费晓峰
（日新电机（无锡）有限公司，江苏 无锡 214000）
由于用电设备本身的特性，通常情况下，电力系统需要补偿容性无功功率，提高功率因数，并联电容器承担了这个任务。并联电容器装置是由并联电容器和相应配套设备组成的，主要包括电抗器、避雷器、隔离刀闸、放电线圈和电流互感器等，并联电容器提供补偿无功功率，配套设备则使其能够正常投切和安全运行。根据选择继电保护方式的不同，依靠放电线圈或电流互感器提供二次继电保护信号，选择合适的继电保护方式可使并联电容器装置长期稳定运行，从而保证电网的稳定运行。
高压并联电容器组（内熔丝、外熔断器和无熔丝）均应设置不平衡保护。不平衡保护应满足可靠性和灵敏度要求，保护方式可根据电容器组接线在下列方式中选取。
（1）单星形电容器组，可采用开口三角电压保护。
（2）单星形电容器组，串联段数为2段及以上时，可采用相电压差动保护。
（3）单星形电容器组，每相能接成4个桥臂时，可采用桥式差电流保护，对于110 kV及以上的大容量电容器组，宜采用串联双桥差电流保护。
（4）双星形电容器组，可采用中性点不平衡电流保护。
（5）不平衡保护的整定值应按电容器组运行的安全性、保护动作的可靠性和灵敏性，并根据不同保护方式进行计算确定[1]。
以上内容摘自GB 50227—2017《并联电容器装置设计规范》，为并联电容器装置设计的基本依据。按保护的灵敏度由低至高排列，大致是开口三角电压保护低于相电压差动保护低于中性点不平衡电流保护低于桥式差电流保护，其中相电压差动保护和中性点不平衡电流保护的灵敏度差距并不大。通常情况下，装置的制造成本也遵循这个排序。总体而言不平衡电压保护（开口三角电压保护、相电压差动保护）的灵敏度都小于不平衡电流保护（中性点不平衡电流保护、桥式差电流保护），但制造成本则要看装置的具体构成，不可一概而论。
一个电容器装置可选择的继电保护方式不是唯一的，在满足继电保护灵敏度的前提下，选择任何一种保护方式理论上都是可行的。以10 kV容量为6 000 kvar电抗率为5%的装置（额定电压kV）为例，由于桥式差电流保护在装置容量较大（20 000 kvar以上）时才会采用，剩下3种继电保护方式，各地电业局及设计院都有选择：TBB 10-6000/334-AK（开口三角电压保护）、TBB 10-6000/334-AC（相电压差动保护）和TBB 10-6000/334-BL（中性点不平衡电流保护），以上3种方式无论从理论还是实际运行经验，都是可行的，但是哪种方式相对更合理，值得讨论。
装置的继电保护选择是否合理，首先需要验证保护的灵敏度。相间电容偏差、串段间电容偏差、臂间电容偏差和测量设备的误差等会导致装置初始不平衡输出，而为了防止不平衡保护误动作，故规定保护整定值与初始不平衡输出的比应不小于1.5[2]，此时即可认为保护灵敏度满足要求，可以通过以下公式计算和验证。初始不平衡电压可按下式计算
式中：△Uc为不平衡电压，V；
UEX为电容器组额定电压，V；
α为Cmax/Cmin。
初始不平衡电压可按下式计算
式中：I0为不平衡电流，A；
IEX为电容器组额定电流，A；
α为Cmax/Cmin。
整定值计算公式见表1[2]。
表1 内熔丝电容器组不平衡保护计算方式
TBB 10-6000/334-AK（开口三角电压保护），电容器选用型号为-334-1，每相6并1串，容差控制小于等于1.01，放电线圈保护变比为∶0.1，由此可得，初始不平衡输出为1 V，整定值为2 V。
TBB 10-6000/334-AC（相电压差动保护），电容器选用型号为BAMr11/2-334-1，每相3并2串，容差控制小于等于1.005，放电线圈保护变比为11/2∶0.1，由此可得，初始不平衡输出为0.5 V，整定值为3.3 V。
TBB 10-6000/334-BL（中性点不平衡电流保护），电容器选用型号为BAMr11/-334-1，每相6并1串，容差控制小于等于1.005，电流互感器保护变比为30∶5，由此可得，初始不平衡输出为131 mA，整定值为535 mA。
可以看到，从保护灵敏度看，3种保护方式都是满足要求的，开口三角保护灵敏度稍低，相电压差动保护和中性点不平衡电流保护灵敏度较为接近。
图1为3种保护方式的布置方式，开口三角电压保护和相电压差动保护总体布置差不多，中性点不平衡电流保护相对接线较复杂，因为是双星型接线，且装置中多1个一次设备（电流互感器），为了能顺利走线，电容器采用了双向朝向的布置方式，这就导致围栏宽度方向长度的增加。相对而言，从布置方式上看，采用开口三角电压保护和相电压差动保护方式更有优势。考虑到整定值计算还受单台电容器内部串并联影响，而此项数据各厂家或有差异，导致保护灵敏度也有差异，部分厂家采用开口三角电压保护时并不能满足保护灵敏度，故综合保护灵敏度考虑，采用相电压差动保护更具通用性。
图1 相同型号选择不同保护方式的3种布置
国家电网公司为了标准化设计，发布了《国家电网公司输变电工程通用设备》，其中规定了10、35、66 kV装置的保护方式。此文件是设计院及需方编制技术规范的指导性意见，多数时候可满足设计需要，但是具体问题还需具体分析。
5.1 集合式电容器的特点
电容器主要有壳式电容器、集合式电容器和箱式电容器3种类型，壳式电容器由元件、绝缘件、连接件、出线套管和箱壳等组成，其外形比较小，单台容量及电压等级都不能做太高，随着装置总容量的提高，占地尺寸较大。集合式电容器是由多个电容器单元（壳式电容器的另一种形态）集装在一个箱体内构成，单台容量及电压等级都提高了，装置的占地相对较小，但是由于内部由电容器单元构成，每台电容器单元都有独立的箱壳，所以散热差，故障率相对较高。箱式电容器主要由日新电机（无锡）有限公司（以下简称“我司”）生产，外形上与集合式电容器无明显差异，一般还是将其简称为“集合式电容器”，但其内部结构与壳式电容器相似，直接由元件构成，所以也可将其看作是放大版的壳式电容器。
5.2 集合式电容器的实际应用
目前使用最广的是壳式电容器装置，占比超过九成。相对地，设计部门设计电容器装置时如选用壳式电容器，有《国家电网公司输变电工程通用设备》作为指导，设计基本都是比较合理的。集合式和箱式电容器装置由于使用较少，设计部门缺乏相关经验，故设计会参考壳式电容器装置的经验选择保护方式，这就可能造成设计不合理。
笔者设计过一套66 kV、60 000 kvar集合式电容器装置，如采用壳式电容器，该规格的装置是很成熟的设计，我司也有丰富的供货经验，但此电压等级与此容量配置则极为少见，自国网公司集中招标以来，尚属首次。用户选择的继电保护方式为桥式差电流保护，仅从继电保护的角度看，选择是没问题的，但考虑实际工程却不是最优方案。依旧可从2个方面验证，首先计算整定值，验证保护灵敏度。
5.3 验证选择桥式差电流保护的可行性
装置型号为TBB 66-60000/20000-AQW（桥式差电流保护），电容器选用型号为BAMX73/-20000-1W，每相1台，电流互感器保护变比为30∶5，箱式电容器整定值计算适用公式[2]见表2。
表2 不采用熔断器的无熔丝电容器组不平衡保护计算方式
计算可得，初始不平衡输出为99 mA，整定值为770 mA。可见，保护灵敏度裕度很大，从此角度看，选择没有问题。但是实际装置布置如图2所示，该方案主要问题是放电线圈和电流互感器的布置，两者无法同时兼顾使得整个装置安装顺畅，下图方案已是经过多次调整后的最优布置方式，但是放电线圈处走排还是比较碍事，需采用高度差实现。
5.4 寻找并验证更合理的方案
因此需要寻找更合理的方案，总体而言不平衡电流保护装置的复杂程度都是高于不平衡电压保护装置的，而开口三角电压保护的保护灵敏度相对最低，适用于小容量装置。故验证相电压差动保护即可。
装置型号为TBB 66-60000/20000-ACW（相电压差动保护），电容器选用型号为BAMX73/-20000-1W，每相1台，放电线圈保护变比为73/2∶0.1，计算可得，初始不平衡输出为0.5 V，整定值为2 V。可见，保护灵敏度满足要求。实际装置布置如图3所示，可见相比图2整个装置的走线要顺畅很多。而且就制造成本考虑，也是采用相电压差动保护更具有优势。在将方案对比呈现给用户后，用户也认同改用了相电压差动保护方式。
图2 采用桥式差电流保护
图3 采用电压差动保护
壳式电容器与集合式电容器和箱式电容器所组成的装置有很大差别，这是由其本身内部结构及外形所造成的，可以看到，两种形式的电容器装置设计不可简单的相互套用。
电容器装置想要持续稳定运行，需要选择合适的继电保护方式，在满足继电保护灵敏度的前提下，还要考虑工程实际方案是否可行。选择继电保护方式需要2步验证，首先需要通过理论计算，计算保护灵敏度是否满足要求，这一点相对简单，各厂家根据自身实际情况进行计算即可。其次则需对装置根据选定的继电保护方式进行成套布置方案，方案布局需要合理，如果无法协调装置内各设备间的布局，需要重新考虑其他继电保护方式。只有理论计算和实际布局都满足设计需要，才是合理的继电保护方式。
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