高壓電容器損壞故障分析及保護(hù)

梁艷軍

摘要 隨著我國電力電容器制造技術(shù)與設(shè)計(jì)水平的不斷提高，高壓電容器的故障率也在不斷降低。除電容器本身缺陷外，電網(wǎng)過電壓、電網(wǎng)諧波引起的過電流、電容器失壓、斷路器操作引起的過電壓與運(yùn)行溫度都會(huì)嚴(yán)重影響電容器的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 高壓電容器；損壞；故障分析

中圖分類號(hào)TM4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）43-0086-02

0 引言

高壓電容器是目前電力系統(tǒng)使用最多的配件之一，隨著我國電力電容器制造技術(shù)與設(shè)計(jì)水平的不斷提高，高壓電容器的故障率也在不斷降低。但由于影響電容器穩(wěn)定運(yùn)行的因素較多，除電容器本身缺陷外，電網(wǎng)過電壓、電網(wǎng)諧波引起的過電流、電容器失壓、斷路器操作引起的過電壓與運(yùn)行溫度都會(huì)嚴(yán)重影響電容器的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)電容器爆炸起火等惡性事故的發(fā)生。本文通過對(duì)高壓電容器損壞故障進(jìn)行分析，對(duì)高壓電容器的保護(hù)措施提出了一些簡單的意見與看法。

1 高壓電容器損壞故障分析

1.1 電容器運(yùn)行電壓過高

高壓電容器運(yùn)行電壓可以反映出變電所母線系統(tǒng)電壓的狀況，并直接影響電容器的壽命和出力功能。高壓電容器內(nèi)部在運(yùn)行中的有功功率損耗主要由介質(zhì)損失和導(dǎo)體電阻損失兩部分組成，而其中的介質(zhì)損失占高壓電容器總有功功率損耗的98%以上。高壓電容器介質(zhì)損耗會(huì)直接影響電容器的運(yùn)行溫度，可用下式表示：

Pr= Qctgδ=ωCU2tgδ·10-3

式中Pr為高壓電容器的有功功率損耗；Qc為高壓電容器的無功功率；tgδ為高壓電容器的介質(zhì)損失角正切值；ω為電網(wǎng)角頻率；C為高壓電容器的電容率；U為高壓電容器的運(yùn)行電壓。

由公式可知，高壓電容器有功功率損耗與無功功率同高壓電容器運(yùn)行電壓的平方成正比；隨著運(yùn)行電壓的增高，高壓電容器的有功功率損耗會(huì)迅速增加，進(jìn)而溫度升高的速度也會(huì)增加，游離增大，導(dǎo)致電容器的絕緣壽命降低。另外，因高壓電容器連續(xù)運(yùn)行的過電壓一般定為額定電壓的1.10倍，當(dāng)電容器長時(shí)間處于過電壓下運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電容器產(chǎn)生過電流而損壞；所以，高壓電容器組建需要安設(shè)完善的過電壓保護(hù)裝置。

1.2 電網(wǎng)高次諧波引起的過電流

當(dāng)電網(wǎng)中的諧波電流流入電容器，就會(huì)疊加在高壓電容器的基波電流上，使其運(yùn)行電流增大，同時(shí)也會(huì)使高壓電容器基波電壓上的峰電壓有效值增大。如果電容器容抗與系統(tǒng)感抗相匹配，會(huì)對(duì)高次諧波產(chǎn)生放大作用而產(chǎn)生過電流和過電壓，引起電容器內(nèi)部絕緣介質(zhì)局部放電，使電容器產(chǎn)生鼓肚、熔絲群爆等故障。

1.3 電容器所接母線失壓

如果電容器在運(yùn)行中突然失去電壓，可能會(huì)導(dǎo)致變電所電源側(cè)瞬時(shí)跳閘或主變壓器斷開。若電容器在電源合閘或備用電源自動(dòng)投入使用時(shí)未被移除，可能會(huì)導(dǎo)致電容器帶負(fù)荷產(chǎn)生過電壓而損壞。另外，當(dāng)變電所失去電壓恢復(fù)時(shí)不拆除電容器，可能會(huì)產(chǎn)生諧振過電壓，使變壓器或電容器損壞。因此，電容器應(yīng)設(shè)置失壓保護(hù)裝置，保證電容器在所接母線失壓后可靠動(dòng)作，又可在母線電壓恢復(fù)正常后可靠接入。

1.4 斷路器操作產(chǎn)生的過電壓

電容器斷路器多采用真空斷路器，當(dāng)斷路器合閘時(shí)，斷路器觸頭可能會(huì)發(fā)生彈跳現(xiàn)象而產(chǎn)生過電壓。雖然由此產(chǎn)生的過電壓峰值較低，對(duì)電容器的影響也不大，但由于電容器年投切次數(shù)在千次以上，且斷路器斷開時(shí)可能引發(fā)擊穿電容器的過電壓，因此，必須采取有效的保護(hù)措施來限制斷路器操作產(chǎn)生的過電壓。

1.5 運(yùn)行溫度過高

由于溫度升高10℃，電容器容量下降速度就會(huì)加快一倍；如果電容器長期處于高電場(chǎng)與高溫下運(yùn)行，會(huì)引起絕緣介質(zhì)老化和介質(zhì)損失增大，進(jìn)而導(dǎo)致電容器內(nèi)部快速升溫而發(fā)熱，是電容器壽命降低，甚至導(dǎo)致電容器產(chǎn)生熱擊穿而損壞。按規(guī)程規(guī)定，如果環(huán)境溫度超過30℃，電容器外殼溫度超過50℃，應(yīng)開啟通風(fēng)裝置降溫，當(dāng)環(huán)境溫度超過40℃時(shí)，應(yīng)立即停止電容器運(yùn)行。因此，為防止電容器因運(yùn)行溫度過高而損壞，應(yīng)設(shè)置溫度監(jiān)控裝置隨時(shí)監(jiān)控制電容器的運(yùn)行溫度，并采用強(qiáng)制通風(fēng)裝置改善電容器的散熱條件，使電容器產(chǎn)生的熱量以對(duì)流和輻射的方式散發(fā)出來。

2 高壓電容器組保護(hù)措施研究

2.1 高壓電容器過電壓保護(hù)

利用電容器與電抗器串聯(lián)，因容抗壓降與感抗壓降相位相反，將測(cè)量電壓互感器裝于母線上。當(dāng)電容器電壓高于母線電壓時(shí)，有：

Udz = Kv（1-）Ue

式中Udz為動(dòng)作電壓；Kv為過電壓系數(shù)；為感抗與容抗之比；Ue為電容器額定電壓。

過電壓是威脅電容器安全穩(wěn)定運(yùn)行的最大因素，為防止電容器運(yùn)行電壓過高，應(yīng)合理配置電容器過電壓保護(hù)裝置。當(dāng)電容器端電壓高于1.10倍額定電壓時(shí)，該保護(hù)裝置產(chǎn)生預(yù)動(dòng)作信號(hào)，當(dāng)運(yùn)行電壓超過1.20倍額定電壓5s~10s時(shí)，產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)跳閘以切斷過電壓繼續(xù)對(duì)電容器產(chǎn)生損壞，當(dāng)電壓恢復(fù)正常后投切以保證電容器繼續(xù)進(jìn)入電路工作。

2.2 高壓電容器高次諧波保護(hù)措施

由于電網(wǎng)諧波可以產(chǎn)生損壞電容器的過電壓與過電流，為防止諧波損壞電容器，應(yīng)對(duì)電容器使用地區(qū)的電網(wǎng)諧波諧波進(jìn)行測(cè)試并找出諧波源，然后根據(jù)諧波源產(chǎn)生的原因采取相應(yīng)的措施，以降低諧波源的高次諧波分量。目前降低電網(wǎng)高次諧波最有效的辦法是在電容器回路中串聯(lián)適當(dāng)參數(shù)的電抗器或阻尼式限流器。在電抗器參數(shù)選擇時(shí)，采用容抗與感抗相匹配的諧振點(diǎn)為原則，以抑制5次及以上諧波。此外，電抗器還能有效抑制電容器因合閘而產(chǎn)生的過電壓，減小斷路器斷開時(shí)所產(chǎn)生的過電壓。

2.3 斷路器操作過電壓保護(hù)措施

斷路器開關(guān)質(zhì)量的好壞，與氧化鋅避雷器動(dòng)作特性的好壞密切相關(guān)。為防止斷路器開合產(chǎn)生過電壓，必須提高斷路器觸頭的分閘速度、提高觸頭介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。因此，斷路器的真空開關(guān)出頭一定要選用銅鉻合金觸頭。考慮到電容器投切操作頻繁，真空開關(guān)難免產(chǎn)生能夠擊穿電容器的操作過電壓，所以必須安裝無間隙氧化鋅避雷器來限制斷路器產(chǎn)生的過電壓。

3 結(jié)論

隨著我國高壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償需求的增大，作為電力系統(tǒng)中最常用的無功補(bǔ)償設(shè)備電容器的使用率也大量增加。合理配置電容器保護(hù)裝置，保證電容器安全運(yùn)行越顯重要。在具體設(shè)計(jì)高壓電容器保護(hù)裝置時(shí)，不僅要從高壓電容器可能發(fā)生的故障出發(fā)，還需充分考慮到單個(gè)電容器內(nèi)熔絲與電容器組內(nèi)熔絲保護(hù)特性、電容器使用溫度限上與熔絲熔斷時(shí)間、電容器耐爆時(shí)間之間的配合，從而保證電容器保護(hù)裝置能夠有效保證電容器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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