第四章 电容器的继电保护技术

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电力系统继电保护新技术与故障检验调试电力主设备继电保护新技术

第四章 电容器的继电保护技术 第一节 双星形接线的电流平衡保护 电力电容器保护概述  在电力系统中，绝大多数的输配电设备(线路、变压器等)和用电设备(异步电动机、电磁设 备、电子设备等)都是电感性元件，系统电源必须向这些感性元件提供大量的感性无功 功率才能使它们正常工作。但是这些无功功率仅靠发电机来提供是远远不够的。而且，当发 电机距离电感性设备元件较远时，由于大量无功功率的输送，将会增加网络传输电能损耗。 因此，必须采取一些措施，就地平衡感性无功功率，使电网能安全、经济地运行。

目前，在电力系统中常采用两种方法为：采用同步调相机，一般装在一次变电站；另一种采 用电力电容器就地或集中补偿无功功率。补偿无功功率的电力电容器，也称并联电容器或移 相电容器，一般安装在二次变电站和用电设备处。 电力电容器与其他系统设备一样，在运行中，由于外部的以及装置内部的原因会发生各种故 障，可能发生的故障有：电容器组的引线相间短路；电容器组的接地故障；电容器内部元件 的击穿等故障。还可能有一些不正常运行状态：电网电压太高，使电容器处于过电压下运行 ；由于电容器组接线方式的原因，在电容器组中部分电容器退出运行，造成其余正常运行的 电容器组中部分电容器处于过电压下运行；由于电源中高次谐波的影响，使电容器过电流运 行等。有些故障对电网的安全运行构成很大的威胁，如电容器由于内部元件故障引起箱壳爆 裂并引发火灾造成扩大事故等。所以必须对集中安装的电容器组装置加装各种保护，以确保 电容器装置及整个系统的安全运行。 目前，电力电容器组保护都采用熔断器与继电保护相配合的方式。对相间故障采用过电流保 护装置。(速断、延时过流)；对单相接地故障采用零序电流保护装置。对电容器内部元件击 穿故障以及退出部分电容器所造成的过电压，采用的保护方式较多，对一次为单星形接线的 有桥差电流保护、开口三角电压保护、零序电压保护以及相电压差动保护；对一次为双星形 接线的有中性线电流平衡保护、中性线电压平衡保护；对 一次为单三角形接线可采用另序电流保护；对一次为双三角形接线可采用横差电流保护。熔 断器作保护单台电容器保护。对电网电压过高可采用过电压保护。 工作原理 

双星形接线的电容器组原理图见图4.1.1所示。按所需安装的电容器总容量，平衡地分配在 两组 电容组中，即I组总电容量应等于Ⅱ组总电容量，而每一组星形的总电容量又必须平均分配 在各相(称各臂)。每一臂电容都可以根据电网电压以及所需容量的大小采取先并联后串联的 方式，其中字

〖请看图片D27，+75mm。60mm，BP#〗 图4.1.1 双星形电容器组接线图 〗 母“ M”代表电容器的并联数，“N”代表电容器的串联段数。在以下的 计算、分析 中，将有M台电容器并联组称为一个段，即每臂有M并联、N段串联组成。 TA为继电 保护及仪表指示用电流互感器，装于双星形中性线(由于中性线的阻抗很小，实际计算中可 以忽略，因此可将该线看作一个节点，故亦称中性点)上的电流互感器用于电流平衡保护。L 为各相串联电抗器，

U · AN、 U ·  BN、 U · CN为各相电源电 压，FU为单台电容器熔丝保护。

正常运行时，由于在安装时就做到各组、各相、各臂的电容量相等，这样在中性线上就没有 电流通过。当电容器内部元件发生击穿故障或部分电容器退出运行时，双星形中性点就会产 生位移，并在中性线上产生不平衡电流。中性点电流平衡保护就是利用这一特点工作的。中 性点电流平衡保护接线简单，使用的设备较少，而且保护的灵敏度较高，在电容器保护中得 到了广泛应用。

现就中性线电流的大小与电容器发生击穿故障以及部分电容器退出运行之间的关系进行具体 的分析、计算。

双星形接线发生电容器内部元件击穿故障计算方法 

单台电容器内部都具有一定数量的单个电容器(称其为内部元件)先并联后串联而组成。当内 部某一元件被击穿时，将造成该并联串所有电容元件短接，所以在具体计算时，只计及电 容器内 部元件的串联数，而不考虑内部元件的并联数。击穿数对原整个内部元件的串联系数比称为 击穿系数 λ。当λ=0.5代表50%击穿，当λ=1时代表电容器已贯穿性击穿。  (1)当一个电容器臂中一台电容器内部击穿时，双星形的中性线上不平衡电流为

I · ub = 3 λ 6 N［1+(1-λ)(M-1)］-5λ I · AN = 3λ 6 N［M(1-λ)+λ］-5λ I (1)

式中 I · AN——正常运行 时，每个星形臂电流。 当 N=1时

I ·  ub = 3 λ 1+(1-λ)(6M-1) I · AN  = 3λ 6M(1-λ)+λ I · AN (2)

(2)当某一台电容器内部元件击穿时，通过该台电容器的故障电流为 I ·  K = 6 N 6N［1+(1-λ)(M-1)］-5λ · I · AN  = M I · N M(1-λ)+λ- 5λ 6N (3) 其中 I ·  AN= M I · N 

式中 I · N ——单台电容器的额定电流。 当N=1时有

I · K = 6 M 1+(1-λ)(6M-1) I · N  = 6 M I · N 6 M(1-λ)+λ (4)

(3)双星形接线电容器组退出部分单台电容器后的电气量计算。退出部分电容器以后，会造 成某些正常运行电容器的过电压，退出台数以K代表，而在实际计算分析中，通过计算可得 退出 K台后的过电压最严重的是节电压，因此下面分析的过电压以节电压 为计算结论。

①当退出部分电容器后，中性线上不平衡电流为

I ·  ub = 3 K (M-K)(6N-5)+5M I · AN  = 3 I · AN 6N M K -1 +5 (5)

I · ub = 3 K 6M-K I AN = 3 MK 6M-K I · N= 3 I · AN 6 M K -1 (6) 

②当退出K台后运行电容器节电压计算。

U K = 6MN 6N(M-K)+5K U N，C (7)

式中 U K ——退出 K台 电容器上的故障后电压； K ——在一组星形一个臂上一个串联段内退出的单元数；

U N，C ——电容器的额定电压。

当电容器额定电压 U N，C与运行实际电压为一致 时，可用上述计算； 当运行电压低于 U N，C时，可采用最高可能产生 的运行电压代入计算。 当 U K U N，C =1.1作为极限时， K的极限计算为 K≤ 0.6 MN 〗 6.6 N -5.5 (8)

由式(8)即可计算电容器组中在一个臂的一个节上，退出 K为多少台时会 出现达到1.1倍 过电压值，也即在已定并联数M，串联数N之下求出K为多少时会出现节电压达到过电压。

通过以上的计算、分析，可以了解电容器发生内部元件击穿故障以及部分电容器退出运行时 ，双星形接线中性点不平衡电流大小。同时，提出了当电容器组发生故障时，退出部分电容 器后的电容器运行中过电压的问题。双星形接线中性点电流平衡保护在两组电容器中同相同 臂发生均等电容器故障时，将失去保护作用，这是该保护的一个缺点。 为了提高单台电容器熔丝保护以及中性点电流平衡保护的灵敏度，电容器组的一次接线应采 取先并联后串联的方式，如图4.1.2所示。 〖请看图片D28，+45mm。60mm，BP#〗 图4.1.2 电容器双星形一次接线方式 (a)先串后并方式；(b)先并后串方式 〗

在图4.1.2(a)所示的接线方式中，当某一电容器( C f)内 部元件发生击穿故障 时，通过故障串的电流为 I cf= U/2 X C,而正常串 的电流为 I C= U/3 X C，所以 I  cf/ I C= U/2 X C U/3 X C =3/2或 写成 I cf=1.5 I C，即通过故 障电容器的电流为正常时电流的1.5倍。如按图4.1.2(b)所示的接线方式，当电容器 C  f击穿时，通过正常电容器的电流各为原来电流的1.5倍，则通过故障电 容器的电流 I cf=3×1.5 I  C=４.5 I C， 即通过故障电容器的电流为正常电流的4.5倍。从以上的分析可知，按先并后串的方式，可 以在电容器发生故障时明显地加大了通过单台电容器熔丝的电流，使熔丝保护提高了保护的 灵敏度。 双星形接线电容器组构成的零序电流平衡保护接线 

由于双星形接线电流平衡保护的灵敏度很高，所以用一套电流平衡保护很难与单台电容器 的保护熔丝相配合。当电容器发生内部元件部分击穿故障时，继电保护往往在熔丝熔断之前 就动作跳闸，这样给现场运行维护人员的检修工作带来了不便。为了解决这个矛盾，可以采 用二套(或称二段式)电流平衡保护来实现与单台熔丝保护的配合。具体接线如图4.1.3所示 。

〖请看图片D29，+45mm。75mm，BP#〗 图4.1.3 双星形接线电流平衡保 护展开图 〗 图4.1.3中交流回路由电流互感器TA1、电流试验端子XB、电流继电器KA1和KA2组成。一般来 说电 流互感器是能够满足二次负担不超过10%误差要求的，因此，只需使用继电保护专用的电流 互感器二次绕组，将另一组仪表用电流互感器二次绕组短接。KA1用于I段继电保护，KA2用 于Ⅱ段继电保护。

直流回路由两个时间继电器和两个信号继电器以及连接片组成。其中时间继电器KTM1用于第 I段继电保护的延时，时间继电器KTM2用于第Ⅱ段继电保护的延时。KTM1可以使用DS-112型 时间继电器，由于第Ⅱ段继电保护的时延较长，电磁机械型继电器已难胜任，所以可以采用 高精度时间继电器。信号继电器KS1、KS2分别用第I段及第Ⅱ段继电保护，信号继电器可以 采用常规的型式即DX-11型。

当电容器发生故障并达到整定值时，电流继电器KA1或KA2动作，“+”电源通过触点KA1或KA 2启动时间继电器。当达到整定时限，“+”电源通过KTM1或KTM2、信号继电器电

流线圈以及 连接片XB(跳闸压板)出口跳闸。当电容器内部发生贯穿性故障时，首先单台熔丝应起作用熔 断，如果不熔断，则由中性点电流平衡保护第I段切除(短延时)，如果电容器内部是非贯穿 性故障，则按故障程度由熔丝或中性点电流保护来切除故障。 图中LT为断路器跳闸线圈，QF为断路器辅助触点。

整定基本方法 

对电力电容器内部元件击穿故障实现保护，一般都采用单台熔丝保护和继电保护相配合原则 。当电容器发生故障时，单台熔丝应该首先熔断，将故障电容器退出运行，一方面切断故障 点 ，另一方面由于熔丝熔断后有明显标志而便于检查维修。熔丝保护的可靠性较高，但在实 际 使用中也会发生一些问题；由于熔丝元件熔断时不能及时断弧、熔丝管在经电弧电流作用下 发生爆炸等，这些问题都有可能造成相间故障事故。因此，配置反应电容器内部元件故障的 继电保护，还应在熔丝失去保护时起作用。在本节计算中已谈到，当熔丝保护正确动作切除 部分电容器后，运行中的非故障电容器将承受过电压。在过电压倍数不是很大时，即使过电 压达到或超过了1.1倍电容器允许的水平，而电容器或熔丝通过的电流达不到熔断值，但电 容器却不允许长时运行，因此，继电保护就应该延时动作，将过电压电容器组退出运行。 从上述情况来看，继电保护的整定不仅要从电容器组发生故障情况出发，而且还需考虑与单 台熔丝保护特性尽可能相配合，才能体现保护适合的作用。 (一)熔丝保护的配置

当电力电容器在允许最高工作电压下运行时，由于电网高次谐波的影响而造成电容器过电流 。根据制造标准规定，当通过电容器的电流有效值达到电容器额定电流值的1.3倍时，电容 器仍能长期运行，同时，由于电容器容量允许有-5%～+10%的误差，所以在配置单台熔丝保 护时，应考虑以上两点因素，即 I FU>1.1×1.3 I 〗N=1.43 I N

实际单台电容器熔丝保护的额定电流 I FU取为  I FU=1.5 I N (9)

式中 I FU——单台电容器熔丝保护的 额定电流； I N——单台电容器额定电流。 

按单台电容器熔丝制造规定要求，熔丝熔断的安秒特性应满足1.5 I FU约75s左右熔断，21 I FU 约7.5～8s。根据式(9)得 1.5 I FU=1.5×1.5 I N=2.25 I N，tr≤75s 2 I FU=2×1.5 I N=3 I N，tr≈7.5～8s (10)

根据式(10)计算依据，就可从一般概念上来分析熔丝熔断特性与电容器击穿系数λ之间的关 系。

由式(9)与式(10)，可按已分析的式(3)、式(2)等式进行相应的计算。 (二)中性点电流平衡继电保护整定方法 1.继电保护整定应考虑的问题

(1)当熔丝能在电容器箱壳耐爆安全时间内熔断时，继电保护的动作时限可慢于熔丝熔断时 间。这样选择的目的是为了便于运行人员能及时发现故障并加以维修。当所使用的熔丝由于 某些原因不能在安全时间内切断故障电容器时，继电保护必须动作，以防事故扩大。电容器 耐爆安全时间可以参考有关规定，也可向电容器制造厂家索取。一般目前国内制造厂已定的 规定，按1.5 I N选择单台电容器熔丝元件，是可以 达到耐爆安全时间要求的。 (2)从计算式分析可见，当击穿系数 λ较小，以M=5，N=1为例，当击穿系数 λ为0.6左右 时，故障电容器通过的故障电流 I K=2.38 I N处在略大于 2.25 I N的边界， I

ub=0.714 I N,必然熔断时间很长，继电保护时限也就取得较长，要达到几分钟才能与熔丝配合。从故 障的计算公式中可以看到，随着击穿系数λ的增大，通过中性点以及故障电容器的电流将急 剧增大，当 M=5、N=1时、λ=1的 I K=30 I N

， I ub=15 I N，此时熔断时间的毫秒级熔丝熔断 时间明显缩短。在 λ=1时，故障电流的增大同时也给箱壳的耐爆性能增大了 威胁，因此，为防止事故扩大，继电保护的动作时限必须要短些，因此，可以 采用Ⅱ段式继电保护方式，通过不同的电流、时限整定来满足保护要求。 2.继电保护整定方案

根据以上的讨论，对双星形接线中性点的另流平衡保护的整定，可以按以下几点方案进行。 

(1)单台电容器熔丝额定电流按 I FU=1.5 I N选取熔丝元件。

(2)零序电流平衡继电保护可以按Ⅱ段式电流保护方式进行整定。第I段为短延时电流保护； 第Ⅱ段为长延时电流保护。

①第I段。以击穿系数 λ近于1时中性点的电流值为计算条件，中性点电流按 式(2)计算。由 于电容器在运行中，可能遇到电网电压降低，电容器组安装容量不一致造成的中性点不平衡 电流等影响，所以灵敏度可取 K sen=2。 继电器的一次动作电流为：

K K，act= I  ub/ K  sen= 1 2 I  ub (11)

动作时限应根据 λ=1时，熔丝熔断时间来确定，继电保护的时限可以比熔丝 熔断时间 稍长些。比如，λ=1时，熔丝熔断时间 t FU≤0.03s， 则保护时间可取 t= 0.15s左右。保护动作时限的选择应符合 国家规定的电容器耐爆条件。

第I段中性点电流平衡保护，不能作为部分电容器退出运行后的过电压保护。 ②第Ⅱ段。继电器动作电流可按以下二点计算：

a.按躲过电容器组正常运行时的最大不平衡电流计算，即

I K，act≥ K rel  K ub I  N (12) 式中 K rel——可靠系数取1.15～1.2 ；

K ub——正常运行时，中性点不平衡电流系数 ，取0.025； I N——每相电容器额定电流(指二组电容器 的全电流)。 

b.按 λ=0.6(内部元件五串)或λ=0.75(内部元件四串)时的中性点不平衡电 流 I′ ub计算，即

I K，sen≤ I′ 〗ub / K sen= I ′ ub/1.2 (13) 式中 K′ sen——灵敏系数取1.2。

取以上计算值的中间值为继电器的一次动作电流。 第Ⅱ段保护的动作时限应于1～3min内选择。

第Ⅱ段保护起到退出部分电容器后的过电压保护作用，因此，须校核切除 K 台后，在运行过电压下，电容器组能否被切除。 3.例题

在35kV降压变电站的10kV侧母线上安装总容量为3000kvar并联补偿电容器，双星形接线，每 一组为1500kvar，每组中一相(每臂)为500kvar。设备选 用：单台电容器为100kvar，额定 电压11/ 3 kV允许长期运行最高电压为11/ 3 ×110%=12.1/ 3 kV电容器内部元件为4串，每臂并联5台即 M=5，N=1；每相串联 电抗器的 额定电抗为 X L=0.4032Ω，10kV母线最高运行电压为10.7k V最低运行电压为1 0kV。采用双星形中性点电流平衡保护，第I段为短延时，第Ⅱ段为长延时。中性点电流互感 器变比为20/5。电容器还采用单台熔丝保

护。

计算如下：

(1)单台电容器额定电流为

I N= Q N U N = 100 11/ 3 =15.75(A) (2)单台电容器容抗为

X N= 11000/ 3 15. 75 =403.2(Ω) (3)正常时每臂容抗为

X s= X N M = 403.2 5 =80.64 (Ω)  (4)正常时每相容抗为

X= X s 2 = 80.64 2 =40.32(Ω) 正常时每相额定电流为

I A= Q N/ 3 U=3000/ 3 ×11=157.5 (A)

(5)电抗器的主要作用是限制谐波电流与合闸时的涌流，由于电抗器的电抗很小，对电容器 内部元件故障时中性点不平衡电流的影响不大，所以在本例计算时将电抗器电抗近似视为零 。

(6)单台电容器的熔丝保护。根据式(9)得

I FU=1.5 I N=1.5×15.75=23.63(A) 取额定电流为24A熔丝或25A的熔丝。 (7)第I段中性点电流平衡保护计算。

①当击穿系数λ=1时，流过中性点的不平衡电流计算，按式(1)计算 I ub = 3 λ 6N［1+(1-λ)(M-1)］-5λ I 〗AN = 3 λ 6［1+(1-1)(5-1)］-5 15.75×5=236.25 (A)  ②继电器动作电流为

I K，act≤ I ub K sen n TA = 236.25A 2×20/5 =29.53(A)

由于最低运行电压为10kV比11kV低9%。因此 I K， act值也相应降低9%，即为26.85A。

③当 λ=1时，流过故障电容器的电流由式(3)计算 I K = 6 N 6N［1+(1-λ)(M-1)］-5λ I  AN =6×15.75×5=472.5(A) 

考虑到最低运行电压为10kV，相应故障电容器全击穿时通过的故障电流为430A，此时 如采用24A熔断器，型号为BR2-10/50P型，其熔断时间约为65～70ms。而此时流入零序电流 平衡保护的一次电流为215A以上，大大高于动作电流118A，能使零序电流平衡保护可靠动作 。

④零序电流平衡继电保护动作时限取 t I=0.12～0.1 5s即可。 (8)第Ⅱ段中性点电流平衡保护。

①取击穿系数λ=0.75(内部元件击穿3串)时，中性点不平衡电流计算可参见式(2)，作如下 计算

I ub = 3 λ 1+(1-λ)(6M-1) I AN = 3×0.75 1+(1-0.75)(6×5-1) ×15.75×5 =21.5(A) 

②电流继电器动作电流按式(12)计算如下

I K，act≥ K rel K ub I  N/ n TA ≥1.15×0.025×157.5÷20/5=1.132 

按式(13)计算则有

I K，act≤ I  ub K sen n TA = 21.5 1.2×4 =4.48(A) 如果运行电压为10kV时，相当于降低9%，因此，按此式计算中的4.48A可改为4.08A。

保护继电器实际电流取 I K，act=2.5A

③当击穿系数 λ=0.75时，通过故障电容器的电流，由式(4)计算为 I K = 6 1+(1- λ)(6M-1) ×15.75×5

= 6 1+(1-0.75)(6×5-1) ×15.75×5=57.3 (A) 

由上计算可见在 λ 为0.75时，流过故障电容器的单台熔丝电 流为57.3A，如果运行电压降到9 1%时此电流值约为52A水平，此时，故障电流和熔丝额定电流之比为52/24=2.17倍，因此， 其熔断时间肯定小于75s～80s水平，按特性曲线查得为10s内熔断。 ④第Ⅱ段另流平衡继电器动作时限取 tⅡ=60 s。

⑤核对当退出 K台电容器后第Ⅱ段电流平衡保护动作情况：

a.计算在运行电压为10. 7 kV时当退出 K台电容器后的电容器过电压情况。计算 可参照前述式(7)计算如下。 K=1,此时有

U K = 6 MN 6N(M-N)+5K U n，c  = 6×5×1 6×1(5-1)+5 ×10.7 =11.068(kV)  K=2，此时有

U K= 30 28 ×10.7=11.46(k V) K=3，此时有 U K=11.9(kV)

由 K =1～3计算可见，故障臂中电容器退出3台后在最高运行 电压为10.7kV时，还达不到1.1× 11后的过电压退出要求，而只有当最高运行电压为11kV时，才要求退出整组电容器。因此极 限系数 K=3。

b.核算在第Ⅱ段电流平衡保护动作电流启动时的退出台数K 为多少，可由式(5)计算 I nk= 3 I AN 6 N M K -1 +5 = 3×5×15.75 24+5 =8.15 (A) K=2，此时有

I nk= 3×5×15.75 14 =16.8 75(A) 根据以上 K=1～2的计算结果可见：

当K=1时，中性线通过8.15 A低于电流平衡保护第Ⅱ段的启动电流10A之数 值。

当 K =2时，中性线上通过16.875A，即使运行电压下 降为91%，也有15.4A，比启动电流10A大1 .5倍，因此可启动。也即当 K =2时，电容器组能够由 第Ⅱ段电流平衡保护来切除，作运行检 查。该动作电流比 K=3极限系数提高了，如为要和 K=3极 限系数相同，则可将电流定值再由2. 5A放大到5A，相当于一次动作电流为20A，可以完全躲开 K=2的切除操作。但 实际上 K=2或3已 无关紧要，因为电容器组已有K=1单元退出了， 所以仍取动作电流为2.5A 来保证第Ⅱ段电流元件的灵敏度为妥。





??

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电力系统继电保护新技术与故障检验调试

电力主设备继电保护新技术

第四章 电容器的继电保护技术 

第二节 三角形接线的横差电流保护新技术 工作原理 

三角形接线的横差电流保护装置是用于双三角形接线电容器组的内部故障保护装置，防止由 于电容器内部元件击穿造成电容器的爆炸或扩大成相间故障而动作于跳闸。

双三角形接线的电容器组一次接线及保护用电流互感器的连接方式如图4.2.1所示。电容器 组每 一相的电容器接成两个臂，每臂的电容器可以根据安装容量以及额定相间电压的要求，接成 有 M个电容器并联、有N串串联的形式。两个臂电容器的总容量应该相等 ，并且在安 装电容器组设备时，应尽量减小两臂电容器之间的不平衡度。三角形接线的各相间的每组电 容器 都应按以上所述的要求连接。保护用电互感器采用相同变比并串接在每一臂电容器的连接线 上，其二次绕组按差电流接线方式连接。 〖请看图片D30，+45mm。75mm，BP#〗

图4.2.1 三角形接线横差电流保护原理图 〗  电容器组在正常运行时，由于每一臂中通过的电流相等，所以在电流互感器二次侧所得到电 流也相等，这样连接到继电器回路中的电流为 I K= I  I- I Ⅱ=0( I  I、 I Ⅱ为两个臂的电流)或仅仅流过不平衡电流即 I K= I I- I Ⅱ= I ub( I ub 为不平衡电流)，此 时电流继电器不会动作。当每组电容器某一臂中某一台电容器内部元件发生击穿故障时，两 臂通过的电流不再相等，即 I I≠

I Ⅱ，这样就有一定量的差电流通过继电器，当差 电流达到继电器的整定值时，保护动作出口跳闸。

当某臂中一台电容器内部元件发生击穿，设击穿系数为 λ，故障臂中通过的 一次电流为 I 1K= U 〗LN X C × M［1+(1-λ)(M-1)］ M(1-λ)+(N-1)［1+(1-λ)(M-1)］ (1)

式中 I 1K——故障臂中通过的电流； U LN——电网额定线电压； X C ——每台电容器容抗；

M、N——每一臂单台电容器的并联数和串联节数。 正常臂电容器通过的一次电流为

I Ⅱ= U  LN X C M N (2)

式中 I Ⅱ——第Ⅱ臂(正常臂)中通过的电流。

故障与正常运行臂之间差电流的一次值为 I KD，1= I  1k- I Ⅱ (3)

对于 N=1时，在一臂中如发生单台电容器击穿，当λ=1时，即为相间二相短 路电流；当λ≠ 1时，则其故障电容器通过的电流由击穿程度来决定，由于线间电压未发生变化，因此可以 如下简单计算 I k= I  n 1-λ  λ=0 I k= I N

λ=0.25 I k=1.333 I N λ=0.5 I k=2 I N λ=0.75 I k=4 I N

λ=0 I k=∞ 即相间短 路电流

当串联数 N>1时，由于单台电容器熔丝熔断，使 K台电容器退 出运行，同样也会造成 故障臂中故障段的其余正常电容器两端电压升高。因此，双三角形接线的横差电流保护也必 须在正常电容器两端电压超过允许长期运行的最高电压时动作跳闸。 当第I臂中有 K台电容器退出运行，通过第I臂的电流为

I IK= U 〗 LN X C M(M-K) N (M-K)+K (4) 第Ⅱ臂(正常臂)电容器中通过的电流如式(2)。 退出K台电容器后，两臂之间的差电流一次值为 U KD，1= I  IK- I Ⅱ 

退出 K台电容器运行的一串电容器的总电容器量减少，容抗将增大，这样 在故 障串电容器两端电压就有可能超过允许的长期最高运行电压。退出K台电容器后，故障串电 容器两端的电压为

U SK= U  LN M N(M-K)+K 

电容器最大允许长期运行电压为电容器额定电压的 1.1 倍，所以得  U S，K≤1.1 U N

即 U LN，max I N，max ≤ N(M-K)+K M  U N，max=1.1 U  N (5)

式中 U LN，max——电网最高运行线电压； U N——电容器的额定电压。

当电容器的串联数 N=1时，无论退出多少台电容器在其余正常运行的电容 器两 端的电压始终为电网的线电压，即与正常运行时的电压相同。从式⑥也可看出，当N>1时 U LN，max I N，max ≤1 (6)

可见，则 N=1时，电网的最高运行电压应始终小于单台电容器的最高允许电 压。

例如，电网最高运行线电压为38.5 V，每台电容器的额定电压为10.5V， M=10，N=4，根据式(6)，可得最多允许退出电容器的台数K满足下式 38.5 1.1×10.5 ≤ 40-3K 10 

解得K≤2.22，取K=2，即在上述情况最多允许退出2台电容器，否则将会使有故障节电容器 段中正常运行的电容器过电压。 构成的保护接线 

双三角形接线的横差电流保护二次展开图如图4.2.2所示。 〖请看图片D31，+88mm。62mm，BP#〗

图4.2.2 三角形接线横差 电流保护展开图 〗

整套继电保护共需要六台保护用电流互感器，即每一臂使用一台。两台相同变比的电流互感 器的二次绕组按差电流方式连接，每相电容器都单独安装电流继电器，即图4.2.2中所示 的 KA1、KA2、KA3，电流继电器可以用 DL-11型或用其它类型 电流继电器。

三个差电流继电器共用一只延时继电器KTM，继电器动作后经过一定的延时，接通跳闸回路 切继电容器组的运行电源。时间继电器和信号继电器可采用DS、DX型电磁型继电器，也可用 其它类型的高精度时间继电 器与掉牌式信号继电器。 整定计算基本方法 

1.单台电容器的熔丝保护(符号同前) I FU=1.5 I  N (7) 2.横差电流保护

(1)当一台电容器内部元件部分击穿时，继电保护应能动作，以防止电容器组的扩大事故。 为了能与单台电容器熔丝保护相配合，可以取电容器内部元件击穿75%时的情况来整定。继 电器的一次动作电流为：

I K，act= I KD，1 K sen[SX)] (8) 式中 I KD，1—— λ=0.75 时的差电流如式(4)； K sen——灵敏度，取1.25～1.5。

要求电容器组在安装时，电容量尽量相等，正常时差电流回路中的不平衡电流应

I ub≤ I  K，act/ K rel( K r el为可靠系数，取2)。 (2)延时整定。如需与单台熔丝熔断时间相配合，继电保护时限可取

t =1～3min。如不考虑与单台熔丝熔断时间配合，时 限可取 t=0.2 s。 (3)用式(8)计算动作电流后，还就以式(5)及式(6)核对当达到最大允许退出电容器台数时， 横差电流保护能否动作即

I KD，max≥ I K D，max K sen= I  KD，1 (9) 式中 I KD，max ——最大允 许台数退出运行时的横差电流一次值。 如果不能满足式(9)的要求，则应适当降低击穿系数 λ值，重新进行整定 计算。 双三角形接线的横差保护也可以用二段形式，整定原则同双星形电流平衡保护，但使用元件 较多。

采用三角形接线当N=1时，电流横差保护即使采取不带延时，采用速动动作终会有一些时限 ，一般加上断路器动作时间后达到120 ms以上，当 λ= 1全击穿时，其故障电容器的故障电流为 系统二相短路电流高达数10 kA以上，对故障电容器极为不利，容易引起 爆裂。因此 一般目前在 N=1时，不应用三角形接线，当N=2以上时可以采用，这一点 须特别注意





??

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电力系统继电保护新技术与故障检验调试

电力主设备继电保护新技术

第四章 电容器的继电保护技术 

第三节 单星形接线的桥差保护新技术 工作原理 

单星形接线采用桥差保护的一次接线图如图4.3.1所示。通常要求单星形每一相电容器的并 联数 M以及串联数N都为偶数，保护用电流互感器TA就在M/2和N/2相交处的连 线上。 

为了说明桥差保护的工作原理，先将图4.3.1所示的一相电容器接线图简化为图2所示来分析 。 这是一种典型的单臂电桥电路，当 X1/ X3= X2/ X 4且 X1/ X3= X2/ X4时，桥回路 mn 连线上没有电流通过，即I · mn=0，

当 X1/ X3≠ X2/ X 4时，桥回路处于不平衡状态，在mn连线上电流 I · mn≠0 ，称电流 I · mn为桥流。对 电桥电路的分析，通常可以采用戴维南定理 ，如果忽略mn连线上的阻抗，就可以把mn连线看成是一个节点，这样可以直接利用节点电流 法来计算，即

〖请看图片D32，+53mm。60mm，Z#〗

图4.3.1 单星形接线桥差保护的一次接线图 〗

〖请看图片D33，+40mm。35mm，Y#〗 图4.3.2 简化图 〗  I · 1+I · 2=I 单星形接线桥差保护就是依据上述的基本原理构成的，由于采用了电桥原理，所以 桥差 保护的灵敏度很高。一般单星形桥差保护都用于 35kV及以上的电力网络中。 当电容器内部元件发 生击穿以及电容器因熔丝熔断而退出运行时，由于桥形电路四个臂的容抗中，有一个臂的容 抗减小或增大，使得电桥回路失去平衡产生差电流，从而启动继电器出口跳闸。 

根据桥差一次接线图的要求可知，每一组共有四个桥。 1.电容器的内部元件击穿时计算

电容器正常时，每臂的容抗相等，即

X1=X2=X3=X4= N M X C (3)

设 β= 2M(1-λ)+(N-2)［2+(1-λ)(M-2)］ N［2+(1-λ)(M-2)］ (4)

故障相电流 I · PP，K = U · P X 1 3(1+β) 2(1+2β) (5) 故障臂电流 I · IK= U · P X1 3 2(1+2β) (6) 式中 U P——相电压(故障情况下的相电压)； X1～ X4——各臂正常时的容抗。

桥差电流 I · mn，f= U · P X1 · 3(1-β) 4(1+2β) (7) 2.电容器有K台退出运行时计算

正常臂以及正常相容抗同式(3)、式(4)。

退出K台电容器时的故障串容抗 X SK= 2 (M-2K) · X C，故障相电流为 

I PP，K= U  P X1 3(1+γ) 2(1+52γ) (8) 故障臂电流 I IK= I PP，K 1 1+γ (9)

桥差电流 I mn，K= U  P X1 3(1-γ) 4(1+2γ) (10) 其中 γ= 2 M+(N-2)(M-2K) N(M-2K) (11) 式中 U P——相电压； X 1——每一个臂的容抗。

当退出 K台电容器后，故障串两端的电压： U SK= U  P 3 M N(1+2γ)(M-2K) (12)

要求退出K台电容器后，故障串两端的电压不能大于电容器额定电压的1.1倍，即 U P 3 M N(1+2γ)(M-2K) ≤1.1 U N

U P，max U 〗N，max ≤ N(1+2γ)(M-52γ) 3M (13) 其中 U N，max=1.1 U N  式中 U P——电网额定相电压； U N——电容器额定电压；

U P，max——电网最高运行相电压。

当确定了并、串联参数 M、N后，就可以依据式(13)计算出最多允许退出 的电容器台数。

构成保护的接线 

单星形接线桥差保护的接线如图4.3.3所示。 TA1、TA2、TA3为星形接线A、B 、C三相的桥差保护用电流 互感器，KA1、KA2、KA3为三相保护用电流继电器可采用DL-11型电流继电器。KTM为延时继 电器，可采用DS电磁型时间继电器，KS为 DX型电磁型信号继电器，XB为电流试验端子和跳闸压板，QF、LT为断路器副触点和跳闸线圈 。 〖请看图片D34，+75mm。50mm，Y#〗 图4.3.3 单星形接线 桥差保护展开图 〗

当电容器发生击穿故障及退出运行时，由电容器构成的电桥回路失去平衡在桥臂中就有桥差 电流通过。当桥差电流达到电流达到电流继电器的整定值时，电流继电器KA触点闭合，启动 延时继电器KTM，经一定时限后出口跳闸。 整定原则 

(1)单台电容器熔丝保护见第二节。 (2)桥差电流保护。

①按电容器内部元件击穿75%( λ=0.75)时在桥臂中产生的差电流来整定 。继电器的一次动作电流可根据式(7)计算：

I K，act= I mnf K sen 

式中 I mnf—— 当击穿系数 λ=0.75时一次电流；  K sen——灵敏度，取1.25～1.5。 要求电容器组在安装时，应尽量使电桥四个臂电容器的电容量参数接近或相等，以减小正 常运行时桥臂中的不平衡电流，使 I ub≤ I 〗K，act K rel (14)

式中 I ub——不平衡电流； K rel——可靠系数，取2。

②延时整定。与单台熔丝熔断时间配合，继电保护时限可取 t 〗=30～120s ，如不考虑与

单台熔丝熔断时间相配合，时限取 t =0.2s。

③根据式(14)计算动作电流后，还应以式(13)核算当电容组退出最大允许台数K时桥差电流 值的大小，即

I mnK，max≥ I 〗K， act K sen= I  mnf (15) 如不能满足式(15)要求，则应重新确定击穿系数λ，再计算整定值。 单星形接线的桥差电流保护也可以采用二段方式，以利于与单台熔丝熔断特性取得配合，但 保护用元件略多。桥差二段方式的保护整定原则同双星形接线中性点电流平衡保护。

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电力主设备继电保护新技术

第四章 电容器的继电保护技术 

第四节 电力电容器微机继电保护

为了补充电力系统无功功率的不足，提高功率因数，改善供电质量，在各变电所及工厂内广

泛采用无功补偿并联电容器组。近十年来，由于大功率晶闸管和微机控制技术的深入应用， 无功补偿的静补设备开始发生质的变化。但目前采用电力电容器无功补偿装置仍然使用十分 广泛。

并联补偿电容器组的通用保护 

单台并联补偿电容器的最简单、 有效的保护方式是采用熔断器。这种保护简单、价廉、灵敏 度主、选择性强，能迅速隔离故障电容器，保证其他完好的电容器继续运行。但由于熔断器 〖请看图片D35，+30mm。45mm，Y#〗 图4.4.1 并联补偿电容器组的主接线图 〗 抗电容充电涌流的能力不佳，不适应自动化要求等原因，对于多台串并联的电容器组保护必 须采用更加完善的继电保护方式。

图4.4.1是并联补偿电容器组的主接线图。电容器组通用保护方法有如下几种： (一)电抗器限流保护 与电容器串联的电抗器，具有限制短路电流、防止电容器合闸时充电涌流及放电电流过大损 坏电容器。除此之外，电抗器还能限制对高次谐波的放大作用，防止高次谐波对电容器的损 坏。

(二)避雷器的过电压保护

与电容器组并联的避雷器用于吸收系统过电压的冲击波，防止系统过电压，损坏电容器。 (三)电容器组的电压保护

电容器电压保护是利用母线电压互感器TV测量和保护电容器。电容器电压保护主要用于防止 系统稳态过电压和欠电压。

微机电容器电压保护的逻辑框图如图4.4.2所示。过电压和欠电压保护均通过延时来鉴别稳

态过电压和欠电压。低电压保护需经过流闭锁，以防止TV断线造成低电压保护误动。 〖请看图片D36，+25mm。100mm，BP#〗 图4.4.2 电压保护逻辑框图

(a)过电压保护；(b)低电压保护 〗

在系统故障过压或低压电容器保护动作跳闸后，为了使保护能立即复位，要求保护在跳位时 (K〖请看图片=1)能自动退出运行，待母线电压恢复正常后断路器可重新投入运行。在图4.4.2中，KT P=1时去闭锁过压保护的Y2和Y3、低压保护的Y5，使电容器保护自动退出运行。

(四)电容器组的电流保护

电容器组的过电流保护用于保护电容器组内部短路及电容器组与断路器之间引起的相间短路 。采用两段式，每段一个时限的保护方式，保护逻辑框图如图4.4.3所示。 〖请看图片D37，+35mm。80mm，BP#〗 图4.4.3 电容器过流保护逻辑 〗 电容器组内部故障的专用保护 

电容器组是由许多单台电容器串并联组成，个别电容器故障由其相应的熔断器切除，对整个 电容器组无多大影响。但是当电容器组中多台电容器故障被熔断器切除后，就可能使继续运 行的剩余电容器严重过载或过电压，因此必须考虑如下专用的保护措施。 (一)单Y形接线的电容器组保护

单Y形接线的电容器组见图4.4.4(a)所示，一般采用零序电压保护。保护采用电压互感器的 开口 三角形电压以形成不平衡电压。电压互感器的一次绕组兼作电容器放电线圈，可防止母线失 压后再次送电时因剩余电荷造成的电容器过电压。 〖请看图片D38，+50mm。120mm，BP#〗 图4.4.4 三种简单的电容器组保护方式 (a)单Y形；(b)双Y形；(c)形 〗

如电容器组中多台电容器发生故障，电容器组的电纳将发生较大变化，引起电容器组端电压 改变，在开口三角形出口随即产生零序电压。单Y型电容器组微机保护逻辑图如图4.4.5 所示， t o，u为零序电压保护的时延，SW为控制字软 开关。

〖请看图片D39，+10mm。45mm，Y#〗 图4.4.5 零序电压保护逻辑图 〗

(二)双Y形接线的电容器组保护

双Y形接线的电容器保护可采用不平衡电流或电压保护方式。

双Y形接线电容器的主接线如图4.4.4(b)所示。图中所示的TA。只测量中性线不平衡电流的 零序电流互感器。

双Y形接线的电容器保护采用中性线不平衡电流保护，当同相的两电容器组C1或C2中发生多 台 电容器故障时，即 X c1≠ X C2，此时流过C1

〖请看图片D40，+10mm。45mm，Y#〗 图4.4.6 双Y形接线电容器的 不平衡电流保护逻辑 〗

和C2的电流不相等，因此在中性线中流过不平衡电流 I  unb。当 I unb?gt; I

set时保护动 作。保护逻辑框图如图4.4.6所示。

当双Y形接线采用不平衡电压保护时，可用TV。改换TA，即将TV。一次绕组串在中性线中， 当 某电容器组发生多台电容器故障时，故障电容器组所在星形的中性点电位发生偏移，从而产 生不平衡电压。

当 U unb＞ U  set时，保护动作。其逻辑框图与图4.4.5相似。 (三)三角形接线的电容器保护

电容器组为三角形接线时，通常用于较小容量的电容器组，其保护采用零序电流保护，其接 线如图4.4.4(c)所示，其逻辑框图与图4.4.6类似。 (四)桥式差流的保护方式

电容器组为单星形接线，而每相接成四个平衡臂的桥路时，可以采用桥差接线的保护方式， 其一次接线如图4.4.7(a)所示。正常运行时四个桥臂容抗平衡， X C1= X C2， X C3= X C4(或 C1／C3=C2／C4)，因此桥差接线的M和N之间无电流流过。当四个桥臂中有一个电容器组存在 多个电容器损坏时，桥臂之间因不平衡，在桥差接线MN中就流过不平衡差流。不平衡差流超 过定值时保护动作。桥差保护方式的逻辑框图如图4.4.8所示。图中SW控制字“1”为投入， “0”为退出。

〖请看图片D41，+35mm。90mm，BP#〗 图4.4.7 电容器组桥差、压差保 护方式 (a)桥差接线；(b)压差接线  〗

〖请看图片D42，+20mm。75mm，BP#〗 图4.4.8 桥式差流保护逻辑框图  〗

(五)电压差动保护方式

电容器组为单星形接线，而每相为两组电容器组串联组成时，可用电压差动保护方式，其一 次接线如图4.4.7(b)所示。图中只画出一相TV接线，其他两相也是相似的。TV的一次绕组可 以兼 作电容器组的放电回路，二次绕组接成压差式即反极性相串联。正常运行时 C1 =C2 ，压差为零；当电容器组 C1或C2中有多台电 容器损坏时，由于C 1和C2容抗不等，因两只 TV一次绕组的分压不等，压差接线的二次绕组 中将出现 差电压。当压差超过定值时，保护动作。压差保护方式的逻辑框图如图4.4.9所示。图中SW 为控制字，“1”为投入，“0”为退出运行。 

〖请看图片D43，+15mm。75mm，BP#〗 图4.4.9 电压差动保护逻辑框图  〗 LFP-963系列电容器保护装置 

LFP-963系列电容器保护有963A、963B、963C三种。它们的主要区别在于电容器组的专用保 护配置不同，而通用保护的配置则完全相同。963A的专用保护是不平衡电压、电流保护，适 用于图4.4.4所示的三种电容器主接线方式。963B的专用保护是桥差电流保护，适应于图4.4 .7(a)所示的主接线方式。 963C的专用保护是电压差动保护，适用于图4.4.7(b)所示的主接线方式。963A、963B、 963C的通用保护均由启动元件、两段式过电流保护、过电压保护和欠电压保护组成。963A整 套保护的逻辑框图如图4.4.10所示。 

〖请看图片D44，+105mm。130mm，BP#〗 图4.4.10 LFP-963A电容器保护 整套保护装置逻辑原理图 〗

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