关于并联电容器用串联电抗器的保护问题分析(下) （c）多起干式空芯电抗器烧毁事故——或因安装不当或因产品质量缺陷
干式空芯电抗器几起事故都是在电容器装置投运后不久发生的，现举4例，按事故原因初析可分为以下两种。
①产品存在缺陷
一起发生在杭州220kV闻堰变电所，该所拟装设2组35kV容量为18Mvar电容器装置，双星形接线，中性点侧串接电抗率为12％电抗器，装置户外安装。当第一组投运不久，在运行中有1台电抗器起火燃烧，线圈严重烧毁，动用大量灭火器材才将大火扑灭，更换1台电抗器后重新投运不久又发生同一臂不同相的另1台电抗器严重烧毁。为了诊断事故起因，经再更换电抗器后进行多次投切试验检测和电容器组投入前后的谐波测试，结果表明电容器与电抗器外部工作条件正常（谐波含量不超标，美国乔司林VBM—34型真空负荷开关操作性能良好，无异常过电压过电流），在这之后装置正常运行，无疑表明发生事故的2台电抗器自身存在问题。
另一起发生在绍兴地区220kV牌头变电所，该所装设2组35kV容量为12Mvar电容器装置，采用单台单相4Mvar集合式电容器，串接电抗率为4．5％电抗器，装置户外安装。幸巧值班员在交接班巡视时发现1台电抗器在冒烟，即行切除停运而避免起火燃烧。事后检查发现该电抗器中部一个包封端部开裂进水绝缘损坏，线圈匝间短路。
②安装使用不当
一起发生在福州市110kV王庄变电所，该所装设2组10kV容量为8．4Mvar电容器装置，串接电抗率为6％电抗器，装置户内安装。在运行半年后有1台电抗器烧毁，经查系因设计的电容器室高度不足，三相电抗器叠装后离楼板净距只有30cm，漏磁与环流影响使电抗器长时间局部过热绝缘破坏引起匝间短路。
另一起发生在石狮市220kV山兜变电所，该所扩容装设了3组10kV容量为10Mvar电容器装置，串接电抗率为6％电抗器，电容器装置户内安装。由于电容器室场所限制，将原设计按品字形平装的电抗器改成按L字形两相叠装一相平装，改变了原设计运行条件的叠装电抗器中的1台因长时间过热而烧毁。
3现有继电保护存在问题
在上述几例事故中，“小电抗”（三相对地短路）和“铁芯电抗器”（电容器被短接）的事故，以及“山兜变电抗器”（上层电抗器燃烧时，导线熔化滴落至下层电抗器引发相间闪络短路）的事故，均属过流保护和速断保护的保护范围，故保护动作开关跳闸；其它3例中，“牌头变电抗器”事故是值班员巡视发现、“王庄变电抗器”事故是靠烟火报警器动作避免事故扩大、“闻堰变电抗器”两次事故是当值班员发现烟火弥漫时中性线不平衡电流保护才动作。鉴此，有必要对现有电容器装置的各种保护装置在电抗器发生故障时的动作行动进行研究分析。
3．1过电流与速断保护对电抗器故障不起作用
众所周知，在同一电源电压（US）和同一电容器组容抗（XC）的情况下，其串接电抗器的电抗率（k）越高，流过电容器回路的电流（IC）将越大，反之亦然。它们之间的关系如（1）式所示。
可见，一旦电抗器出现线圈匝间短路愈甚，其电感值随之愈小（k愈小），则回路电流IC愈小，直到电抗器完全短路k＝0，IC最小。所以，设置作为电容器过负荷和回路引线相间短路的过电流和速断保护，无法对电抗器保护作用。
3．2“压差”和“桥差”保护对电抗器故障亦不起作用从设置作为检测电容器内部故障的电压差动保护和桥式差动保护的工作原理显而易见，只要电容器不发生故障，即使电抗器全部短路，其差压或差流都等于零。
3．3开口三角电压保护难以保护电抗器故障在单星形接线的电容器组中，当某相电抗器发生故障时，就会引起三相回路阻抗的不平衡，中性点电位发生偏移，开口三角就会出现零序电压（其值为3倍的中性点偏移量）。开口三角电压（Uk）与非故障相电抗器的电抗率（k），以及故障电抗器的感抗降低率（α）（正常时α＝0，完全短路时α＝1，以此类推）等之的关系，如式（2）所示。
式中，US为电容器装置接入处电源相电压。用（2）算出在不同的k、α情况下Uk与US数值关系的部分结果如表1所示。由于电容器容抗远大于电抗器感抗，通常因故障而切除1或几台电容器后所出现的开口三角电压（U′k）大于电抗器故障情况，该电压可用式（3）计算：式中，D为开断故障电容器的台数，N为每相电容器的串联段数，M为每相各串联段电容器并联台数。在保证有较大安全裕度（故障电容器切除后应保证健全电容器的运行端电压不超过允许值且有裕度）和足够的保护灵敏度（灵敏系数取1.25-1.5）的前提下，根据电容器组不同的M与N，开口三角保护整定值取值范围为0.08-0.15US。所以，对于电抗率为6%及以下的电抗器故障，保护不会动作；对于电抗率为12％～13％的电抗器故障，保护即使动作电抗器已濒临短路，甚至处于保护死区。
3.4中性线不平衡电流保护亦同样难以保护电抗器故障
在双星形接线的电容器中，当某相某臂的电抗器发生故障时，该相两臂阻抗的不平衡，就会引起中性线出现不平衡电流，该电流与正常电抗器的电抗率k，故障电抗器的感抗降低率，以及每相每臂电容器额定电流（Ice）的关系如式（4）所示：用式（4）算式在不同k、α情况下I0与Ice数值关系的部分结果如表2所示。同样道理，因故障切除1或几台电容器后在中性线上所出现的不平衡电流大于电抗器故障情况，该电流值（I′0）可用式（5）计算：保护整定按上述相同原则，不平衡电流保护整定值取值范围为0．06～0．15Ice。所以，对于电抗率为6％及以下的电抗器故障，保护不会动作；对于电抗率为12％～13％的电抗器故障，保护即使动作电抗器已濒临短路，甚至处于保护死区。
4、电抗器专用保护的设想
为了及早发现电抗器故障并及时切除电容器装置，避免事故扩大酿成大害，考虑设置电抗器专用保护是十分必要的。从准确可靠与经济实用的要求出发，提出采用以下两种保护方式的设想：
（a）设置烟火报警器
在户内电抗器室，或在户内电容器室中靠电抗器侧的近处装设具有高灵敏度的烟火报警器，一旦电抗器发生匝间短路出现烟气或烟火时，报警器动作报警，或同时动作切除电容器装置（对于无人值守变电所尤为重要）。此种保护方式适用于户内安装的干式电抗器，不论是“大电抗”还是“小电抗”，不论是“干式空芯”还是“干式铁芯”。
（b）设置电抗器端电压保护
采用专用的电压互感器跨接于电抗器的两端，检测电抗器的端电压变化，如端电压降低到一定限值（如80％电抗器额定端电压），保护动作切除故障。此种保护适用于电抗率为4．5％及以上的“大电抗器” |
