并联电容器熔断器保护及其与不平衡保护的配合问题
日期：2008-10-22 23:30:11 来源：中国自动化网
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0 前言
据全国电力系统高电压专业工作网无功补偿装置专家工作组的统计分析，近年来高压并联电容器的年故障率近几年有所回升，从1997年前的0．4％左右回升到2000年的1％左右，少数省市还有超过4％的，其中爆炸起火的恶性事故有上升的趋势，仅1999年就发生了十余起。分析表明：除了产品自身的质量问题外，运行中的操作过电压问题，加上设备参数配置不合理、保护配置不当等等也是引起恶性事故多发的直接原因。事实上，在多数情况下，事故是有可能避免的，由于保护配置上的问题，主要是电容器内部故障保护的配置不当，电容器有了故障而不能及时被检出并迅速隔离，才使故障继续发展、扩大，最终造成严重后果。
本文仅就使用最广泛的单台熔断器与继电保护配合作为内部故障保护方案在配置中的一些问题进行讨论，以供大家参考。
1 熔断器保护配置的分析
1．1 熔断器特性
单台保护用熔断器属喷射式熔断器，主要靠熔断电流自身的能量产生气体熄灭电弧并开断故障电流，在电容器装置中常作为内部故障的主保护，在我国应用十分广泛。
熔断器动作性能与通过的电流大小有关，其动作时间与电流的关系由熔断器熔丝的时间—电流特性曲线确定，其反时限特性对故障电流开断是有利的。
基于熔断器的动作机理，在大电流下，其熄弧能力可充分发挥，有较稳定的开断性能；在小电流下，则需在外弹簧的帮助下开断。这些开断均必须是无重击穿开断过程。熔断器的极限开断工频电流为1800 A，极限开断放电能量为15 kJ（现行标准规定为12 kJ），这两个限值都可能作为电容器组的并联容量限值的依据。但通常并联最大容量主要受制于电容器的外壳耐爆能量值。
为了满足在小电流范围内，能具有足够短的动作时间，标准对熔断器的时间—电流特性（包括其允许偏差）规定了限值：1．1 Inf（Inf为熔丝额定电流）时在4 h内不得熔断，1．5 Inf和2．0 Inf下的熔断时间不得超过75 s和7．5 s。
1．2 熔丝额定电流Inf选定
为保证在电容器长期允许过电流条件下，熔断器不致误动作，标准规定了熔丝额定电流应在（1．43～1．55 Inf）范围内选取。过大的Inf不能保证足够的动作灵敏度。
分析表明了选取较小的Inf／Inc（电流比），可获得更好的保护特性，特别在小电流动作区内，这是由十分陡直的时间—电流特性确定的。在新修订的标准中，鉴于单台电容器的电容偏差由±10％降低到±5％，故熔丝额定电流选取范围降为（1．37～1．50）Inc，这对提高熔断器的保护性能无疑是有利的。此外，改善运行条件，如在有效地控制谐波的条件下，可进一步降低电流比，按更小的电流比（1．30～1．35）选定Inf。
某些熔断器的质量差，熔断时间偏差过大，是运行中引起误动作、群爆的主要原因之一，但不能因此而改换偏大规格的熔丝，求得一时“平静”。这样做有可能使电容器一旦发生故障时丧失必要的保护。据了解，现场发生的电容器爆炸事故中，经分析多有发现问题出在熔断器上，或熔丝选配不当，或按装不合要求等等，应当引以为教训。
2 电容器组接线方式对熔断器保护的影响
接线方式对熔断器的动作行为的影响，主要反映在流入故障电容器电流Ig的大小，而故障电容器电压的大小又直接影响其故障继续发展的快慢。下面结合具体的电容器组接线进行讨论。
2．1 10 kV电容器组
由额定电压11/、12/kV电容器直接并联组成一相，按星形接线而成，接线方式是最简单的，电容器内部元件由4个串联段组成。当某一台电容器发生元件故障，故障率为g时，经推导（过程略），流过故障电容器的电流（Ig）与电容器并联台数（M），以及单台电容器额定电流（Inc）的关系 如（1）式所示。
根据保护配置原则：当g＝0．5～0．6时，熔断器应开始动作，即：要求Ig＞1．1 Inf。从（2）式可知：M≥2时，即能满足此要求。
表1给出了当g＝0．5、0．75、1时（相应于电容器内部分别击穿2、3、4个串联段）Ig和熔断器动作时间t与M的关系（取M为2和15为例）。
需要指出是当g＝0．75时，剩下一串健全元件所承受的过电压倍数为2．67倍，故很难保护在熔断器开断前故障不发展，而一旦g＝1，Ig则突增至4 Inf（当M＝2时）或30 Inf（当M＝15时），前者动作时间约近1 s，后者动作时间一般不超过25ms，对后者的配置显然要放心得多。
从本例的分析中可见：
（1）现行的熔断器保护配置原则存有不足之处，主要是并联台数较少时，保护动作的配合不理想。
（2）电容器并联台数M对熔断器的保护效果影响是显著的，在一定容量时，选择单台容量小而并联台数多的方案，可有更好的保护性能。
因此，建议对M较小的情况，增加对保护配置的校核：当g＝0．75时，应有Ig＞2．0 Inf，即对应有最小并联台数为M≥4，此时，可保证在g＝1时，Ig≥8 Inf，其动作时间估计在0．1 s左右。或者说，对于10 kV电容器组，为保证熔断器能迅速及时动作，除了恰当选配熔丝外，要求并联台数足够多，最少不低于4台。
2．2 35 kV电容器组
常用接线是由额定电压为11 kV或12 kV的电容器多台并联后串联连接，组成单星形或双星形电容器组，此时N＝2。电容器内部串联段n＝7。以下分别讨论单、双星形接线方式。 （1）单星形接线方式
当某台电容器故障时，经推导可得：
假如，g＝0．571时（即内部元件有4串被击穿，即k＝4），由Ig＞1．1 Inf求得M≥3时，虽可满足现行配置要求，但也存在着10 kV的类似问题。通过计算可知：当M＝3时g＝0．714（k＝5），Ig＝1．5 Inf；g＝0．857（k＝6）时Ig＝2 Inf。此时故障电容器内部健全元件的过电压已达到2．25倍和3倍。显然，此时熔断器的动作时间是偏慢了。由于电容器组串联段为N＝2，当某台电容器内部全短路（g＝1）时，故障电流受到健全段电容器阻抗的限制，仅有Ig＝1．5 M Inc＝4．5 Inc＝3Inf，可见情况较10 kV电容器组在M＝2时更为严峻。
同理，我们按g＝0．714时使Ig＞2 Inf考虑，可推算得最小并联台数M为11。如按M＝11配置，在g＝0．857时，其故降电流Ig＝3．42 Inf（此时故障电容器内健全元件的过电压达5．13倍）； g＝1时，Ig增至11 Inf，动作时间约在50 ms左右，可见，此时的保护配合将可靠多了。
（2）双星形接线仍按同样方法分析，故障电容器电流为：
先按现行配置要求求得最小并联台数，有： g＝0．571时（k＝4），Ig＞1．1 Inf，得M≥4。从上式可看出，在同样的并联台数M下，对应同样的故障率，双星形接线时的Ig较单星形更低。这意味着双星形接线时，熔断器保护的灵敏度不如单星形。这是电容器组选用接线方式时需注意的。
同样可求出在g＝0．714（即故障元件k＝5）时，保证Ig＞2．0 Inf的最小并联台数：M＝18。如按M＝18配置，g＝0．857（k＝6），Ig＝3．36 Inf，此时，仅剩的1个健全元件组上过电压到5．04倍。如g＝1（元件全击穿）时，Ig增至10．3 Inf。
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据全国电力系统高电压专业工作网无功补偿装置专家工作组的统计分析，近年来高压并联电容器的年故障率近几年有所回升，从1997年前的0．4％左右回升到2000年的1％左右，少数省市还有超过4％的，其中爆炸起火的恶性事故有上升的趋势，仅1999年就发生了十余起。分析表明：除了产品自身的质量问题外，运行中的操作过电压问题，加上设备参数配置不合理、保护配置不当等等也是引起恶性事故多发的直接原因。事实上，在多数情况下，事故是有可能避免的，由于保护配置上的问题，主要是电容器内部故障保护的配置不当，电容器有了故障而不能及时被检出并迅速隔离，才使故障继续发展、扩大，最终造成严重后果。
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本文仅就使用最广泛的单台熔断器与继电保护配合作为内部故障保护方案在配置中的一些问题进行讨论，以供大家参考。
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1 熔断器保护配置的分析
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1．1 熔断器特性
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单台保护用熔断器属喷射式熔断器，主要靠熔断电流自身的能量产生气体熄灭电弧并开断故障电流，在电容器装置中常作为内部故障的主保护，在我国应用十分广泛。
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熔断器动作性能与通过的电流大小有关，其动作时间与电流的关系由熔断器熔丝的时间—电流特性曲线确定，其反时限特性对故障电流开断是有利的。
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基于熔断器的动作机理，在大电流下，其熄弧能力可充分发挥，有较稳定的开断性能；在小电流下，则需在外弹簧的帮助下开断。这些开断均必须是无重击穿开断过程。熔断器的极限开断工频电流为1800 A，极限开断放电能量为15 kJ（现行标准规定为12 kJ），这两个限值都可能作为电容器组的并联容量限值的依据。但通常并联最大容量主要受制于电容器的外壳耐爆能量值。
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为了满足在小电流范围内，能具有足够短的动作时间，标准对熔断器的时间—电流特性（包括其允许偏差）规定了限值：1．1 Inf（Inf为熔丝额定电流）时在4 h内不得熔断，1．5 Inf和2．0 Inf下的熔断时间不得超过75 s和7．5 s。
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1．2 熔丝额定电流Inf选定
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为保证在电容器长期允许过电流条件下，熔断器不致误动作，标准规定了熔丝额定电流应在（1．43～1．55 Inf）范围内选取。过大的Inf不能保证足够的动作灵敏度。
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分析表明了选取较小的Inf／Inc（电流比），可获得更好的保护特性，特别在小电流动作区内，这是由十分陡直的时间—电流特性确定的。在新修订的标准中，鉴于单台电容器的电容偏差由±10％降低到±5％，故熔丝额定电流选取范围降为（1．37～1．50）Inc，这对提高熔断器的保护性能无疑是有利的。此外，改善运行条件，如在有效地控制谐波的条件下，可进一步降低电流比，按更小的电流比（1．30～1．35）选定Inf。
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某些熔断器的质量差，熔断时间偏差过大，是运行中引起误动作、群爆的主要原因之一，但不能因此而改换偏大规格的熔丝，求得一时“平静”。这样做有可能使电容器一旦发生故障时丧失必要的保护。据了解，现场发生的电容器爆炸事故中，经分析多有发现问题出在熔断器上，或熔丝选配不当，或按装不合要求等等，应当引以为教训。
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2 电容器组接线方式对熔断器保护的影响
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接线方式对熔断器的动作行为的影响，主要反映在流入故障电容器电流Ig的大小，而故障电容器电压的大小又直接影响其故障继续发展的快慢。下面结合具体的电容器组接线进行讨论。
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2．1 10 kV电容器组
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由额定电压11/、12/kV电容器直接并联组成一相，按星形接线而成，接线方式是最简单的，电容器内部元件由4个串联段组成。当某一台电容器发生元件故障，故障率为g时，经推导（过程略），流过故障电容器的电流（Ig）与电容器并联台数（M），以及单台电容器额定电流（Inc）的关系 如（1）式所示。
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根据保护配置原则：当g＝0．5～0．6时，熔断器应开始动作，即：要求Ig＞1．1 Inf。从（2）式可知：M≥2时，即能满足此要求。
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表1给出了当g＝0．5、0．75、1时（相应于电容器内部分别击穿2、3、4个串联段）Ig和熔断器动作时间t与M的关系（取M为2和15为例）。
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需要指出是当g＝0．75时，剩下一串健全元件所承受的过电压倍数为2．67倍，故很难保护在熔断器开断前故障不发展，而一旦g＝1，Ig则突增至4 Inf（当M＝2时）或30 Inf（当M＝15时），前者动作时间约近1 s，后者动作时间一般不超过25ms，对后者的配置显然要放心得多。
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从本例的分析中可见：
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（1）现行的熔断器保护配置原则存有不足之处，主要是并联台数较少时，保护动作的配合不理想。
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（2）电容器并联台数M对熔断器的保护效果影响是显著的，在一定容量时，选择单台容量小而并联台数多的方案，可有更好的保护性能。
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因此，建议对M较小的情况，增加对保护配置的校核：当g＝0．75时，应有Ig＞2．0 Inf，即对应有最小并联台数为M≥4，此时，可保证在g＝1时，Ig≥8 Inf，其动作时间估计在0．1 s左右。或者说，对于10 kV电容器组，为保证熔断器能迅速及时动作，除了恰当选配熔丝外，要求并联台数足够多，最少不低于4台。
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2．2 35 kV电容器组
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常用接线是由额定电压为11 kV或12 kV的电容器多台并联后串联连接，组成单星形或双星形电容器组，此时N＝2。电容器内部串联段n＝7。以下分别讨论单、双星形接线方式。 （1）单星形接线方式
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当某台电容器故障时，经推导可得：
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假如，g＝0．571时（即内部元件有4串被击穿，即k＝4），由Ig＞1．1 Inf求得M≥3时，虽可满足现行配置要求，但也存在着10 kV的类似问题。通过计算可知：当M＝3时g＝0．714（k＝5），Ig＝1．5 Inf；g＝0．857（k＝6）时Ig＝2 Inf。此时故障电容器内部健全元件的过电压已达到2．25倍和3倍。显然，此时熔断器的动作时间是偏慢了。由于电容器组串联段为N＝2，当某台电容器内部全短路（g＝1）时，故障电流受到健全段电容器阻抗的限制，仅有Ig＝1．5 M Inc＝4．5 Inc＝3Inf，可见情况较10 kV电容器组在M＝2时更为严峻。
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同理，我们按g＝0．714时使Ig＞2 Inf考虑，可推算得最小并联台数M为11。如按M＝11配置，在g＝0．857时，其故降电流Ig＝3．42 Inf（此时故障电容器内健全元件的过电压达5．13倍）； g＝1时，Ig增至11 Inf，动作时间约在50 ms左右，可见，此时的保护配合将可靠多了。
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（2）双星形接线仍按同样方法分析，故障电容器电流为：
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同样可求出在g＝0．714（即故障元件k＝5）时，保证Ig＞2．0 Inf的最小并联台数：M＝18。如按M＝18配置，g＝0．857（k＝6），Ig＝3．36 Inf，此时，仅剩的1个健全元件组上过电压到5．04倍。如g＝1（元件全击穿）时，Ig增至10．3 Inf。
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