關于并聯電容器用串聯電抗器的保護問題分析(下) （c）多起干式空芯電抗器燒毀事故——或因安裝不當或因產品質量缺陷
干式空芯電抗器幾起事故都是在電容器裝置投運后不久發生的，現舉4例，按事故原因初析可分為以下兩種。
①產品存在缺陷
一起發生在杭州220kV聞堰變電所，該所擬裝設2組35kV容量為18Mvar電容器裝置，雙星形接線，中性點側串接電抗率為12％電抗器，裝置戶外安裝。當第一組投運不久，在運行中有1臺電抗器起火燃燒，線圈嚴重燒毀，動用大量滅火器材才將大火撲滅，更換1臺電抗器后重新投運不久又發生同一臂不同相的另1臺電抗器嚴重燒毀。為了診斷事故起因，經再更換電抗器后進行多次投切試驗檢測和電容器組投入前后的諧波測試，結果表明電容器與電抗器外部工作條件正常（諧波含量不超標，美國喬司林VBM—34型真空負荷開關操作性能良好，無異常過電壓過電流），在這之后裝置正常運行，無疑表明發生事故的2臺電抗器自身存在問題。
另一起發生在紹興地區220kV牌頭變電所，該所裝設2組35kV容量為12Mvar電容器裝置，采用單臺單相4Mvar集合式電容器，串接電抗率為4．5％電抗器，裝置戶外安裝。幸巧值班員在交接班巡視時發現1臺電抗器在冒煙，即行切除停運而避免起火燃燒。事后檢查發現該電抗器中部一個包封端部開裂進水絕緣損壞，線圈匝間短路。
②安裝使用不當
一起發生在福州市110kV王莊變電所，該所裝設2組10kV容量為8．4Mvar電容器裝置，串接電抗率為6％電抗器，裝置戶內安裝。在運行半年后有1臺電抗器燒毀，經查系因設計的電容器室高度不足，三相電抗器疊裝后離樓板凈距只有30cm，漏磁與環流影響使電抗器長時間局部過熱絕緣破壞引起匝間短路。
另一起發生在石獅市220kV山兜變電所，該所擴容裝設了3組10kV容量為10Mvar電容器裝置，串接電抗率為6％電抗器，電容器裝置戶內安裝。由于電容器室場所限制，將原設計按品字形平裝的電抗器改成按L字形兩相疊裝一相平裝，改變了原設計運行條件的疊裝電抗器中的1臺因長時間過熱而燒毀。
3現有繼電保護存在問題
在上述幾例事故中，“小電抗”（三相對地短路）和“鐵芯電抗器”（電容器被短接）的事故，以及“山兜變電抗器”（上層電抗器燃燒時，導線熔化滴落至下層電抗器引發相間閃絡短路）的事故，均屬過流保護和速斷保護的保護范圍，故保護動作開關跳閘；其它3例中，“牌頭變電抗器”事故是值班員巡視發現、“王莊變電抗器”事故是靠煙火報警器動作避免事故擴大、“聞堰變電抗器”兩次事故是當值班員發現煙火彌漫時中性線不平衡電流保護才動作。鑒此，有必要對現有電容器裝置的各種保護裝置在電抗器發生故障時的動作行動進行研究分析。
3．1過電流與速斷保護對電抗器故障不起作用
眾所周知，在同一電源電壓（US）和同一電容器組容抗（XC）的情況下，其串接電抗器的電抗率（k）越高，流過電容器回路的電流（IC）將越大，反之亦然。它們之間的關系如（1）式所示。
可見，一旦電抗器出現線圈匝間短路愈甚，其電感值隨之愈小（k愈小），則回路電流IC愈小，直到電抗器完全短路k＝0，IC最小。所以，設置作為電容器過負荷和回路引線相間短路的過電流和速斷保護，無法對電抗器保護作用。
3．2“壓差”和“橋差”保護對電抗器故障亦不起作用從設置作為檢測電容器內部故障的電壓差動保護和橋式差動保護的工作原理顯而易見，只要電容器不發生故障，即使電抗器全部短路，其差壓或差流都等于零。
3．3開口三角電壓保護難以保護電抗器故障在單星形接線的電容器組中，當某相電抗器發生故障時，就會引起三相回路阻抗的不平衡，中性點電位發生偏移，開口三角就會出現零序電壓（其值為3倍的中性點偏移量）。開口三角電壓（Uk）與非故障相電抗器的電抗率（k），以及故障電抗器的感抗降低率（α）（正常時α＝0，完全短路時α＝1，以此類推）等之的關系，如式（2）所示。
式中，US為電容器裝置接入處電源相電壓。用（2）算出在不同的k、α情況下Uk與US數值關系的部分結果如表1所示。由于電容器容抗遠大于電抗器感抗，通常因故障而切除1或幾臺電容器后所出現的開口三角電壓（U′k）大于電抗器故障情況，該電壓可用式（3）計算：式中，D為開斷故障電容器的臺數，N為每相電容器的串聯段數，M為每相各串聯段電容器并聯臺數。在保證有較大安全裕度（故障電容器切除后應保證健全電容器的運行端電壓不超過允許值且有裕度）和足夠的保護靈敏度（靈敏系數取1.25-1.5）的前提下，根據電容器組不同的M與N，開口三角保護整定值取值范圍為0.08-0.15US。所以，對于電抗率為6%及以下的電抗器故障，保護不會動作；對于電抗率為12％～13％的電抗器故障，保護即使動作電抗器已瀕臨短路，甚至處于保護死區。
3.4中性線不平衡電流保護亦同樣難以保護電抗器故障
在雙星形接線的電容器中，當某相某臂的電抗器發生故障時，該相兩臂阻抗的不平衡，就會引起中性線出現不平衡電流，該電流與正常電抗器的電抗率k，故障電抗器的感抗降低率，以及每相每臂電容器額定電流（Ice）的關系如式（4）所示：用式（4）算式在不同k、α情況下I0與Ice數值關系的部分結果如表2所示。同樣道理，因故障切除1或幾臺電容器后在中性線上所出現的不平衡電流大于電抗器故障情況，該電流值（I′0）可用式（5）計算：保護整定按上述相同原則，不平衡電流保護整定值取值范圍為0．06～0．15Ice。所以，對于電抗率為6％及以下的電抗器故障，保護不會動作；對于電抗率為12％～13％的電抗器故障，保護即使動作電抗器已瀕臨短路，甚至處于保護死區。
4、電抗器專用保護的設想
為了及早發現電抗器故障并及時切除電容器裝置，避免事故擴大釀成大害，考慮設置電抗器專用保護是十分必要的。從準確可靠與經濟實用的要求出發，提出采用以下兩種保護方式的設想：
（a）設置煙火報警器
在戶內電抗器室，或在戶內電容器室中靠電抗器側的近處裝設具有高靈敏度的煙火報警器，一旦電抗器發生匝間短路出現煙氣或煙火時，報警器動作報警，或同時動作切除電容器裝置（對于無人值守變電所尤為重要）。此種保護方式適用于戶內安裝的干式電抗器，不論是“大電抗”還是“小電抗”，不論是“干式空芯”還是“干式鐵芯”。
（b）設置電抗器端電壓保護
采用專用的電壓互感器跨接于電抗器的兩端，檢測電抗器的端電壓變化，如端電壓降低到一定限值（如80％電抗器額定端電壓），保護動作切除故障。此種保護適用于電抗率為4．5％及以上的“大電抗器” |
