电力电容器保护技术
摘 要近年来电容器作为电力系统的核心而且被人们广泛的应用，同时在提高电力系统功率因数以及均压、稳压、降低线路系统损耗等方面有着良好的表现性。
但是同时又容易受到来自电压与电流等方面的损害，因而电力电容器的保护对于其自身功效和寿命的稳定乃至整个电力系统的正常运行有着十分重要的意义，本文从电流、电压、不平衡保护等方面对电力电容器保护技术进行分析。
关键词电力;电容器;保护技术
电力中电容器一直是电力系统中的核心组成部分，它在电力系统与电力设备中被广泛的应用，而且在均压、稳压、降低线路系统损耗以及提高电力系统功率因数等方面有良好的表现性能，同时在工厂、居民区、市政设施、交通设施等电力系统的配电系统中都有着巨大的作用。
另一方面，电容器又是非常容易受损，对安装于维护有着较高要求的电力设备，其回路中若存在任何细微的非正常接触，均可能激发高频振荡电弧，同时电力系统在运行过程中电流与电压均会对电力电容器产生不同程度的影响，因而电力电容器的保护对于其自身功效和寿命的稳定乃至整个电力系统的正常运行有着十分重要的意义，关于电力电容器的保护技术，我们可从电流与电压两个方面切入进行分析。
1 电流保护
电容器组的电流保护主要包含了过电流保护和电流速断保护两个方面，装设过电流保护的目的主要是保护电容器组的引线、套管的短路故障，也可作为电容器组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电流互感器二次侧。
通常非为速断和过流两段，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。
当电容器组引接母线、电流互感器、放电电压互感器、串联电抗器等回路发生相间短路，或者电容器组本身内部元件全部或者部分被击穿形成相间短路时，电容器系统内部会产生很大的短路电流，为了防止此种情况对电力电容器造成不可逆转性破坏，应该在系统内装设速断和过电流(定时限或者反时限)保护。
?电流速断保护的动作电流按在最小运行方式下引线相间短路?，按保护灵敏度大于2 来整定，利用动作时带有 0.1～0.2s 的延时来躲过电容器的充电涌流，进而对电力电容系统进行保护，其通常以在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来整定动作电流为标准。
除速断保护之外，电容器的过电流保护是速断保护的后备，同时兼做电容器组的过负荷保护，其动作电流应该考虑以下三点：①电容器组的电容有?10%的偏差，使负荷电流增大;②电容器长期工作环境电流为额定电流的1.3倍;③合闸涌流冲击下不发生误动。
另一方面，电容器过电流保护最好采用反时限特性，并与电容器的过电保护相配合，建议两段电流保护均采用三相式接线以获得较高的灵敏度。
2 低电压保护
在电力电容器正常运行的过程中若发生突然断电或者失去电压，可能对电容器系统造成两种不良后续反应，进而对电容器系统造成破坏。
例如，当?电力系统断电后供电恢复，电容器若未能及时切除，则可能造成变压器带电容器合闸，产生谐振过电压，从而造成变压器或者电容器的损坏?。
除此之外，电路系统在停电后恢复供电的初期，变压器还未完全带负荷运行，母线电压较高，这也可能引起电容器产生过电压，所以从种种情况来看，电力电容器应该装设低电压保护。
一般情况下，电力电容器低电压保护的动作电压可以取值为Uop=(0.5～0.6)Un/nbv其中，Un 表示系统额定电压，nbv表示电压互感器变比。
当 Uop 取值在 0.5Un/nb及以下时，互感器二次一相熔丝熔断也不会使低电压保护误动作，为避免同级电压出现短路时低电压保护误切电容机组，应以时限躲过。
3 过电压保护
?过电压保护是通过电压继电器来反映外部工频电压升高的，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。
在同一母线上同时接有几组电容器时，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?。
对系统产生的过电压，只考虑对称过电压，要求电容器的过电压保护返回系数不低于 0.98。
目前在我国的电力系统中已经广泛采用微机保护技术，其返回系数基本都能符合这一要求。
过电压元件的整定范围为 1.1～1.3倍额定电压，同时动作时间应小于电容器允许的过电压时间。
按照我国国标的强制规范，容器工频过电压以及其相应的允许运行时间如表1所示。
4 不平衡保护技术
在一组电容器中，由于故障切除或者一部分电容器发生短路后，剩余的电容器承受的电压大小和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。
内过电压保护的接线方式很多，砖石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查过额定电压的1.1倍，如不及时处理这一情况并断开电容器组，就会造成其他电容器的损坏，对系统产生进一步的危害。
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过电压，但这通常需要多台电压互感器和电压继电器，使过电压保护系统趋于复杂，且成本升高，因而在实际中通常采用不平衡保护技术代替。
这一技术的原理是检测一组电容器中正常部分与受损部分之间在电流和电压等指标方面的差异，将这种差异作为保护的动作量，其数值大于整定值时，保护动作自动切除故障电容器组。
电容器组的接线方式不同，构成不平衡保护的方式也不相同，其中主要有零序电流保护、零序电压保护和差压保护。
在线路正常运行情况下或者接地系统无故障时，三相电流或电压的向量和为零或者只有很小的不平衡电流;而当线路运行不正常或者接地系统发生故障时，零序电流和零序电压二次回路将出现较大电流和电压，使保护装置动作并发出信号或切除故障回路。
目前在城市电路系统或者主网变电站中，大部分采用的不平衡电压保护，是将电容器组的三相电压互感器二次头尾相接(A 相非极性端连接B相极性端，B相非极性端连接C相极性端)，并从A相极性端和C相非极性端引出二次线形成差电压回路，将此电压接入保护装置来判别，使之动作并发出信号或者切除故障回路。
不平衡保护技术的要点包括了八个方面：①与熔断器保护相配合，这样可以保证在整组电容器切除之前故障电容器便已被检出并切除，保证电容器系统的正常运行;②不平衡保护技术应具备相当的灵敏度，当由于单台电容器的切除引起剩余电容器的过电压低于5%时，应发出信号，而过电压超过额定电压1.1 倍时，则应跳闸和闭锁。
③不平衡保护的动作延时要较短，以便减小由于电容器内部燃弧型故障造成的'损坏，防止剩余电容器的过电压时间超过允许的限度。
该延时应该足够短，以防止在单相或者断相故障时不平衡保护中的电流互感器或电压互感器以及保护继电器等设备受到过电压的损害。
④不平衡保护的动作时间要选择恰当，防止在出现涌流、外电路发生接地故障、雷击、临近设备的投切、断路器三相合闸不同步等情况下出现的短时间不平衡，造成不平衡保护误动作，一般情况下，电容器组的不平衡保护可以采用0.5s 的延时。
⑤不平衡保护回路应该加设谐波滤过器，限制谐波电压的影响，而对于电容器组中性点可能出现的暂态过电压也应该采取保护措施。
⑥不平衡保护应具有闭锁功能，动作跳闸的同时，应闭锁电容器组的自动投入，防止将故障的电容器组再次投入使用。
⑦不平衡保护的动作值应大于由于系统和电容器公差引起的固有不平衡。
⑧所有中性点不平衡检测接线，都应检测三相电压和电流的不平衡，以保证在每相中失去相同数量的电容器产生的过电压都能检测出来，此外，由于不平衡检测不能反应高压系统产生的过电压，因而不平衡保护系统必须要能承受系统高过电压。
5 结语
电力电容器作为现代电力系统的重要组成部分，虽然目前我国的电容保护技术还落后于西方发达国家，但只要我们积极探索与创新，以电流和电压保护为两个基准出发点，以不平衡保护等新技术作为引导，相信电力电容器的保护技术一定可以迈上更高的发展平台。
参考文献
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小电流选线的选线方法
相间和接地距离继电器为姆欧继电器，由正序电压极化，因而有较大的测量故障过渡电阻的能力。当用于短线路时，为了进一步扩大测量过渡电阻的能力，还可将第1、2段阻抗特性向第Ⅰ象限偏移。
当正序极化电压较高时，由正序电压极化的距离继电器有很好的方向性；当正序电压下降至一门槛值以下时，则由正序电压记忆量极化，并且在继电器动作前使动作范围向正向偏移，因而母线三相故障时继电器不会失去方向性；继电器动作后改为动作范围向反向偏移，保证正方向三相故障继电器动作后一直保持到故障切除。同时，第3段继电器动作范围始终向反向偏移，因而三相短路时第3段稳态特性包含原点，不存在电压死区。
A)记忆状态距离继电器特性
距离继电器的测量方法分二种，以三相相电压的大小来区分，当三相相电压均小于门槛值时，判断为近距离三相故障，进入记忆状态距离继电器程序，因为这时只可能有三相短路和系统振荡两种情况。系统振荡由振荡闭锁回路区分，这里只需考虑三相短路。
三相短路时，一般情况下各相间阻抗一样，但为了保证母线故障转换至线路构成三相故障时仍能快速切除故障，对三相阻抗均进行计算，任一相动作跳闸时认为三相故障。记忆状态距离继电器动作原理如下：
工作电压：
极化电压：
比相方程： (1)
这里：
下标op：工作电压
下标p：极化电压
为整定阻抗
下标M为记忆故障前电压
为正序电压
正方向故障时的，如图2所示，有：
图2
在记忆作用消失前：
因此，
代入式(1)并整理得：
设故障线母线电压与系统电势同相位 ，其暂态动作特性如图3。
图3
测量阻抗 在复平面上的动作边界为 至 连线为直径的圆。当 不为零（与故障前负荷有关）时，将是以 到 连线为弦的圆，特性将向第Ⅰ或第Ⅱ象限偏移。图中动作后包含原点表明正向出口经或不经过渡电阻故障时都能正确动作，并不表示反方向故障时会误动作。反方向故障时的动作特性必须以反方向故障为前提导出。
图4
图4是反方向故障的计算用图，反方向故障时有：
在记忆作用消失前：
因此，
代入式(1)并整理得：
图5
的动作边界为以 与 连线为直径的圆，如图5，当 在圆内时动作，实际上 处在第Ⅲ象限，可见，继电器有明确的方向性，不可能误判方向。
以上的结论是在记忆电压消失以前成立，即继电器的动作特性是暂态动作特性。当记忆电压消失后，则：
正方向故障时：
反方向故障时：
于是正方向故障时：
反方向故障时：
可见，正方向故障时 的动作边界和反方向故障时 的动作边界相同（如图6），继电器的动作边界经过原点，因此，母线和出口故障时，继电器处于动作边界。
图6
为了保证母线故障，特别是经弧光电阻三相故障时不会误动，对1、2段距离继电器设置了门坎电压，其幅值取最大弧光压降。同时，当1、2段距离继电器暂态动作后，将继电器的门坎倒置，相当于将特性圆包含原点，以保证继电器动作后能保持到故障切除。为了保证第3段距离继电器的后备性能，第3段距离元件的门坎电压总倒置的，因此，其特性包含原点。
B）非记忆状态相间距离继电器特性
非记忆状态第3段相间距离继电器比较如下工作电压和极化电压的相位：
工作电压：
极化电压：
式中
继电器的极化电压采用正序电压，不带记忆。对相间故障，其正序电压基本保留了故障前电压的相位，故障相的动作特性如图3和图5，继电器有很好的方向性。
三相短路时，由于极化电压无记忆作用，其动作特性为一过原点的圆，如图6。但近处三相短路时由记忆状态距离继电器测量，因此，这里既不存在死区也不存在母线故障失去方向性的问题。
非记忆状态1、2段相间距离继电器由二部分组成：
a) 由正序电压极化的方向阻抗继电器
工作电压：
极化电压：
这里1、2段的极化电压较第3段增加了一个偏移角 ，其作用也同样是为了在短线路使用时增加允许弧光电阻的能力，如图7所示。 的值可取0°～30°。
图7
b) 防超越电抗继电器
工作电压：
极化电压：
为参考阻抗。正方向故障时，参照图2，有：
因此，其比相方程转化为：
即：
当 时，该继电器为与 轴平行的电抗继电器特性，实际上可取 ～ ，因此，该电抗特性下倾 ～ （图7），能有效地防止送电端的保护受对侧助增而使过渡电阻呈容性时的超越。以上方向阻抗与电抗继电器两部分结合，扩大了在短线上使用时允许过渡电阻的能力。
（1） 振荡开放元件
装置的振荡闭锁分三个部分，任意一个动作开放保护。
i) 在起动元件动作起始160ms以内
其动作条件是，起动元件开放瞬间，若按躲过最大负荷整定的三相过流元件不动作或动作时间尚不到10ms，则将振荡闭锁开放160ms。因此，该元件在正常运行突然发生故障时立即开放160ms，当系统振荡时，三相过流元件先动作，其后再有故障时，该元件已被闭锁，另外当区外故障或操作后160ms再有故障时也被闭锁。
ii) 不对称故障开放元件：
不对称故障时，振荡闭锁回路还可由不对称分量元件开放，该元件的动作判据为：
(4)
以上判据成立的依据是：
a) 系统振荡或振荡又区外故障时不开放
系统振荡时， ， 接近于零，式(4)不开放是容易实现的。
振荡同时区外故障时，相间和接地阻抗继电器都会动作，这时式(4)不应开放。这种情况考虑的前题是系统振荡中心位于装置的保护范围内。
对短线路，必须在系统角180°时继电器才可能动作，这时线路附近电压很低，外部短路时的故障分量很小，因此，容易取 值以满足式(4)不开放的条件。
对长线路，区外故障时，故障点故障前电压较高，有较大的故障分量，因此，式(4)的不利条件是长线路在电源附近故障时。不过这时线路上零序电流分配系数较低，短路电流小于振荡电流，因此，仍很容易以最不利的系统方式验算 的取值。
本装置中 的取值是根据最不利的系统条件下，振荡又区外故障时振荡闭锁不开放为条件验算，并留有相当裕度的。
b) 区内不对称故障时振闭开放
当系统正常发生区内不对称相间故障时，将有较大的负序分量，这时式(4)左侧大于右侧，振荡闭锁开放。
当系统振荡伴随区内故障时，如果短路时刻发生在系统电势角未摆开时，振荡闭锁将立即开放。如果短路时刻发生在系统电势角已摆开状态，则振荡闭锁将在系统角逐步减少时开放。
因此，采用不对称分量元件开放振荡闭锁保证了在任何情况下，甚至系统已经发生振荡的情况下，发生区内不对称故障时瞬时开放振荡闭锁以切除故障，振荡或振荡又区外故障时则可靠闭锁保护。
iii) 对称故障开放元件：
在起动元件开放160ms以后或系统振荡过程中，如发生三相故障，则上述二项开放措施均不能开放保护，本装置中另设置了专门的振荡判别元件，其测量振荡中心电压： ； 是正序电压电流的夹角， 为正序电压。
由图9，设两侧等效电势有效值相同，系统等效阻抗为纯电抗，在系统正常运行或系统振荡时， 恰好反应振荡中心的正序电压。
图9
在三相短路时，电压方程为： ，其中 为弧光电阻上的压降，如果忽略系统联系阻抗中的电阻分量 ，则 。弧光电阻上的压降不大于 ，与故障电流大小无关。
实际上系统阻抗中的电阻不等于零，可进行角度补偿，如图10所示。设线路阻抗角为 ，补偿角 ，设 ，用 代替 ，从图10中可见， ， ，由于 角较小（约为5～15°）， 与 很接近，因此 可反应弧光压降。
图10
本装置采用的动作判据分二部分：
a) ，延时150ms开放。
实际系统中，三相短路时故障电阻仅为弧光电阻，弧光电阻上压降的幅值不大于 ，因此，三相短路时，该幅值判据满足，为了保证振荡时不误开放，其延时应保证躲过振荡中心电压在该范围内的最长时间。振荡中心电压为 时，系统角为171°，振荡中心电压为 时，系统角为183.5°，按最大振荡周期3s计，振荡中心在该区间停留时间为104ms。装置中取延时150ms己有足够的裕度。
b) ，延时500ms开放。
该判据作为判据a)的后备，以保证任何三相故障情况下保护不可能拒动。
时，系统角为151°， 时，系统角为191.5°，按最大振荡周期3s计，振荡中心在该区间停留时间为337ms，装置中取500ms已有足够的裕度。
（2） 双回线相继速动
双回线相继速动保护在保留阶段式保护的前提下，取其超范围距离元件构成末端故障相继速跳方式。
其原理见下图，当两条线路中的第3段距离元件动作时，输出动作信号分别闭锁另一回线第2段距离相继速跳元件。
该第2段距离相继速跳元件动作的条件是：1) 第2段距离动作；2)邻线第3段距离动作后又返回；3) 第2段距离经小延时不返回。例如，设对M侧保护，L1未端故障，短路初，保护1，3的第3段距离元件均动作，分别闭锁另一回线第2段距离相继速动元件，其后，保护2由第1段距离跳开，保护3的第3段距离返回，此时保护1的第2段距离等待一个短延时不返回，则立即跳闸。
（3） 不对称故障相继速动
不对称故障时，利用近故障侧切除后负荷电流的消失，可以实现不对称故障时相继跳闸。当线路末端不对称故障时，如下图示，N侧第1段动作快速切除故障，由于三相跳闸，非故障相电流同时被切除，M侧保护测量到任一相负荷电流突然消失，而第2段距离元件连续动作不返回时，将M侧开关不经第2段延时即跳闸，将故障切除。
（4） 零序过流1～4段
零序过流1～4段元件可带零序方向元件。
a) 零序电压低压闭锁元件
零序电压低压闭锁元件有独立的投退
判据： 且 延时到
其中： 为零序电压低压闭锁元件定值
b) 零序方向元件
零序方向元件有独立的投退，当退出时方向元件开放
零序电压低压闭锁动作时开放零序方向
TV断线时开放零序方向
判据：
不接地系统 ：
消弧线圈接地系统 ： ，（建议退出方向元件）
电阻接地系统 ：直接开放零序方向
c) 零序方向过流1段
零序过流1段有独立的投退和压板。零序过流1段可用于不接地系统、消弧线圈接地系统和电阻接地系统。
判据： 且 延时到
其中：
为零序过流1段定值
可通过投退选择，零序过流1段元件是否受零序电压低压闭锁元件的控制
可通过投退选择，零序过流1段元件是否受零序方向元件的控制
启动元件没有动作时闭锁零序过流1段
d) 零序方向过流2～4段
零序方向过流2～4段的逻辑与1段的逻辑完全相同。零序过流2～4段只用于电阻接地系统。
（5） 零序过流加速段
零序过流加速段有独立的投退和压板。零序过流加速段只用于电阻接地系统。
判据： 且 延时到
其中：
为零序过流加速段定值
只有在加速阶段内有效
过流加速段在启动元件动作后有效
（6） 零序过压告警
零序过压告警有2个投退1个压板和2个定值。
投退：零序过压告警投退、零序过压告警跳闸
压板：零序过压告警压板
定值：零序过压告警定值、零序过压告警延时定值
判据：零序过压告警投 且 零序过压告警压板有效 且 断路器合位 且 无TV断线 且 整组启动 且 零序过压告警延时到。
当零序过压告警跳闸软压板投入时，零序过压告警动作后闭锁偷跳和重合闸。
（7） TV断线
TV断线由3个判据组成，这3个判据之间是或的关系。
判据1：U2 > TV断线负序电压定值且 延时到
判据2：U1 < TV断线正序电压定值且 至少有一相有流 且 延时到
判据3：U1 < TV断线正序电压定值且 断路器合 且 三相均无流 且 延时到
TV断线有2个投退和3个定值。对于判据1和2，当总的投退投入时才有效；对于判据3，当总的投退和判据3的投退都投入时才有效。
保护整组启动后将保持TV断线判据的输出。即，保护启动前TV断线逻辑根据判据的状态输出，保护启动后TV断线逻辑的输出将保持不变，直到整组复归为止。
投退：TV断线总投退、TV断线判据3投退
定值：TV断线负序过压定值、TV断线正序低压定值、TV断线延时定值
TV断线闭锁接地距离保护、闭锁相间距离保护、开放过流保护。
（8） 过流1～4段
过流1段2段3段4段的保护逻辑完全相同。下面以过流1段为例说明。
过流1段有1个投退1个压板和2个定值。
投退：过流1段投退
压板：过流1段压板
定值：过流1段过流定值、过流1段延时定值
判据：过流1段投 且 过流1段压板有效且 且 过流1段延时到。
（9） 过流加速段
过流加速段有1个投退1个压板和2个定值。
投退：过流加速段投退
压板：过流加速段压板
定值：过流加速段过流定值、过流加速段延时定值
判据：合闸加速阶段 且 过流加速段投 且 过流加速段压板有效 且 且 过流加速段延时到。
当过流加速段复压退时过流加速段复压满足。
1、基于（五次）谐波量的方法
由于故障点电气设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，其中以五次谐波分量为主。由于消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时1/ 25 ,可以忽略其影响。因此，故障线路的五次谐波电流比非故障线路的都大且方向相反，据此现象可以选择故障线路,称为五次谐波法。缺点是五次谐波含量较小(小于故障电流10 %) ，检测灵敏度低且受间歇性电弧现象影响。谐波平方和方法是将各线路3 、5 、7 等谐波分量的平方求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为故障线路。虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，但并不能从根本上解决问题。
2、有功分量法
零序电流有功分量是根据线路存在对地电导以及消弧线圈存在电阻损耗，故障电流中含有有功分量，非故障线路和消弧线圈的有功电流方向相同且都经过故障点返回，因此，故障线路有功分量比非故障线路大且方向相反。根据这一特点，可选出故障线路。在设计具体的选线装置时，可利用零序电压与零序电流计算并比较各线路零序有功功率的大小与方向来确定故障线路。
有功分量法的优点是不受消弧线圈的影响，但由于故障电流中有功分量非常小并且受线路三相参数不平衡的影响，检测灵敏度低，可靠性得不到保障。为了提高灵敏度，有的装置采用瞬时在消弧线圈上并联接地电阻的做法加大故障电流中有功分量。这样做带来的问题是使接地电流增大，加大对故障点绝缘的破坏，很可能导致事故扩大，且对电缆线路来说，这一问题更为突出。
3、稳态零序电流比较法
当中性点不接地系统发生单相接地故障时,留过故障元件的零序电流其数值等于全系统非故障元件的对地电容电流之和,即故障线路上的零序电流最大,且故障线路的零序电流方向与所有非故障线路零序电流方向相反。通过零序电流的幅值和相位的比较可以找出故障线路。
局限性：
①、零序电流的测量值受到电流互感器由于饱和而产生的不平衡电流的影响。
②、在中性点经消弧线圈接地系统中,故障相存在零序电流。在故障线路,
该电流方向与非故障相回路的零序电流的流向相同,但却是感性的,它对故障点左侧线路上容性的零序电流有补偿作用。考虑到感性零序电流的补偿作用,故障线路首端测得的零序电流数值可能小于某条其他线路首端测得的零序电流数值。
③、会受到过渡电阻大小的影响。
4、注入信号寻迹法
注入信号寻迹法简称注入法，在发生接地故障后，通过三相电压互感器 (PT)的中性点向接地线路注入特定频率(225Hz)的电流信号，注入信号会沿着故障线路经接地点注入大地，用信号探测器检测每一条线路，有注入信号流过的线路被选为故障线路。该方法的优点是不受消弧线圈的影响，不要求装设零序电流互感器(CT)，并且用探测器沿故障线路探测还可以确定架空线路故障点的位置。
其缺点是需要安装信号注入设备 。
