电容器内部故障保护
= 保护配置——鉴于不同产品、不同地域对电容器内部故障保护方式的选择、应用和认知不尽相同，故在GB50227中的第6.1.1条款对此归结为：“电容器故障保护方式应根据各地的实践经验配置”。
= 保护配置——以电容器单台容量的大小和电容器内部的接线方式的区别来选择主保护方式；以电容装置的容量与电压等级的区别来选择电容器组的接线与不平衡保护方式。
= 后备保护——应考虑主保护失效后，后备保护还能起作用。即当外熔丝或内熔丝失效后，故障电容器进入无内外熔丝保护的故障状态，后备保护能起作用。
5 不平衡保护作用应充分发挥
首先分析按保护配合整定的原则设置的不平衡保护在主保护外熔丝或内熔丝失效后能否起到保护作用？
以单星形开口三角电压保护为例：
3N(B1-1)Uce
Udz-1=与外熔丝配合整定值： （1） NvKlm(3N-2)3N(B2-1)Uce
U=与内熔丝配合整定值： （2） dz-2
NvKlm[3N(Mn-M+1)-2]3N(B2-1)Uce
U=dz-3无内外熔丝保护时整定值： （3） NvKlm[3N(M-1)+2]例如N=1、M=4、 V 、Nv=110、Klm=1.2、B1=1.1、n=4、B2=1.2，可求得Uce=11000/3
Udz-1ññUdz-3ñUdz-2Ndz-1=14.4V、Udz-2=0.78V、Udz-3=2.6V 。可见， 。其结果表明：当内熔丝保护
失效时，不平衡保护可以起到保护作用；当外熔丝失效时，在电容器内部元件过电压允许值范围内（即使是西安ABB公司提出的允许B2=1.8，其时保护动作值Uo=12.6V），是无法驱动不平衡保护动作，除非故障继续发展，当电容器内部元件串联段击穿率超过50%以上时，保护才能动作。如何实现在电容器内部元件串联段全击穿之前保护能动作跳闸？——这是第一个问题。
要提出第二个问题，为什么采用熔丝和后备保护齐全的大容量电容器组多有发生电容器外壳爆裂事故？究其事故发生与发展的原因是多层次的。现在要研讨的是如何保证电容器内部发生第1个串联段击穿短路时保护能可靠动作跳闸？
（1）不平衡保护采取两段制配合整定——采用外熔丝为主保护的电容器组
对于采用继电保护者，两段制保护需各自设置保护用电压或电流继电器；对于采用微机
保护者，则只需编程设置。以下讨论第二段保护定值和保护动作时间。
由电容器内部元件串联段数（n）、击穿短路段数（d），计算串联段击穿率（β）和估算剩余元件过电压倍数（B）：
b=
B=
n
（5）
n-d
通常β不超过0.5，即B不超过2倍。然后由表1所列算式计算不平衡保护第二段整定值。
dn
（4）
表1 不平衡保护第二段整定算式
接 线 与 保 护 方 式 单星形开口三角电压保护 单星形相电压差动保护 单星形桥式差电流保护 双星形中性点不平衡电流保护
不 平 衡 保 护 第 二 段 整 定 算 式
Udz=Udz=Idz=Idz=
3N(B-1)UceNvKlm[3N( M-1)+2]3N(B-1)UceNvKlm[3N (M-1)+2] （6） （7） （8） （9）
3M(B-1)IceNIKlm[3N(M -1)+4]3M(B-1)Ice
NIKlm[6N(M-1)+5]保护第二段动作时间应与熔断器动作时间配合，一般取60s左右。
（2）不平衡保护的灵敏度是靠电容均衡来保证——采用内熔丝为主保护的电容器组 不平衡保护是建立在主电路在正常状态下电参数均衡的基础上，电容搭配均衡程度是影响保护灵敏度和可靠性的最主要因素。
现行国标GB50227-95和行标DL/T604-1996等规定三相电容器组的任何两线路端子之间、各串联段之间的最大与最小电容之比不超过1.02。
Cmax
如电容器组相间 ，可推算开口三角电压保护的起始不平衡电压（Up）可能=1.02
Cmin
达到2%电容器组额定相电压（Ucx），即Up=0.02Ucx；中性点不平衡电流保护起始不平衡电流（Ip），
可能达到1%电容器组额定电流（Icx），即时Ip=0.01Icx 。
为了避免保护发生误动作，通常要求：Udz≥1.5Up=0.03Ucx；Idz≥1.5Ip=0.015Icx 。这对于保护与外熔丝配合整定是不成问题，但对于保护与内熔丝配合整定，乃至对于无内外熔丝时保护整定往往遇到困难。
以开口三角电压保护为例，从算式（2）、（3）可见，随着电容器组容量的增大（M、N增大）和电容器内部元件串联段数（n）的增加，保护与内熔丝配合整定值（Udz-2），以及无内外
熔丝时保护定值（Udz-3）将大幅度减少。以不同的M、N、n、B2的组合，以及取Klm=1.2、Nv=1（保护一次侧定值）时，整定值计算结果如表2所示。
表2 不同参数组合时的保护整定值 Ucx
M 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
N 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4
n 3 3 4 4 3 3 4 4 3 3 4 4 3 3 4 4
B2 Udz-2 Udz-3 M 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
N 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4
n 3 3 4 4 3 3 4 4 3 3 4 4 3 3 4 4
B2 Udz-2 Udz-3
1.2 0.038 0.100 1.5 0.096 0.250 1.2 0.026 0.100 1.5 0.066 0.250 1.2 0.017 0.063 1.5 0.045 0.156 1.2 0.013 0.063 1.5 0.031 0.156 1.2 0.012 0.045 1.5 0.029 0.114 1.2 0.008 0.045 1.5 0.020 0.114 1.2 0.009 0.036 1.5 0.021 0.0 1.2 0.006 0.036 1.5 0.015 0.0
1.2 0.020 0.045 1.5 0.050 0.113 1.2 0.014 0.045 1.5 0.034 0.113 1.2 0.010 0.025 1.5 0.024 0.063 1.2 0.006 0.025 1.5 0.016 0.063 1.2 0.006 0.017 1.5 0.016 0.043 1.2 0.004 0.017 1.5 0.011 0.043 1.2 0.005 0.013 1.5 0.012 0.033 1.2 0.003 0.013 1.5 0.008 0.033
注：Ucx —— 电容器组额定相电压，Ucx=NUce 。
通过对表2所列数所列数据的比对分析后，可得出Udz-2与M、N的近似关系，如以M=1（N、
Udz-2Udz-2n、B2相同）时 为基数，或以M=1（N、n、B2相同）时的 为基数，则M=M或N=N的
M=MN=N
UdzUdz-2-2保护定值（ 、 ）可用如下算式近似估算：
M=MM=1
Udz-2=Udz-2/MN=NN=1Udz-2=Udz-2/N
M=1N=1
（10） （11）
可见，随着N的增大，Udz-2随之减小，故要求保护起始不平衡值，亦作相应减小。如以上述
N=NN=1UUppN=1时 作为基数，则要求N=N时， 应符合如下要求：
（12）
N
由此可推导出电容器组相间最大与最小电容之比与开口三角电压起始不平衡电压，以及与电容器组串联段数关系如表3所示。
表3 电容器组不同串联段数对电容均衡程度的要求 Cmax Up Cmin1.02 1.01 1.007 1.005
0.02Ucx 0.01Ucx 0.007Ucx 0.005Ucx
N=N
Up£
N=1
Up
N 1 2 3 4
Udz≥Kk/Up ≥0.03Ucx ≥0.015Ucx ≥0.0105Ucx ≥0.0075Ucx
鉴于其它不平衡保护方式的定值与开口三角电压保护一样，亦有随着电容器组串联段数增加而递减的变化规律，表3所列的电容均衡程度的要求亦同样适用。
5 内熔丝+外熔丝组合保护模式不应一概否定
虽然沿用10多年的内熔丝+外熔丝组合保护模式，迄今有持否定者，亦有持肯定者。对于被肯定的技术措施（详见调网[1996]136号文《关于转发“并联电容器运行情况通报”的通知》），应全面总结经验教训。
以往有个说法，“内外熔丝同时使用是危险的，后来在大容量电容器组的外熔丝曾经频繁发生误动，认为有害无利；最近主张取消使用外熔丝的理由是内熔丝动作切除故障元件以后，外熔丝灵敏度降低不起作用。等等。对于现有那么多内外熔丝同时使用的电容装置和今后保护配置能否继续使用这种模式而言，都是值得研讨的。
运行实践证明，“危险说”的不存在的。因为内外熔丝同时使用并不影响各自的功能与性能。外熔丝作为后备保护，它的作用：一是消除内熔丝保护保护的死区；二是当内熔丝失效时（即内熔丝未能切除故障元件而引起电容器内部1个或1个串联段短路），外熔丝动作切除故障电容器。
对于电容器内部引线之间短路或套管闪络由外熔丝保护起作用是不言而喻的。对于第2个保护作用，可换言之，一旦内熔丝失效，电容器内部就会发生部分或全部串联段击穿短路，如同无内熔丝电容器的内部故障状态，外熔丝按其故障发展过程，或开断小容性电流，或开断放电电流，或开断大容性电流。故对其性能要求与普通外熔丝并无原则差别。至于细细推
敲可能遇到不同的外部条件或者电容器内部出现并发的故障状态，对外熔丝保护灵敏度产生影响。
其一，由于内熔丝失效引发电容器内部部分串联段短路，又逢健全串联段中的内熔丝切除故障元件，使外熔丝保护灵敏度稍有降低；
其二，由于电容器装置不同容量要求或者保护配合的需要，对电容器内外接线方式有不同要求，对外熔丝保护灵敏度产生不同影响（见表4）。
表4 电容器内外不同接线方式对保护灵敏度影响
主 保 护 内熔丝 外熔丝
后 备 保 护 不平衡保护+外熔丝 不平衡保护
外部接线 M↓ M↑
内部接线 不平衡保护灵敏度 外熔丝保护灵敏度 n↓ n↑
↑ 一段配合— 二段配合↓
↑ ↓
以两件事说明只要各方重视，认真对待外熔丝的误动拒动是可以解决的。
以两个案例说明内外熔丝同时使用，外熔丝起到保护作用。从两个案例中得到启示，为了在电容器内部故障和外部非正常工作状态下，提高外熔丝保护灵敏度，可适当降低其耐受涌流的频率与幅值。
5 过流保护应得到重视
过流保护作用，早期认识只是相同故障保护；现在认识，它既是相间故障保护，又是电容内部故障的后备保护。其作用是在外熔丝或内熔丝失效时，起到后备保护作用（有案例证明）。
电容器组的过流保护是必须装设的保护，而不是“可”或“宜”装设。 当电容器内部发生故障时，单星形接线电容器组故障相电流IG-1：
IG-1=
3N[M-b(M-1)]Icn
3MN-b(3MN-3N+2)（13）
当电容器内部发生故障时，双星形接线电容器组故障相电流IG-2：
3[2MN-b(2MN-2N+1)]I=IcnG-2 （14） 6MN-b(6MN-6N+5)为了直观说明电容器内部元件串联段击穿率（β）和电容器组接线方式（串联段数N，并联台数M，双星形为每臂并联台数）对故障相电流的影响，将若干算例列入表5。其中，Icn为电容器组额定电流。
表5 故障相电流的若干算例
接线方式 单星形 单星形 单星形 单星形 单星形 单星形 双星形 双星形 双星形
M 4 7 2 * * * * * *
N 1 1 2 2 3 4 2 3 4
β 0.67 0.75 0.75 1 1 1 1 1 1
IG-1 1.28Icn 1.25Icn 1.25Icn 1.5Icn 1.28Icn 1.2Icn ¾ ¾ ¾
IG-2 ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ 1.28Icn 1.15Icn 1.11Icn
注：*表示并联台数（M）不论多少，故障相电流的倍数相同。
从表5可见：故障相电流受到串联段数的，在主保护内外熔丝失效后，电容器内部故障发展到接近全击穿或全击穿时，过电流保护才起作用。
电容器过电流保护定值可按照实际负荷的最大值和可靠系数确定。只要在正常运行情况下，保护不会动作，其定值宜取小值，如最大负荷为其额定电流的1.2~1.25倍，则取定值的1.25~1.3倍额定电流。动作时限应大于其余闸涌流时间，取0.1s~0.2s。
