（云南电网公司大理供电局 云南大理 671000）
摘要：本文主要阐述了电力系统中无功补偿设备的作用及维护方法，通过理论分析变电站中的双星形接线电容器组不对称故障参数，确定了产生电容器组中性点差流的主要原因和影响因素，并运用MATLAB软件仿真分析了不对称故障与各个参数间的联系，得出了三相星臂阻抗参数的不均衡是产生中性点不对称故障的主要原因这一结论。最后，文章结合现场试验数据和实践经验，提出了降低中性点不平衡电流的有效措施。
关键词:无功补偿; Matlab仿真; 接触电阻; 差流保护
Abstract：This article focused on the functions and maintenance methods of reactive power compensation equipment in power system，Among theoretical analysis parameters of the transformer substation unbalance malfunction Y-Y connected capacitors，Identified the main causes and influencing factors of the capacitors neutral point difference current. And it got connections between the parameters with unbalance malfunction by using MATLAB software simulation. This article made a conclusion that Three-phase star arms impedance parameters determined the unbalance malfunction. Finally, the article Proposed some effective measures to Solve the unbalance malfunction by combing with field test data and practical experience.
Keywords: Reactive power compensation; Matlab simulation; Contact resistance; Differential current protection
一、引言
双星形接线方式的电容器组作为无功补偿设备在电网中已被广泛使用。这是由于电力系统中的用电设备在使用时会消耗无功功率，而且通常是电感性的，它会使电源的容量使用效率降低，因此在系统中适当地增加电容器组的运行，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少无功功率在电网中的流动，可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，提高了功率因数。
大容量的电容器组通常采用双星形接线，为了保障无功补偿设备的安全稳定运行，双星形电容器组采用了不同于过流保护的灵敏度较高的中性点不平衡电流和同相差压保护方式。中性点不平衡电流保护动作灵敏度高的特点，使其能够准确灵敏地反映出电容器参量的变化以及各种类型内部故障，有效地防止事故的发生。但是，双星形接线电容器组在实际运行中存在2个方面的问题：其一，中性点不平衡电流保护在保护动作电流较小时检查试验结果往往是符合规程要求的，这时查找故障原因将花费较大的人力物力，甚至找不出故障原因，影响恢复供电；其二，正常运行时若初始不平衡电流偏大，保护装置将频繁启动、过载运行，容易引起保护误动。不平衡电流和压差值的偏大都可能会产生电容器组的不对称故障。
因此无功补偿设备的运行维护尤其重要，为此我们非常有必要研究产生双星形电容器组不对称故障的原因及主要因素。
二、双星型电容器组的不对称故障
（一）中性点引出线接触电阻引起的不对称故障
2012年，某变电站35kVII段1号电容器组C相中性点引出线发热，导致中性点流过不平衡电流0.42A，保护整定值为0.63A。中性点电流互感器的变比为20/5A，A、B、C三相电压互感器的变比为35/√3:0.1/√3kV。检修试验人员到现场检查后发现，C相引出线与中性点连接部分的铜丝已严重生锈，情况如图所示：
图1 引出线连接处
由于连接部分为开口型线鼻子，铜丝有一部分裸露在空气中，很容易受湿度、高温等天气的影响而迅速氧化形成氧化膜，期间的接触电阻明显增大。现场检修试验人员把原铜开口型线鼻子改成压接型铜鼻子，然后把铜线前端压接部位打磨处理并涂导电膏后压接，铜鼻子和铜排搭接处也进行打磨处理后涂导电膏加以连接。并联电容器组正常投入运行。
（二）双星形电容器组出现差压差流
2012年，某500kV变电站35kV1号电容器组A相出现差压2.6V，A相的差压保护整定值为3.4V，双星形电容器组中性点流过差流1.70A，保护整定值2.0A。中性点电流互感器的变比为20/5A，A、B、C三相电压互感器的变比为35/√3:0.1/√3kV。试验人员到现场检查后发现A相其中有一只电容器的额定电容量为53μF,而A相的其他19只电容器电容量仅为45μF。
（三） 变电站倒闸操作时电容器组的熔断丝熔断、保护动作
某变电站10kV电容器组在变电站倒闸操作时A相电容器组的8只电容器熔断丝熔断，保护动作。经现场检查发现其中有一只电容器的电容量测量值与额定值比较相差43%，此电容器外壳有明显的漏油现象。试验人员更换了熔断丝后，在B、C各退出了一只额定电容与之相近的电容器，电容器组之后正常投入运行。
三、MATLAB仿真分析
为了探讨电容器组不对称故障出现的原因及影响因素，笔者以上述某500kV双星形电容器组为例，对双星形接线的电容器组进行Matlab软件仿真。
从现场试验数据来分析，此电容器组的放电线圈（PT）试验数据均在合格范围内，中性点电流互感器试验合格，排除了这两种设备引起不对称故障的可能性。因此，为了更准确的仿真分析此次电容器组不对称故障的主要影响因素，我们在Matlab仿真中忽略放电线圈与中性点电流互感器的影响。
双星形电容器组的接线方式如下图所示：
图3 双星形接线电容器组A/B/C单相接线图
图2中电容器组的两个星形的中性点通过N1和N2连接，图3为每一相的多只电容器组串并联图，油图中可以看出，每一相均由20只电容器串并联组成。
(一)Matlab软件仿真中性点引出线接触电阻的影响
中性点引出线与铜排的连接处因氧化对外变现为一个接触电阻，当电流增大到可以击穿其氧化层是，接触电阻减小，电流减小后其间的接触电阻由增大，本文在这里取10Ω进行分析，Matlab软件仿真中性点引出线接触电阻的接线图如下图所示：
图4 接触电阻影响Matlab仿真接线图
其中A2模拟了与中性点引出线接触电阻串联的电容器，在A2、A4上端测量电压并取它们之间的差值用示波器显示其波形：
图6 中性点不对称电流有效值仿真测量图
中性点电流互感器的变比为20/5A，所以仿真的差流值为0.44A，与实际的测量值相差不大，而此时仿真的接触电阻的大小为10Ω，接触电阻的增大对不平衡电流和本相差压的影响随之增大。
（二）Matlab软件仿真星臂阻抗不平衡的影响
上述星臂阻抗参数不均衡产生不对称故障参数，我们忽略放电线圈与中性点电流互感器的影响。用Matlab软件仿真分析了某500kV变电站35kV1号电容器组A相电容量不平衡这个过程，其仿真原理接线图所下所示：
图7 星臂间阻抗参数不均衡的Matlab仿真接线图
其中A相的A4中的电容器有一只电容器仿真的额定值为53μF,而A相的其他19只电容器电容量为45μF左右。
本文首先设置了电源的仿真参数，让它来模拟相当于35kV系统的电源装置，其线电压测量如下图所示，由图中可以看出，本次仿真35kV系统的波形、幅值与变电站的同一电压等级相仿。
图8 A\B相间线电压仿真测量图
（1）采集的A2\A4电容器、整相电压波形如下图所示：
图9 A2\A4电容器电压波形仿真比较图
图中，黄色曲线为A相相电压波形曲线，红色波形曲线是A4端电压波形，绿色曲线为A2端的电压波形，图中可以明显看出A2\A4电容器间存在电压差。为了得到更明显的差压数值我们在Matlab软件仿真中通过逻辑计算器仿真出A2\A4电容器间电压差的有效值波形，其一次差压达到860V左右，二次电压为2.46V，保护整定值为3.4V，如下图所示：
图10 A2\A4电容器器电压差有效值仿真图
（2）中性点不对称电流的仿真波形：
中性点不对称电流波形和有效值的仿真波形：
图11 中性点流过的波形及有效值仿真图
从图中可以读出不平衡电流数值，一次电流为7A左右，二次电流为1.75A.与本次故障读到的数据误差仅为2.9%。
四、现场试验分析
（一）双星形接线电容器组差流的计算
下图是其中一个星臂的串并联接线图：
图12 星臂电容器串并联图
由串并联电路求得星臂电容量公式：
………………………………①
图12 双星形接线电容器组电流方向图
（二）不平衡电流理论分析
由以上公式⑧、⑨分析可知
（1）A、B、C三相各星臂的参数不完全均衡是产生中性点不平衡电流的主要原因，各星臂参数不完全均衡，中性点机就会有不平衡电流，参数相差越大，不平衡电流也越大。当YA1=YA2、YB1=YB2、YC1=YC2时即使UA、UB、UC三相电源不平衡，中性点电流也等于0，即没有不平衡电流。
因此我们看到的双星形接线电容器组YA1≠YA2，主要是为了保证发生UA、UB、UC三相电源不平衡是能及时得到控制。
（2）若YA1≠YA2、YB1≠YB2、YC1≠YC2 ，但YA1= YB1= YC1， YA=YB=YC ，中性点电流It=0。双星形接线的电容器组，若每个星形的A、B、C三相参数是相等的，即使星形1与星形2的参数不一样，也不会产生中性点不平衡电流。
(3）若YA1/ YA =YB1/ YB =YC1 / YC 即星形1与星形2对应相的参数成比例，则中性点电流IL=0。假设A相电容器组星形1中有电容器损坏，若更换的不同批次的新电容与原电容之间参数有一定差别（假设原电容是平衡的），当仅仅更换A相星形1中损坏的电容时，平衡关系将被打破，则会出现不平衡电流，因此，根据容量把新电容器平均地分配在A、B、C三相的星形1和星形2中，有助于重新保持平衡关系，减少中性点不平衡电流。
（4）若各星臂的参数既不相等、也不成比例关系，则中性点一定会产生不平衡电流，不平衡电流大小主要取决于各电容参数的差异。
（5）若要使各参数均衡，除了电容器参数应尽可能相等外，6个放电PT的等效阻抗也应尽可能一致。由于放电PT铁心存在饱和现象，当放电PT没有饱和时，等效阻抗呈高阻抗，计算时可以忽略；当放电TV饱和时，等效阻抗大大降低，这时会对中性点不平衡电流产生较大影响，因此，应选择抗饱和能力强、伏安特性一致的放电PT。
五、结论
双星形接线电容器组不对称故障的产生主要是由于电容器组各相各星臂电容量不均衡产生的，因此，可以根据现场实测的电容器容量，以It=0为目标函数，通过优化调整使电容器组的2个星形满足如下条件：YA1= YB1= YC1， YA2=YB2=YC2, 或尽量使参数一致，就可以大大降低正常运行时中性点的不平衡电流。
参考文献
[1] 吴天明，赵新力，刘建存，《MATLAB 电力系统设计与分析》，国防工业出版社.
[2] 张昭南，星形电容器容量不相等的双星形接线中性点不平衡故障电流的计算,广西电力技术，2000.
[3] 于群，曹娜，《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》.
[4] 李光琦，《电力系统暂态分析》，中国电力出版社.
论文作者:苏静
论文发表刊物:《电力设备》2016年第15期
论文发表时间:2016/11/5
标签：电容器论文; 双星论文; 电流论文; 不平衡论文; 接线论文; 星形论文; 波形论文; 《电力设备》2016年第15期论文;