6.1 保护装置

    本条规定的含义在于：为了电容器的安全运行，单台电容器内部故障保护不能缺少，但装设哪种方式(内熔丝、外熔断器或继电保护)，取决于两点，一是电容器本体情况：是否具备装设内熔丝条件；无内熔丝电容器是否能选择得到合格的外熔断器(额定电流超过50A无试验合格的熔断器产品供选择)；二是本地区的实践经验。本条修订条文特别提出了应在满足并联电容器组安全运行的前提下，根据当地实践经验选择保护方式的要求。本条不做限制性规定，留有选择的余地。

6.1.2  电容器发生故障以后，其电容量发生变化，将引起电容器组内部相关的两部分之间的电容量不平衡，利用这种特性可以构成各种保护方式。本条第1款～第4款所列的4种保护方式是最常用的。其基本原理是利用电容器组内部相关的两部分之间电容量之差，形成的电流差或电压差构成的保护，故称为不平衡保护(不平衡电流保护或不平衡电压保护)。单台电容器内部故障保护可以选择内熔丝、外部熔断器或继电保护。为防止电容器组内部故障(某一台或几台电容器故障)，必须装设不平衡保护。不同电压与不同容量的电容器组有不同的接线方式，不同接线方式又有不同的不平衡保护方式供选择，无论哪一种电容器组都必须配备一种不平衡保护，这是电容器保护的重要原则，必须遵循。本次修订增加了对于110kV及以上电压等级并联电容器装置应使用双桥差保护，原因是随着容量的增加，一组并联电容器所含电容器台数更多，如66kV电压等级并联电容器装置容量一般不超过120Mvar，但110kV电压等级并联电容器装置容量达到240Mvar，对110kV并联电容器装置若仍采用单桥差保护，其灵敏度虽仍能满足要求，但较66kV及以下并联电容器装置保护灵敏度已大大降低，根据目前1000kV特高压变电站工程经验，110kV电压等级并联电容器装置采用双桥差保护更加合理。

    电容器发生故障，最显著的特征是引起电容器电压升高，一旦电压升高超过允许值，保护必须动作。电容器的IEC标准和我国国家标准，均规定了电容器长期运行的工频过电压倍数，据此，形成了各种不平衡保护动作条件(不平衡电流保护其实质仍然是电容器过电压)。各种保护方式的采用情况大致是：单台电容器内熔丝与继电保护配合，现在已是常用保护方式；外熔断器与继电保护配合的保护方式将会逐渐减少；无熔丝电容器组采用不平衡保护作为单台电容器和电容器组内部故障保护，这种方式在工程中采用较少。工程中常用的不平衡保护有以下4种：

    (1)开口三角电压保护(三相电压不平衡保护)：将放电线圈的一次侧与单星形接线的每相电容器并联，放电线圈的二次线圈接成开口三角形，在三角形连接的开口处接一个低整定值的电压继电器，这样就构成了开口三角电压保护。这种保护方式的优点是：不受系统接地故障和系统电压不平衡的影响、不受三次谐波的影响、灵敏度高、使用的设备数量少、安装简单，是国内中小容量电容器组(20Mvar及以下)常用的一种保护方式，10kV电压等级中应用最多。应当注意：当这种保护用于多段串联的电容器组时，由于放电线圈的电压变比大，保护动作信号小，保护整定值难以与电容器内熔丝配合；放电线圈三相性能差异和电源三相不平衡都会产生起始不平衡电压，将影响保护灵敏度。

    (2)电压差动保护：必须具备的条件是电容器组每相要有两个及以上的串联段组成，两个串联段的电压值相等(也可以不相等，而且，采用不相等配置方式可以提高保护灵敏度，在集合式电容器上早就这么用了)，放电线圈的两个一次线圈电压应与串联段的电容器端电压相配合，放电线圈的一次线圈与电容器并联连接，放电线圈的两个二次线圈，按差电压接线并连接到电压继电器上，即构成了电压差动保护。这种保护方式的优点是：不受系统接地故障和系统电压不平衡的影响、动作比较灵敏、根据动作指示可以判断出故障相别。这种保护方式的缺点是：使用的设备比较复杂、特殊情况需要增加设置电压放大回路、对称故障时，保护不会动作。这种保护10kV电压等级较少采用，主要用于35kV电压等级，容量不超过20Mvar。应当注意：这种保护的灵敏度也要受放电线圈性能的影响；当电容器组的串联段增多时，保护灵敏度显著降低，使适用范围受到限制。

    (3)桥式差电流保护：当电容器组的串联段数为双数并可分成两个支路从而形成桥接线时，在桥路上接一台电流互感器，即构成桥式差电流保护。这种保护最先是在东北地区的66kV电容器组上采用，现在，大容量35kV电容器组也开始采用。其优点是：由于保护是分相设置的，根据动作指示可以判断出故障相别；不受外界因素影响；保护灵敏度高。缺点是发生对称故障时，保护不动作。需要注意：为了耐受故障状态时的涌放电流，不平衡保护用电流互感器需选择加强绝缘型或在满足保护灵敏度的前提下提高变比，但也有大容量的内熔丝电容器组，为了保证安全选择特殊变比的电流互感器，变比有：5/1A或3/1A甚至1/1A。

    (4)双星形中性点不平衡电流保护：将一组电容器分成两个星形电容器组，其容量相等(也可以不相等，原理可行，也有保护整定计算公式，就是在实际工程中少有应用)，在两个星形接线的中性点间装设小变比的电流互感器，即构成了双星形中性点不平衡电流保护。这种保护在10kV和35kV两种电压等级都有应用，并有成功的经验。保护的优点是：若三相与两臂电容量均衡，则保护不受外界影响、保护灵敏度高；其缺点为：电容器组安装时调平衡较麻烦；对称故障时保护不动作。应当注意：容量超过20Mvar的电容器组，由于保护灵敏度不够，已经出现不少事故，现在均以桥式差电流保护替代；中性点连线上的电流互感器选择时，应选加强绝缘型CT，或在满足保护灵敏度的前提下提高变比的CT，以耐受故障状态时的涌放电流不损坏。

    上述4种保护方式也可检测单台电容器故障，因此，可用来作为单台电容器内部故障保护。无论是不平衡电流或是不平衡电压，保护整定原则都是一致的：当采用外部熔断器保护时，一台或多台电容器的外部熔断器熔丝熔断后，将引起正常电容器过电压，不平衡保护整定值按单台电容器过电压允许值确定，电容器工频过电压允许值按电容器额定电压的1.05倍，这在标准中是有规定的；当采用内熔丝保护和无熔丝保护时，不平衡保护的整定值应按故障电容器内部正常元件的过电压不超过允许值确定，电容器元件过电压允许值通常按1.3倍。为了避免由投切或其他瞬态过程引起保护误动作，不平衡保护应有一定延时，典型的延时整定为0.1s～1.0s，对于装设有外部熔断器的电容器组，不平衡保护与熔断器的配合也是特别重要。

    需要说明，不平衡保护(不平衡电流或不平衡电压)有一个通病：当出现对称故障时(如双星形接线的同相臂上出现相同故障)不能反映。对外熔丝电容器组来说，由于电容器台数并不是很多，发生对称故障的概率很小，问题也就不大；但对内熔丝电容器组的电容器元件确是非常之多，发生对称故障的可能性大大增加，这是应当注意的问题之一；内熔丝电容器组还有两个应注意的问题：内熔丝电容器隔离元件引起的电容量变化比外熔丝隔离整台电容器要小得多，要求保护必须非常灵敏，保护的动作值还必须躲过电容器组的起始不平衡值；内熔丝电容器元件过电压比单台电容器整台过电压更早、更高，因此，保护整定值应按元件过电压允许值考虑；不平衡保护的另一个问题是起始(或初始，下同)不平衡值(电流或电压)，起始不平衡最好为零，由于电容器制造都有误差，就是运行时太阳照射不均衡，都会引起各部分之间电容偏差，所以，起始不平衡为零是达不到的。电容器安装时经过调配，应使不平衡量小于一台电容器故障时引起的不平衡量，便于保护识别而动作，否则，就要有相应的措施。

    不平衡保护的整定值应根据不同保护方式进行取值：当采用外熔断器保护时，不平衡保护按单台电容器过电压允许值整定，当作为单台电容器内部故障时应按单台电容器内部元件故障率进行保护整定计算。采用内熔丝保护和无熔丝保护的电容器组，不平衡保护按电容器内部元件过电压允许值整定。

6.1.3  针对并联电容器装置外部引线和配套设备的短路故障，设置带有短延时的速断保护和过流保护，动作于跳闸。由总断路器与分组断路器控制多组电容器分别投切时，电流保护可装设在总回路上。可配置成两段式保护：第一段为短时限的速断保护，第二段为过流保护，与分组过流保护相配合。当串联电抗器装设在电源侧时，分组回路保护动作跳开本回路断路器；分组断路器不满足开断短路电流要求时，电抗器前短路应跳开总断路器。当电抗器装设在中性点侧时，短路故障均应跳开总断路器。应采取措施：加大相间距离，或连接导线采用绝缘材料封包，使跳总断路器的机会减到最少。

    速断保护的动作电流和动作时间，以及过电流保护的动作电流，均考虑了继电保护相关规定和电容器组合闸特性来确定整定值。

6.1.4  由于系统电压波动、谐波、电容器的短路故障，会引起过大的电容器电流，装设电流保护是非常必要的，其作用非常重要。原规范第6.1.4条要求设置过负荷保护，由于过电流与过负荷并无实质性差别，两种保护功能重叠，用过电流比用过负荷更确切，所以，本次修订删除了过负荷保护，只保留过电流保护。

6.1.5  本条规定的目的是为了避免电容器在工频过电压下运行发生绝缘损坏。电容器有承受过电压的能力，在我国现行标准中有具体规定：电容器在1.1倍额定电压下允许长期运行(每24h中8h)；在1.15倍额定电压下允许运行30min；在1.2倍额定电压下允许运行5min；在1.3倍额定电压下允许运行1min。原则上过电压保护可以按标准中规定的电压和时间作为整定值，但是，电网过电压并不是经常出现，为确保安全起见，实际整定值选得比较保守。例如：在1.1倍额定电压时动作信号，在1.2倍额定电压时经5s～10s动作跳闸，延时跳闸的目的是避免瞬时电压波动引起误动。

    过电压保护的电压继电器有两种接法：一是接在放电线圈的二次侧；另一种是接在母线电压互感器的二次侧，这种方式应经由电容器装置的断路器或隔离开关的辅助接点闭锁，以便使电容器装置断开电源后，保护能自动返回，过电压继电器应选用返回系数较高(0.98以上)的晶体管继电器。当设置有按电压自动投切的装置时，可不另设过电压保护，当由自动投切转换为手动投切时应保留过电压跳闸功能。

    当变电站只有一组电容器时，过电压保护动作后应将电容器组的开关跳闸；如有两组以上电容器时，可以动作信号或每次只切除一组电容器，当电压降至允许值即停止切除电容器组(自动或手动)。

6.1.6  并联电容器装置设置失压保护的目的在于防止所连接的母线失压对电容器产生的危害。电容器在运行中突然失压将会产生以下问题：

    (1)电容器组停电后立即恢复送电(有电源的线路自动重合闸)，将造成电容器带电荷合闸，致使电容器过电压而损坏；

    (2)变电站停电后恢复送电，可能造成变压器带电容器合闸，变压器与电容器的合闸涌流，以及过电压将使二者均受到损害；

    (3)停电后恢复送电，可能造成因无负荷而使母线电压过高，这也可能引起电容器过电压。

    基于上述原因，本条规定设置失压保护，保护的整定值既要保证在电容器失压后能可靠动作，又要防止在系统电压瞬间下降时误动作。电压继电器的动作值可整定为50％～60％电网标称电压，带短延时跳闸。

    母线失压保护在时限上一般应考虑以下因素：

    (1)同级母线上的其他出线故障时，在故障切除前，一般不宜先停电容器组；

    (2)当备用电源自动投切装置动作时，在自投装置合上电源前，应先将电容器组回路开关跳闸；

    (3)电源线路停电再重合时，在重合闸前也应先将电容器组回路开关跳闸。

6.1.7  串联电抗器是并联电容器装置中的重要配套设备，长期以来串联电抗器处于无保护下运行，往往是事故扩大了才发现，下面对电容器组保护是否能保护电抗器做以下分析：

    (1)过电流与速断保护对串联电抗器不起作用。在电容器组母线电压不变的情况下，相同容量的电容器组工作电流将是随电抗率K值改变而变化：K值减小，电流也随之下降。当运行中串联电抗器出现匝间短路，电感值减小，引起K值减小，这时回路电流反而变小了，如果电抗器完全短路，这时回路工作电流达到最小值，仅为电容器组电流。作为回路的过电流保护和速断保护，不会有反应。

    (2)电压差动保护和桥式差电流保护对串联电抗器不起作用。从这两种保护方式的保护原理来看，它仅仅是检测电容器内部故障，只要电容器不发生故障，即使串联电抗器完全短路，不平衡电压与不平衡电流，不会检测到变化。

    (3)开口三角电压保护对串联电抗器故障灵敏度低，甚至处于死区。故障原理分析表明：电容器组为1个串联段或K＝5％及以下时的2个串联段，串联电抗器故障处于保护死区；2个串联段时，即使K＝12％，要在电抗器的电抗值降低达到40％以上，保护才能检测到，但此时电抗器故障已经很严重了。如电容器组采用内熔丝保护，对串联电抗器保护会有所改善，但仍需校验保护灵敏度。

    (4)中性点不平衡电流保护对串联电抗器故障灵敏度低，甚至处于保护死区。在双星形接线的电容器组中，如果串联电抗器接在电源侧，当某一相电抗器发生故障，虽然引起中性点电位偏移，但电容器组的三相两臂电容量仍然平衡，中性点连线上没有不平衡电流流过，保护不会动作；假如电抗器接在中性点侧，当某相某臂电抗器发生故障，此时，中性点连线上将流过不平衡电流，该电流与电抗率和电抗器击穿故障程度有关：电容器组的串联段为4及以下时，不平衡保护对电抗器的保护效果差，甚至不起保护作用，即使串联段等于4，K＝12％，要电抗器击穿短路大于20％保护才能动作，对电抗器来说是危险的。当不平衡保护与内熔丝保护配合时，对串联电抗器保护会有所改善，仍然需要校验保护的灵敏度是否满足要求。

    为了及早发现串联电抗器故障并及时切除并联电容器装置，避免事故扩大酿成更大的损失，如经校验电容器组保护无法对电抗器提供有效保护时，就要考虑设置串联电抗器专用保护，特别是对无人值班变电站，尤其必要。

    从准确可靠与经济实用出发，针对不同结构的电抗器设置不同形式的保护。油浸式铁心电抗器宜装设瓦斯保护，瓦斯保护是判断油浸式电抗器故障的有效措施。装设瓦斯保护的串联电抗器的起点容量可为0.18MV·A及以上，起点容量不做严格规定，小于0.18MV·A的电抗器也可装设瓦斯保护。其他形式的串联电抗器，如：干式空心、干式铁心、干式半心电抗器，也应设置适当的有效保护，避免事故扩大。在屋内靠近串联电抗器附近，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、烟火时，报警器动作报警或同时切除并联电容器装置；对于电抗率大于4.5％的电抗器可采用专用的电压互感器，跨接于电抗器两端，检测电抗器运行中的端电压变化，设置端电压保护，当电抗器的端电压降低到一定程度(如85％)，保护动作切除并联电容器装置。对于电抗率小端电压小的电抗器，由于电抗器故障时的端电压变化小，检测困难，保护的有效性差。这种基于端电压变化原理的保护，很少出现在工程中。倒是与串联电抗器并联连接的过电压阻尼装置，已经在很多工程中应用，据说取得了很好的效果，在特高压变电站的110kV电容器组中也装设了这种设备。

6.1.8  为了防止电容器外壳直接接地的电容器组，发生电容器极对壳绝缘击穿，或套管闪络击穿后，没有接地保护，不能即时发现处理，时间过长可能在另一相发生同类事故，引起多相接地而引起事故扩大。装设在绝缘台架上的电容器组，发生上述故障时，电容器组的绝缘台架对地仍然是绝缘的，所以，这种电容器组可不装设单相接地保护。

6.1.9  本条为针对集合式电容器的特点设置的保护。

6.1.10  本条为指导性规定，供用户在低压电容器柜订货时对设备的保护功能提出要求。其中短路保护、过电压保护和失压保护是应具备的基本保护。谐波电流进入电容器将造成电容器过电压和过电流，对电容器有不利影响，是造成电容器损坏的原因之一。因此，电容器接入点的低压电网有谐波时，宜设置谐波超值保护。谐波超值保护的限值按0.69倍电容器额定电流考虑，则电容器最大电流不会超过1.30倍电容器额定电流，这样就可以不装设过电流保护元件，当未装设谐波超值保护时，应装设过电流保护器件。