 ——熔断器的额定电流，A； ——单台电容器的额定电流，A； 1.1——考虑电容器的容量偏差为+10%而取的过电流 倍数； 1.3——按国际标准，电容器长期允许的过电流倍数。 （2）熔断器的安秒特性应与电容器外壳的爆裂概率曲 线相配合。 在同样介质的情况下，由于电弧高温分解出气体数量与 电弧的能量大小有关，即与 有关。当分解出的气体产生 的压力大于箱壳的强度时，可能产生爆裂。 箱体发生爆裂时，I与t的关系曲线称为箱壳的爆裂特性 曲线。实际上，密闭箱壳发生爆裂与许多因素有关，例如箱 壳的原始压力大小、加工质量、钢板厚度是否均匀等。因此 爆裂特性曲线只能给出以某个概率发生爆裂的I与t的关系。 下图给出了美国电容器标准中，25kar和5kar电力电容器的 外壳爆炸曲线%三条爆裂特性曲 线，三条曲线将电流变化范围分成四个区域： 1）安全区，在大多数情况下是安全的。 2）区域Ⅰ，可能会出现油箱裂开的漏油，不会造成大危害。 3）区域Ⅱ，有引起箱壳剧烈爆炸的危害。 4）危险区，大多数情况下将发生箱壳的猛烈爆炸，损坏邻 近电容器，甚至造成更大的二次灾害。 为保证熔断器在箱壳爆裂前切 除故障，应使熔断器的安秒特 性处在安全区，或在任一熔断 电流时的 小于电容器箱壳爆 裂的最小 。 电容器制造厂应给出爆裂概率 曲线，如不能给出爆裂概率曲 线，熔断器也应能保证在电容 器内部击穿50%～70%时，可 靠熔断。 （3）在电容器的充电涌流作用下，熔断器不应熔断，对于 保护电容器的熔断器抗涌流性能，IEC规定： 1）如果电容器有内部或外部熔断器，则断路器操作引 起的涌流幅值应限制在最大100InC（有效值）之内。因为熔 断器的额定电流为电容器的额定电流的1.43倍，所以熔断器 的抗涌流倍数不得低于电容器额定电流的70倍。 2）耐受放电试验时的电流相邻峰值之比y应为0.8～ 0.95。 3）耐受放电试验应包括下面两种效能试验： a、在同一熔丝上，10min之内放电5次，放电频率为f0（Hz） 对于InF≤31.5A的熔丝： f0=1200Um,0～20% 对于InF31.5A的熔丝： f0=800Um,0～20% 上两式中 Um——熔断器的最高工作电压，kV； 0～20%——表示正误差的范围。 b、在同一熔丝上，在制造厂规定的时间间隔中放电100 次，放电振荡频率应为f0=800Um,0～20% （4）电容器放电涌流的计算： 单台健全电容器的放电涌流iy的计算： 故障支路的涌流为： 上两式中 —为涌流的振荡角频率； —并联电容器的台数； R—放电回路电阻； L—放电回路电抗； —工频电流的角频率。 4.熔断器保护的优点： （1）简单可靠，选择性好，能把故障电容器从电容器 组切除，保证了健全电容器正常运行，提高了整组电容器运 行的可靠性。 （2）在特性上容易与电容器的箱壳爆裂特性相配合。 在短路电流大时，熔丝熔断时间短，加上燃弧时间，一般可 在20ms以内将短路电流切除，能有效防止电容器箱壳爆裂。 （3）在熔丝断弧时，其电弧与电容器击穿点的电弧串 联。短路的能量按电弧的电阻分配，从而减少了在电容器箱 壳内释放的能量，也有利于防止电容器箱壳爆裂。 1.工频过电压产生原因 （1）系统出现工频过电压，电容器所在的母线电压升 高，使电容器承受过电压； （2）一组电容器中个别电容器故障切除或短路，串联 电容器间的阻抗发生变化，电容器之间的电压分配比例发生 变化，引起部分电容器端电压升高。 前者称为外过电压；后者称为内过电压。 五、并联电力电容器组的工频过电压保护 2.外过电压保护 通过电压继电器反映外部工频电压升高。电压继电器可 接在放电线圈或放电用电压互感器的二次侧。为了防止电压 回路断线，过电压保护拒动，建议采用三相三继电器接线。 三相电压继电器触点串联去启动时间继电器。为了防止瞬时 出现过电压时，电压继电器动作不返回，应选用高返回系数 的电压继电器作为电容器的过电压保护（返回系统在0.98以 上）。 过压继电器的整定范围为1.1～1.3倍额定电压。动作时 间小于电容器允许的过电压时间。 3.内过电压保护 在一组电容器中，故障切除或短路一部分电容器后，剩 余电容器承受的电压大小与电容器组的接线方式、每组并联 的台数、串联的段数等因素有关。在设计中可采用的接线方 式有三角形接线、中性点接地（不接地）的单星形或双星形 接线等。每相串并联的方式与电容器组的工作电压以及电容 器的总容量有关，因此，内过电压保护的接线方式也很多。 装设内过电压保护的目的是防止电容器组中因个别电容器故 障切除后，健全电容器上的电压超过额定电压的1.10倍。 在一组电容器的各串联段上装设电压互感器，可以监视 电容器两端出现的工频电压。但这就需要许多台电压互感器 和电压继电器，使过电压保护复杂化，在工程中应用得很少。 在实际工程中应用最多的是不平衡保护，原理是检测一 组电容器中，健全部分与故障部分（电流或电压）之间的差 异，将这种差异作为保护的动作 量，其数值大于整定值时， 保护动作切除故障电容器组。 电容器组的接线方式不同，构成不平衡保护的方式也不 同。 （1）对不平衡保护的一般要求： 1）不平衡保护应与熔断器相配合，使之在整组电容器 切除之前，先由熔断器切除故障的电容器。当故障的电容器 切除后，剩余的电容器过电压超过额定电压的110%时，再切 除整组电容器。 2）不平衡检测继电器应有足够的灵敏度，当过电压小 于或等于5%时应发出信号。当单台电容器切除后，剩余电容 器过电压超过110%时应动作跳闸并闭锁自动投切回路。 3）不平衡保护的跳闸延时要恰当，不能太短，要防止 在出现涌流、线路发生接地故障、雷击、邻近电容器组的投 切、断路器三相合闸不同期等情况下保护误动作。延时太长 ，在断相，切除单台电容器数量太多，剩余电容器过电压超 过10%的时间太长，对电容器，互感器等设备造成损害。 4）不平衡检测继电器应考虑防止系统谐波电流或电压 的影响，在有些情况下需要加滤波回路。 5）由于故障、投切操作等原因有可能在中性点处产生 暂态过电压，在中性点的电流（压）互感器应有相应的过电 压保护，其二次回路的控制电缆也应有防御暂态过电压的措 施 6）在单星形或双星形接地的对称位置失去相同数量的 电容器而产生的过电压，不平衡保护不能反应。但这种情况 出现的几率很少。 （2）几种主要的不平衡保护方案 1）中性点不接地单星形接线不平衡保护。 不平衡检测是由一个接在电容器中性点与地之间的电位 检测装置来完成的。 当失去一台电容器时，在中性点产生的不平衡电压可由 下图曲线中查得，也可按下式计算： 剩余电容器两端的电压可按下式计算： 2）中性点接地单星形接线不平衡保护。 不平衡检测是由一台接在电容器中性点和地之间的电流 互感器来完成的。 采用此种保护方案，当失去一台电容器时，中性点产生 的电流可由下图查得，也可由下式计算： 剩余电容器两端电压可由下式计算： 3）中性点不接地双星形接线不平衡保护 常用的有两种方案，即采用电流互感器加过流继电器或 用电压互感器加过压继电器。如下图所示。 此种保护方案，中性点间不平衡电流及不平衡电压按下 式计算：（不平衡电流也可由下页曲线查得，不平衡电压确 定与单星形接线相同。） 剩余电容器两端电压可由下式计算： 4）中性点接地双星形接线不平衡保护 两星形部分的中性点通过各自的电流互感器之后再汇合 到一点接地。电流互感器二次侧采用 差接之后接到一只过电 流继电器上。不平衡电流及剩余电容器上过电压的计算与中 性点接地的单星形接线相同。 不平衡保护的设计，除了在接线和设备的选择上需认真 考虑之外，正确的估计和消除不平衡回路的误差，对提高不 平衡保护的灵敏度和可靠性非常重要。不平衡回路的误差主 要是由于系统电压不平衡或由于电容器的制造公差。这种误 差可能引起不平衡保护的误动或拒动。下表给出了这种误差 的计算公式。 5）带有固有不平衡补偿的中性点不平衡保护 为了检测失去一台或两台电容器时在中性点产生的不平 衡电压，消除固有误差产生的不平衡很有必要。在大容量电 容器组的不平衡保护中，有时要采用补偿回路，补偿不平衡 回路的误差，提高保护的灵敏度。下图就是这种方案。 装设过电流保护的目的是作为电容器的引线、套管的短 路故障保护，也可作为电容器内部故障的后备保护。过电流 保护接在电容器组断路器回路的电流互感器二次侧，通常分 为速断和过流两段。速断段的动作电流按在最小运行方式下 引线相间短路、保护灵敏度大于2来整定。动作时带有0.1～ 0.2的延时，躲过电容器的充电涌流。过流段按大于电容器 组的最大长期允许电流整定。 建议两段电流保护均 采用三相式接线，以求获得较高 的灵敏度。过电流保护动作于电容器的断路器跳闸。 六、并联电力电容器组的过电流保护 失压保护由低电压继电器构成，可接入母线电压互感 器，也可以接在放电线圈或放电电压互感器二次侧。失压保 护的整定值既要保证在失压后电容器尚有残压时能可靠动 作，又要防止在系统瞬时电压下降时误动作。一般电压继电 器的动作值可整定为0.5～0.6倍额定电压。动作时间应大于 重合闸时间，可取0.5～1s。 为防止因电压回路断线保护误动作，失压保护可采用三 相三继电器接线方式，三个低电压继电器的接点串联去启动 时间继电器。在一段母线上有几组电容器的情况下，可共用 一套失压保护，母线失压时，切除各组电容器。电力电容器 组的继电保护接线如下页图。 七、并联电力电容器组的失压保护 1.谐振和谐波的影响 一组并联电容器组与系统的电感元件构成了一个谐振回 路，在电容器组投切时，就会产生谐振。产生的过电压和过 电流有可能引起有关回路中的电气设备如断路器、避雷器、 互感器等设备的故障。特别是投切电容器中，如断路器多次 重燃，谐振发生地可能性就更大。谐振还可能引起其他设备 的继电保护不正确的动作。 电容器组还可能在系统其他地方产生的谐 波作用下发生 谐振。这种情况使电容器组产生串联或并联谐波。为了限制 这种谐波，应装设滤波装置，也可采用额定电压较高的电容 器、串联电抗器或改变电容器组的容量来解决。 七、并联电力电容器组对其他设备保护的影响 2.涌流的影响 在某些场合，涌流可能在系统其他部分产生有害的共振 效应，在控制电缆上产生危险地感应冲击过电压，对附近通 信设备产生噪声干扰。通常用加串联电抗器来限制涌流的幅 值，电抗器的电抗值一般为电容器容抗的1%～12%。虽然电 抗值很小，但限制涌流的作用很明显。 中性点直接接地的电容器组，投入涌流中的三倍次谐波 分量要经中性点入地，有可能对二次设备产生干扰，故中性 点接地电容器组及其他能传输高频暂态电流入地的设备，都 应远离主控制室和电缆沟道。

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