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电容器过电压保护


中国电力设备管理网 电力电容器过电压保护反措 摘 要: 通过分析银南电网电容器过电压保护几次误动事故, 提出在电容器过电压保护中使 用高返回系数 JY8 系列静态型电压继电器,来防止系统出现瞬间过电压时电容器过电压保 护误动。 1 引言 电力系统中,电力电容器作为一种静止型无功功率补偿装置,在维护系统的可靠、稳定 运行中,发挥着日益重要的作用。实践证明,为了提高电力电容器运行的可

靠性,除了不断 提高电容器本身的质量,采用合理的接线和布置之外,配备完善、合理的保护装置也是极其 重要的。 电容器过电压保护, 是确保电力电容器在不超过规程规定的最高允许电压下和规定的时 间内动作的电容器保护。 由于电容器输出的无功功率和内部有功功率损耗均与其两端电压的 平方成正比,即电容器输出无功功率 Qc=ωCU2;电容器有功功率损耗 P1=ωCU2tgδ,电 容器耐受过电压的能力比较低。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)下连续运行。”我国国标也规定,电容器连 续运行的工频过电压不超过 1.1 倍额定电压。由此可见,电容器过电压保护配置的合理与 否,直接影响着系统并补电容器的健康、稳定、有效运行。本文通过宁夏银南供电局所辖变 电所 10kV 并补电容器先后发生的电容器过电压保护误动事故进行分析, 提出了通过运用高 返回系数的静态型 JY8 系列过电压继电器, 代替原电磁式 DY-36A 型过电压继电器的有效、 可行的反措措施。 2 问题的提出 1997 年 8 月至 9 月中旬,我局所辖古城 220kV 变 512 电容器、河西 110kV 变 518 电容 器、中卫 110kV 变 513 电容器开关相继发生跳闸。根据当时现场保护掉牌信号指示,以上 各次跳闸均为电容器过电压保护出口所致。 电力电容器的工频过电压的产生,原因有二:其一,由于系统出现的工频过电压,电容 器所在的母线电压升高,使电容器承受过电压;其二,由于一组电容器中个别电容器故障切 除或短路,使串联电容器间容抗发生变化。因而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。但是,经过仔细检查、核实、试验,均未见事故发生时系统电压长 时间增高,并且电力电容器组未受损害,性能良好。 为了进一步找出保护动作原因,我们分别进行了如下检查,发现: (1)电容器过电压保护回路完好,无寄生回路存在。 (2)保护装置交直流回路绝缘良好,符合规程要求。 (3)保护继电器性能均良好,符合规程要求。 由此可见, 这几次电容器过电压保护动作跳闸事故的真正原因并不明确。 尚需更加深入 地试验调查,来查出跳闸真相。 3 分析问题 在反复试验、 分析的过程中, 我们发现虽然这些电容器过电压保护回路及各保护元件本 身不存在任何问题,但是当电容器出现瞬时过电压时,原来所配置的 DY- 36A 型电磁式 过电压继电器在过电压保护整定动作时限 t=2.0s 时间内并不能及时可靠返回,从而造成 了这些电容器过电压保护的误动作。其基本过程如图 1 所示。 通常, 电压继电器可以接在放电线圈或放电用电压互感器的二次侧。 在同一母线上接有 几组电容器时, 电压继电器也可以接在母线电压互感器二次侧, 几组电容器共用一套过电压 保护。根据系统运行方式,电容器过电压保护只考虑系统产生的对称过电压,可以只配置一 个电压继电器。但为了防止电压回路断线,造成过电压保护拒动,常采用三相三继电器取三

相线电压量接线方式, 三个电压继电器触点并联后启动时间继电器, 进而沟通跳闸和信号回 路。根据规程要求,过电压继电器的整定范围为 1.1~1.3 倍额定电压,现场一般整定为 120V。正常运行时,过电压继电器线圈两端的电压 UJ 有效值为 100~110V。当系统发生瞬 时过电压,电压继电器线圈两端电压 UJ 随着升高,达到定值 120V 时过电压继电器启动, 此时对应于图 1 中的 t1 时刻。过电压很快消失后,Uj 也将经历一个由高到低衰减的过程, 当 Uj 值降到过电压继电器返回系数(对于 DY-36A 过电压继电器,其返回系数为 0.85~ 0.9)所对应的电压区内 102~108V 时继电器才返回,此时对应于图 1 中的 t3 时刻。这样, 就会造成在系统发生瞬时性过电压很快又消失时(此时对应于图 1 中的 t2 时刻,且 Δt =t2 -t1<2.0s) ,过电压继电器动作后不能在规程所规定的正常允许电压 1~1.1 倍额定值下 可靠返回, 从而造成电容器过电压保护在一个多月内误跳三次开关, 在一定程度上影响了系 统的健康、稳定运行。

4 解决问题 更换原来 DY-30 系列过电压继电器为 JY8 系列静态型高返回系数过电压继电器。两 种过电压继电器有关技术参数对照如下: (1)DY-30 系列 1)返回系数:0.85~0.9 2)动作时间:当通入继电器的电压值是整定值的 1.2 倍时,动作时间不大于 0.15s。 3)触点遮断容量为 50 W。 4)绝缘强度:导电部分对外壳能承受 50Hz 交流电压 2000V 历时一分钟的耐压试验而 无击穿或闪络现象。 (2)JY8 系列 1)返回系数:≥0.95。 2)动作、返回时间:当通入继电器的电压值是整定值的 1.2 倍时,动作时间不大于 25ms。返回时间不大于 27ms。 3)触点遮断容量为 50 W。 4)绝缘强度:导电部分对外壳能承受 50Hz 交流电压 2000V 历时一分钟的耐压试验而 无击穿或闪络现象。 由此可见,JY8 系列过电压继电器完全可以替换电容器过电压保护原来配置的 DY-30 系列过电压继电器。更换后,经过多次试验,均未出现保护误动或异常。其过程如图 2。 当系统发生瞬时性过电压很快又消失时(此时对应于图 1 中的 t2′时刻,且 Δt′=t2′-t1′ <0.2s。 ) ,由于过电压继电器的返回电压从原来的 102~108V 提高到 114V 以上,绝对大 于 1.1 倍额定线电压值(110V) ,使过电压继电器在正常系统发生瞬时性过电压很快又消 失后,不再误动。这样,保证电容器过电压保护能灵敏地躲过系统瞬间过电压,在系统发生

过电压故障时能可靠动作。

5 结束语 三年来, 我们分别将银南局所辖各变电所电容器过电压保护共 69 块电压继电器由原 DY -20、DY-30 系列电磁式继电器更换为 JY8 系列静态型电压继电器。运行实践证明该项反 措彻底、有效,保证了电力电容器的安全、可靠、稳定运行,为系统的健康、稳定运行奠定 了必要的基础。

电容器过电压保护误动原因分析及解决办法 1 引言 为了保护电力电容器的安全运行,目前,电力电容器根据运行方式的不同,设有熔断器 保护、过电流保护、过电压保护、低电压保护、零序电压保护(开口三角电 压) 、零序电流 保护等。这些保护,起到了一定的作用,但也存在一定的问题。我局新近投运的四组电容器 均因过电压误动而未能及时投入运行。本文就电容器过电 压保护误动原因做一分析,并提 出我们的改进办法。

2 电网过电压来源及防止措施

在送电和配电电网中, 危及电容器安全运行的过电压主要来自电容器自身以及系统其它 部分的稳态、谐波、雷击和操作过电压。在这几种过电压情况中,谐波过电压 可以采用改 变系统设计的措施来加以限制。如在电容器组中串入电抗器等。雷击引起过电压,虽然电容 器遭遇直击雷的机率很小,但受远方雷击电压波动的危害。这 样的过电压能利用与电容器 组同时安装的金属氧化物避雷器来加以限制。 操作过电压其中包括电容器组投入时的瞬时过 电压、切断电容器组时的瞬时过电压、伴随投 入远方电容器组、电缆或送电线路和瞬时过 电压的放大,同时投入变压器和电容器组时的动态过电压,除动态过电压以外,大部分均能

利用金属氧化物避雷器来加以 限制。而对于动态过电压,因我们一般不进行变压器和电容 器组的同时切除和投入, 所以基本上可以不用考虑。 对于电容器自身引起的过电压及系统的 稳态过电压, 一般来讲是靠过电压保护来起作用,即由过电压保护掉开电容器断路器以保 护电容器。

3 过电压保护的原理及存在的问题

受负荷的影响,电容器所在母线电压升高,加到电容器上的电压可能超过允许值,此时 应由过电压保护将电容器切除,即电压高到一定程度时,1YJ 动作,常开接 点1YJ 闭合, 起动时间继电器3SJ,3SJ 的延时接点经过9s 延时(北京地区的规定)后闭合起动3XJ 去掉闸,待负荷变化,母线电压下降至允许值时,再 由值班人员投入电容器,其原理如图 1:

4 保护误动原因分析

从原理上讲,该保护是可行的,成熟的,但在我们的实际应用中,此保护经常误动作, 电容器刚刚投入后或投入后过上几秒就掉闸,无法正常将电容器投入运行。

为了防止谐波过电压对电容器的损害,我们在电容器组上串联了电感(电抗器) 。在母 线电压为额定值 UN 时,电容器两端电压增加4%~6%,即 UC=(1.04~1.06)UN。 如果各相电容器容量有了差别,出现了零序电压,有的相电压还会增加。此外,电容器长期 运行电压允许1.10UN,由于保护装置接于母线 TA 上,因此过电压整定值: UZ=1.1UN-(4~6)%UN=(1.06~1.04)UN 式中 UZ—过电压定值 UN—电容器的额定电压

一般过电压定值取1.05UN,电容器投入时,由于负荷变化,系统电压升高不等,在 10kV系统中实测是300~500 V ,是系统电压的3%~5%。当系统电压达到 〖WTBX〗1.05UN 时,电容器上的电压超过1.10UN,过电压保护动作,切除电容器, 使系统电压降到额定值左右。当系统电压降回到额定值 UN 时,要求过电压继电器能及时返 回,这是过电压保护动作的全过程。在这个过程中要求继电器的返回系数达到 UN/1.05 UN=0.95。 但在实际应用中,最初设计使用 LY-30系列的电压继电器,这种继电器用于过电压保 护的返回系数在0.85左右,最好也只能达到0.9,所以继电器无法正常返回。 下面我们来看一组实例:

太子 务变电所为110kV枢纽站,主变容量2× 31500kVA(无载调压) ,有 电容器2组,两台主变分裂运行。为考虑保护电容器同时也为保证电压质量,电容 器过电 压保护定值取为:110V 时间9s。经实测,电容投入后系统电压升高约0.50kV,电 容器不投入运行时,系统电压在24h 内变化如表1:

从表1可知,系统电压基本在10.1~11.2kV之间波动。 我们再看不同性能继电器动作情况见图2:

(1) 对于 Kfh>0.955的继电器,无论是因为电容器投入以后系统电压升高到11k V还是因为低谷时系统电压升高到11kV, 过电压继电器都起动, 当电容器组切除或系统

负荷增加后电压降低,到母线电压为10.5kV时继电器就返回。 (2) 对于 Kfh<0.9的继电器,无论是因为何种原因电压升高到11kV过电压继电器 起动后,一般不会自动返回。因为系统电压很少低于9.9kV(从实测值来看,过电压继电 器不可能返回) 。

这样,使用 LY-35系列的继电器,在夜间电压升高到11kV时或是夜间电压没有高 到11kV而在电容器投入瞬间电压有高于11kV时, 继电器起动后无法返回, 投入电容 器不经过延时或经过9s 延时电容器开关就掉闸,过电压保护动作,无法正常投入电容器。 5 解决办法及效果

根据分析的结果,我们选用集成电路电压继电器替换原有 LY-30系列继电器。该继电 器为集成电路静态型继电器,精度高、功耗小、动作时间快、返回系数高, 返回系数不小 于0.95。这样能保证由电器在过电压保护动作掉闸后过电压继电器能可靠返回,也能保 证由于操作或其他原因引起的瞬间过电压起动过压继电器, 过电压消失时过压继电器可靠 返回,消除过电压保护的误动作,正常将电容器组投入运行。

经过这样的改进后, 我局原来不能正常投入运行的电容器得到了正常运行, 加大了无功 投入,有效地改善了地区电网电压质量


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