摘要：电容器保护的配置及整定对保证主设备和系统的安全至关重要,本文介绍了1000 kV晋东南-南阳-荆门交流特高压试验示范工程的低压侧电容器接线及保护配置情况,分析和探讨了示范工程低压侧电容器保护配置方案、整定、应用原则及整定中应注意的问题。在整定计算时应充分考虑保证电网主设备和系统安全这一重要原则,对后备保护进行合理配置和正确的整定。

　　关键词：交流特高压试验示范工程;保护配置;整定;电容器

　　1　引言

　　1000 kV 晋东南—南阳—荆门交流特高压试验示范工程是中国第一个特高压工程，且是目前世界上仅有的以额定电压长期运行的特高压工程，该示范工程自2008年12月30日22时通电试运行，其后将有六横四纵的特高压电网发展战略规划。因此试验示范工程设计、建设及运行的成败将在很大程度上影响到后续特高压电网的建设，意义重大[1]。对该工程110 kV低压侧电容器保护的配置及整定，目前还没有标准及整定规程可依据。本文介绍了110 kV电容器接线及保护配置情况，分析和探讨了该工程电容器保护配置方案、整定、应用原则及整定中应注意的问题。

　　2　110 kV电容器接线简介

　　长治站低压侧设备区(本期)电气一次主接线如图1所示，在主变压器低压侧装设4组210Mvar电容器，分别引接自两段110kV母线，并通过两组开关引接至主变低压侧出线所连接的110kV母线上。图1中1101、1102、1112-1115、1121-1123为110kV断路器。

　　其中1113C、1121C号电容器组型号为TBB110-216500/501-AQW，其串抗电抗率为12%，主要用于抑制3次及以上谐波，电容器组相电压136.4/√3kV，额定容量为216.5Mvar，电容器单元额定容量501kvar，额定电压6.56kV，额定电流76.37A，额定电容37.06μF;1114C、1122C号电容器组型号为TBB110-200500/464-AQW，其串抗电抗率为5%，主要用于抑制5次及以上谐波，电容器组相电压126.32/√3kV，额定容量为200.5Mvar，电容器单元额定容量464kvar，额定电压6.08kV，额定电流76.32A，额定电容39.96μF。两型号电容器组均采用单星双桥差中性点不接地接线方式。由于串联电抗器的电抗率不同造成了容量的差异，当扣除串抗的作用后，对外补偿效果的一样，接线统一、设备互换性好，保护的定值也配置相同。

　　长治站电容器组采用分相布置，每相两个塔架(又称双塔)结构，单相连接为12串12并，由144台电容器单元组成;每个塔架接线6串12并，共6层，每层12台电容器，侧卧布置。两塔连成H型接线。

　　每塔由三个绝缘平台组成，每两层电容器框架直接连接构成一个绝缘平台，绝缘平台间用35kV支柱绝缘子支撑。自上而下第1与第2层、第3与第4层、第5与第6层构架直接连接，构成三个绝缘平台;第2、3层间、第4、5层间用35kV支柱绝缘子支撑，层间最高工作电压为13.8kV(电抗率12%)和12.8kV(电抗率5%)。每个塔架最底层对地用145kV绝缘子支撑。每层电容器台架两侧处有2个接地引线接头供检修时用于接地。装置电容器组在左塔和右塔第3、4串间位置的两臂之间接二个CT，构成单星形双桥差不平衡电流保护。以保护电容器组内部故障时不平衡保护在1.3倍元件过电压倍数条件下有足够的可靠性。

　　另外，低压侧并联电容器组还包括：过电压阻尼装置、避雷器、接地开关等，而过电压阻尼装置和避雷器则是为限制操作过电压而与并联电容器配套使用的。

　　3　110 kV电容器保护配置及整定原则
　　荆门站和长治站的电容器保护采用微机型，由带短时限的电流速断保护、过电流保护、过电压保护、过负荷保护、低电压保护，双套桥差不平衡电流保护组成。

　　3.1　时限电流速断保护
　　带短延时动作，跳开本回路断路器。速断保护电流定值按电容器端部引线故障时有足够的灵敏系数整定，根据电容器一次侧等效阻抗和110kV系统小方式下等效系统阻抗，按照三相电容器端在最小运行方式下发生两相短路时，保护具有足够灵敏度(不小于2)来整定，整定值为3～5倍额定电流。

　   3.2　过电流保护
　　带短延时动作，跳开本回路断路器。过电流保护电流定值应可靠躲电容器组额定电流，整定为1.5倍额定电流。保护动作时间整定为0.9s，从图2可以看出，能可靠躲过合闸涌流的影响，同时也和主变低压侧复合电压闭锁过流保护配合。

　　3.3　过电压保护
　　带定延时动作，动作时间定为9s，跳开本回路断路器。由于电容器的设计场强远高于其它电器设备，因此电容器是对电压高度敏感的设备。当系统中电压超越电容器的额定电压值时，将导致电容器内部介质耗损增加，产生过热而加速绝缘老化、降低使用寿命，严重时可能使介质击穿，并发重大事故。根据国家标准规定[5]，电力电容器应能在1.1倍工频稳态过电压下长期运行;1.15倍工频稳态过电压下，每24小时运行30min;1.2和1.3倍工频稳态过电压下允许持续运行各为5min和1min。过电压保护定值应按电容器端电压不长时间超过1.1倍电容器额定电压的原则整定，且宜有较高的返回系数。目前60Mvar及以下容量的电容器装置，元件过电压倍数多选择1.3，这既能满足国内外电容器的制造水平要求，也能保证电容器的安全。

　　然而当初在确定低压侧电压等级的时候，考虑到若低压侧选用66kV为其额定电压，则电容器组用断路器就很难选;若选用110kV为其额定电压，则必须选用大容量电容器组用断路器;若选220kV 为其额定电压，则电容器组用断路器问题就较易解决。但从变压器制造而言，选220kV为第三绕组则制造难度最大，110kV次之，66kV最易。因此，综合考虑选用110kV为变压器的第三绕组电压等级，低压侧瓷柱式断路器额定电压为126kV，电容器额定电压为126.32kV(5%串抗)或136.4kV(12%串抗)。配置电容器补偿装置较为合理，仅需在断路器选用上考虑有足够的电流容量，同时还应尽可能地提高其分、合闸速度。目前开关厂家承诺：可以满足在140kV下开合背对背电容器组电流1600A~2000A，开合单组电容器电流3600A~4000A，开合电抗器电流1600A~2000A，不承诺在更高电压等级下可靠的切除电容电流。电容器是对电压高度敏感的设备, 电容器厂家只承诺满足GB /T 11024标准，即1.1倍额定电压下24小时内运行时间不超过8小时。因此过电压保护必须小于140kV，可取1.1倍额定电压[2]。

　　由于1000 kV设备为国内首次研制，设备在系统电压超过最高运行电压1100 kV情况下耐受工频电压的时间没有明确的标准规定。1000 kV设备合同对设备耐受工频电压能力提出了要求，但为确保特高压首台首套设备的安全运行，增加了稳态过电压控制装置，当任何一个变电站/开关站的2组1000kV开关三相跳开后，或者任何一个变电站/开关站的线路稳态过电压超过1150kV达0.5s，则通过通信通道发信号跳开其他两站所有的1000kV开关。各站收到跳闸信号后，先跳开本站所有1000kV开关，再跳开110kV侧所有电容器。因此电容器的过电压保护定值，还必须和百万伏线路的稳态过电压控制装置过电压保护定值相配合，防止在稳态过电压控制装置动作前动作。

　　运行中只能从110kV 母线TV测量电压，含5%串抗电容器的额定电压为126.32kV，含12%串抗电容器的额定电压为136.4kV，扣除串抗的补偿作用后，在母线侧电压均为120kV，按1.1倍额定电压整定为132kV，延时9s。

　　3.4　过负荷保护
　　为反时限特性，以便和电容器的过载特性近似匹配，经延时动作于信号。过负荷保护需满足GB /T 11024标准，选择式(1)特性的反时限动作曲线，         
　   3.5　低电压保护
　　带短延时动作，跳开本回路断路器。低电压定值应能在电容器所接母线失压后可靠动作，而在母线电压恢复正常后可靠返回，整定为0.6倍110kV母线标称电压。保护的动作时间与本侧出线后备保护时间配合。投入电流闭锁判据，防止PT断线时低电压保护误动。

　　3.6　双桥差不平衡电流保护
　　一段告警、二段跳开本回路断路器。(电流互感器为2/1A、0.5级)。每相由2个保护装置共同构成。特高压电容器组单组电容器台数达432，电容器元件达23328个，保护装置要在23328个元件中分辨出1～2个元件故障，分辩率是否能满足保护可靠性的要求将决定电容器组是否能建立起防止事故蔓延的安全防线。因此，110kV电容器采用内熔丝保护方案。电容器采用桥差不平衡电流保护，既摆脱开口三角不平衡电压保护和相差不平衡电压保护使用放电线圈安全性的困扰，又比双星不平衡电流保护提高了一倍的灵敏度。为避免不平衡保护存在对称位置故障的拒动，在跳闸之前增设一级报警，一旦确定有熔丝动作则告警，以便及时安排检修，这在超高压换流站的大型电容器组中已经普遍采用。

　　当对特高压电容器组按常规桥差进行两段式保护整定计算时发现：即使把电容偏差降至最低，保护整定值仍无法通过初始不平衡校验。更何况在实际应用中，一方面需将电容器装置的实际容差控制在尽可能小的范围内，另一方面在可保证保护灵敏度和可靠性的条件下，需将保护计算的初始容差控制值尽可能选大，使保护计算的初始容差与实际容差之间留出一个容差间距，这个容差间距一者用于补偿运行条件的差异形成的电容变化，二者用于电容器故障后更换造成的电容变化，从而给运行维护带来便利。有效的办法是减少桥差接线中电容器元件总串联数。因此采取把电容器组的一相从上到下一分为二的办法，由原来的一个桥形接线改成两个桥，通过有效减少一个桥形接线中的元件总串联数使整定值成倍提高，并使不平衡保护整定值通过初始不平衡值校验[3]。

      IEEE率先为内熔丝电容器组和无熔丝电容器组保护建立了较为完整的指导性文件[4]，我国目前较新、较权威的电容器标准对于内熔丝电容器单元本身作了技术要求[5]，外熔丝的配置仍是针对大部分电容器。制造厂至少应根据下面3种情况提供内熔丝的最大开断根数：有可能出现弧光短路或箱壳爆破时;有可能超过元件的暂态过电压能力时;健全单元稳态过电压高于1.1Un时。不平衡电流跳闸值按如下方法整定：如果电容器制造厂推荐最大内熔丝动作根数为D(满足单元稳态过电压<1.1Un要求)，为了保证不平衡保护动作的可靠性，跳闸动作值要定在第D-1根内熔丝动作不平衡电流与第D根内熔丝动作不平衡电流的中间值。不平衡跳闸延时应躲过涌流、系统接地、相邻设备的投切、合闸不同期，而且应当缩至最短，以使极对壳击穿或内熔丝失效时箱壳爆破的可能性最小化，整定为0.2s。不平衡保护告警定值按内熔丝开断2～3根整定，以防止对称性故障导致的拒动。在电容器桥差2个分支发生相同损坏情况下，不平衡电流的故障分量为0，仅仅随着穿越电流的变化而发生变化，因此报警定值所依据的内熔丝开断根数不宜太大。详细计算结果(二次)如表1所示。

　　电容器投运时，需要对双桥差的两个分支的电容进行调整，使其尽可能相同，但是也不能完全消除其间的差别，不可避免地出现不平衡电流，同时在直流滤波器正常工作过程中，温度、阳光等外界环境参数会改变电容的大小，导致不平衡电流的产生。从表1可以看出，初始不平衡误差达到报警定值的33%，当初始不平衡误差达到报警定值的50%时，应采取措施校正消除电容器组和系统产生的初始不平衡。目前在高压直流系统中交、直流滤波器不平衡保护可以补偿这种初始不平衡电流(基于补偿之后的不平衡电流的保护称为暂态不平衡保护，没有经过补偿的不平衡电流的保护称为稳态不平衡保护)，而在交流系统电容器保护中还没有得到广泛的应用，因此建议保护厂家完善这方面的工作。

　　 4　结束语
　　本文对1000 kV 晋东南—南阳—荆门交流特高压试验示范工程110 kV电容器保护配置方案、整定及应用原则等有关问题进行了分析和探讨。110 kV电容器保护的配置及整定对保证系统和主设备的安全稳定运行很重要，电容器过电压保护和双桥差不平衡电流保护的整定具有一定特殊性。