宜賓換流站電容器隱患分析與改進(jìn)建議

禹 佳,孫 文,王 鑫

(國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

宜賓換流站電容器隱患分析與改進(jìn)建議

禹 佳,孫 文,王 鑫

(國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

交流濾波器有濾除換流器產(chǎn)生的諧波和向換流器提供無功補(bǔ)償兩個(gè)任務(wù)，電容器作為濾波器組內(nèi)最重要的無功設(shè)備，其運(yùn)行情況直接關(guān)系著換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)宜賓換流站電容器的實(shí)際情況，結(jié)合其他已投運(yùn)換流站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)宜賓換流站電容器存在的問題進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的分析，對(duì)電容器的安全隱患提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)新建換流站提出建議。

電容器；隱患；發(fā)熱；建議

0 引 言

換流站電容器的故障率較高，而電容器故障中由于電容器接頭和引線導(dǎo)致的事故又占有相當(dāng)大的比重。因此需要總結(jié)換流站電容器接頭發(fā)熱故障治理經(jīng)驗(yàn)，探討解決辦法[1]。

宜賓換流站交流濾波器場(chǎng)電容器和噪聲濾波器電容器全部采用國產(chǎn)設(shè)備，電容器接頭及引線的設(shè)計(jì)、工藝方面仍然存在問題，這些問題如不及時(shí)解決，將可能導(dǎo)致交流濾波器跳閘，情況嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)降功率甚至引起直流停運(yùn)，其影響不容忽視。為防止由于電容器接頭及引線等問題導(dǎo)致的跳閘事故的發(fā)生，結(jié)合宜賓換流站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)電容器存在的安全隱患進(jìn)行了分析研究[2]。

2 電容器安全隱患問題分析

2.1 電容器接頭隱患

2.1.1 導(dǎo)電夾板無內(nèi)螺紋

電容器導(dǎo)電夾板的夾緊效果不好，是導(dǎo)致運(yùn)行中電容器接頭過熱的主要原因。經(jīng)初步分析，夾緊效果不好的原因?yàn)閷?dǎo)電夾板無內(nèi)螺紋，經(jīng)改造采用帶有內(nèi)螺紋的導(dǎo)電夾板后，發(fā)熱情況明顯減少，且目前運(yùn)行情況良好。對(duì)電容器導(dǎo)電夾板進(jìn)行改造后，下片夾板采用了帶有內(nèi)螺紋的結(jié)構(gòu)。

若下夾板采用螺紋結(jié)構(gòu)，當(dāng)緊固電容器接頭引線時(shí)，下夾板可以固定于電容器穿芯螺桿上，這樣上夾板的受力就可以完全作用于導(dǎo)線和下夾板上，使導(dǎo)線能夠被上、下兩夾板可靠地夾緊，且可減小電容器瓷套管的受力。而如果下夾板無內(nèi)螺紋，則當(dāng)緊固電容器引線時(shí)，下夾板會(huì)隨之壓在電容器瓷套管上，若緊固力矩過大，會(huì)損壞電容器穿心螺桿，此時(shí)，電容器引線的夾緊力大部分來自于上夾板的作用力，而為了不損壞電容器的穿心螺桿，電容器螺母的力矩不宜過大，因此不能保證電容器引線被可靠夾緊，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，容易造成接頭引線松動(dòng)，導(dǎo)致電容器接頭發(fā)熱。

2.1.2 電容器接頭無彈性墊片

宜賓換流站交流濾波器場(chǎng)電容器的上、下兩片導(dǎo)電夾板各配有一個(gè)彈性墊片，在熱脹冷縮時(shí)很容易造成電容器接頭松動(dòng)而導(dǎo)致接點(diǎn)發(fā)熱。實(shí)踐證明，當(dāng)接頭處的運(yùn)行工作溫度超過80 ℃時(shí)，接頭金屬將因過熱而膨脹，使接觸表面位置錯(cuò)開，形成微小空隙而氧化。當(dāng)負(fù)荷電流減少溫度降低回到原來接觸位置時(shí)，由于接觸面氧化膜的覆蓋，不可能是原安裝時(shí)金屬間的直接接觸。每次溫度變化的循環(huán)所增加的接觸電阻，將會(huì)使下一次循環(huán)的熱量增加，所增加的較高溫度又使接頭的工作狀況進(jìn)一步變壞，因而形成惡性循環(huán)。

電容器接頭下夾板的彈性墊片的另外一個(gè)作用，就是用于微調(diào)導(dǎo)電夾板的角度，使每個(gè)電容器夾板的接線孔能夠與地面平行，避免由于接線孔角度不同造成接頭引線彎曲。但由于安裝工藝較差，導(dǎo)致部分電容器下夾板的彈性墊片并未壓緊，容易造成接頭松動(dòng)。

正常情況下，電容器接頭的電流方向?yàn)椋弘娏髯詫?dǎo)線經(jīng)過導(dǎo)電夾板下部，沿著端子螺紋向上，再經(jīng)端子內(nèi)部導(dǎo)線流向端子內(nèi)部；而如果下夾板的彈性墊片未可靠壓緊，那么將導(dǎo)致下夾板與端子帽接觸不嚴(yán)密，其接觸電阻將變大，電流大部分會(huì)從端子螺紋直接向上經(jīng)過端子內(nèi)部導(dǎo)線流向端子內(nèi)部?？紤]到螺桿和螺母的制作工藝的限制，螺紋之間必然會(huì)存在一定的縫隙，下夾板與螺桿之間不能良好接觸，從而導(dǎo)致其接觸面積進(jìn)一步減小，接觸電阻進(jìn)一步增大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，將可能導(dǎo)致電容器接頭發(fā)熱。

2.1.3 引線接頭松動(dòng)

交流濾波器場(chǎng)部分電容器的引線存在松動(dòng)現(xiàn)象。通過分析，發(fā)現(xiàn)電容器接頭引線直徑相對(duì)導(dǎo)電夾板的夾線孔內(nèi)徑較小，當(dāng)上、下兩片導(dǎo)電夾板接觸后，夾板的夾線孔與引線之間仍存在縫隙，且現(xiàn)場(chǎng)晃動(dòng)引線時(shí)有明顯的松動(dòng)現(xiàn)象。而且當(dāng)導(dǎo)線與夾板連接后，上、下夾板之間無縫隙，導(dǎo)致無法判斷引線是否已被可靠夾緊。由于電容器引線采用的是多股軟銅線，每股軟銅線之間必然存在縫隙，若導(dǎo)電夾板與引線不能可靠夾緊，那么在風(fēng)霜雨雪、日照、日夜溫差以及自身磁場(chǎng)的共同作用下，則會(huì)加速各接觸面的氧化和結(jié)垢程度而導(dǎo)致接頭發(fā)熱。通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電容器引線與夾板連接后，上、下夾板之間有一定縫隙，容易判斷引線是否已被可靠夾緊，且現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)電容器引線連接無松動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)線與夾板之間連接效果較好。

2.1.4 防鳥帽問題

宜賓換流站電容器接頭全部安裝了防鳥帽，通過分析和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)防鳥帽安裝后將存在較大的安全隱患。

電容器在日常維護(hù)過程中需要對(duì)其進(jìn)行紅外測(cè)溫，而使用防鳥帽后將影響紅外測(cè)溫的效果。紅外測(cè)溫的原理是利用物體輻射出的紅外線來測(cè)量物體表面的溫度，紅外線的波長(zhǎng)在0.76～100 μm之間，按波長(zhǎng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外4類，紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，溫度在絕對(duì)零度以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。紅外測(cè)溫儀利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)接受被測(cè)目標(biāo)表面的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，對(duì)被測(cè)物體的表面紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，成像裝置的輸出信號(hào)就可以完全一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖[3]。

通過試驗(yàn)，證實(shí)了紅外測(cè)溫儀只能測(cè)量防鳥帽外表面的溫度，而無法測(cè)量到防鳥帽內(nèi)部電容器接頭的溫度。只有當(dāng)防鳥帽的溫度與電容器接頭溫度相同時(shí)，紅外測(cè)溫儀才能如實(shí)地反映出電容器接頭的實(shí)際溫度。因此，紅外測(cè)溫儀也將無法準(zhǔn)確地測(cè)量到電容器接頭的實(shí)際溫度，這將導(dǎo)致運(yùn)行人員無法提前預(yù)判電容器接頭的發(fā)熱異常，只有等到設(shè)備損壞后才能發(fā)現(xiàn)故障，給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的隱患。

2.1.5 導(dǎo)電夾板歪斜

交流濾波器場(chǎng)電容器在安裝過程中，導(dǎo)電夾板出現(xiàn)了歪斜現(xiàn)象，當(dāng)緊固右側(cè)電容器螺母時(shí)，由于緊固力矩為順時(shí)針方向，導(dǎo)致電容器引線被嚴(yán)重拉伸。

導(dǎo)線熱脹冷縮的伸縮量可由式(1)計(jì)算得出：

ΔL=ΔT×L×C

(1)

式中,ΔL為導(dǎo)線長(zhǎng)度的變化；L為導(dǎo)線原來的長(zhǎng)度；C為熱膨脹系數(shù)；ΔT為系統(tǒng)溫度變化。

由此可得出導(dǎo)線的長(zhǎng)度變化與系統(tǒng)溫度變化成正比，電容器溫度變化越大，導(dǎo)線的伸縮量也越大。由于熱脹冷縮的作用，電容器接頭將承受更大的拉力，可能會(huì)對(duì)電容器瓷瓶?jī)啥说倪B接處造成隱形傷害，當(dāng)電容器再次投入運(yùn)行時(shí)，由于電容器油受熱膨脹，將可能導(dǎo)致電容器漏油。

2.2 電容器引線隱患

2.2.1 毛刺現(xiàn)象

交流濾波器場(chǎng)電容器和噪聲濾波器電容器的接頭引線采用了帶有絕緣皮的多股軟銅線，在切割絕緣皮的過程中，由于用力過大，導(dǎo)致引線的最外層軟銅線大部分被割斷，產(chǎn)生了毛刺現(xiàn)象。如果毛刺過多或過長(zhǎng)，將會(huì)產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，為電容器帶來較大的安全隱患。

電暈是高壓帶電體表面向空氣游離放電的現(xiàn)象，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下導(dǎo)線周圍的空氣會(huì)產(chǎn)生電離現(xiàn)象，它的產(chǎn)生與導(dǎo)線本身和導(dǎo)線周圍空氣的條件有關(guān)。導(dǎo)線周圍空氣之所以會(huì)電離，是由于導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度超過了某一臨界值，以致空氣中原有離子具備了足夠的動(dòng)能，撞擊其他不帶電分子，使后者也離子化，最后形成空氣的部分導(dǎo)電。電暈的產(chǎn)生是因?yàn)椴黄交膶?dǎo)體產(chǎn)生不均勻的電場(chǎng)，在不均勻的電場(chǎng)周圍曲率半徑小的電極附近當(dāng)電壓升高到一定值時(shí)，由于空氣游離就會(huì)發(fā)生放電，形成電暈。簡(jiǎn)單地說，曲率半徑小的導(dǎo)體電極對(duì)空氣放電，便產(chǎn)生了電暈[4]。

電暈起始電壓指開始發(fā)生電暈放電時(shí)的電壓，也稱臨界電壓，與之相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)稱為電暈起始場(chǎng)強(qiáng)或臨界場(chǎng)強(qiáng)，如式(2)：

(2)

式中,ξ0為真空中的介電系數(shù)，ξ0=8.85×10-12，c2/N·m2。

而任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)等于該點(diǎn)的電位梯度的負(fù)值，如式(3)：

(3)

通過積分變換得

(4)

此時(shí)為任一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與電壓的關(guān)系，式中,V為電壓；r為距電暈線的距離；a為導(dǎo)線毛刺半徑；b為導(dǎo)線半徑。式(4)表明在電暈開始發(fā)生之前，任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)Er隨距電暈線的距離的減小而增大。當(dāng)r=a在電暈線表面上時(shí)，Er達(dá)最大。

電暈開始發(fā)生所需的場(chǎng)強(qiáng)取決于幾何因素及氣體的性質(zhì)。皮克(peek)通過大量實(shí)驗(yàn)研究，提出了計(jì)算在空氣中電暈起始場(chǎng)強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式。

(5)

式中，P0、T0為標(biāo)況下的大氣壓和溫度(298K)；T、P為運(yùn)行狀況的溫度和空氣壓力；f為導(dǎo)線光滑修正系數(shù)，一般0.5

(6)

由式(6)可以得出，電暈起始電壓隨電極的幾何形狀而變化，線越細(xì)，即毛刺越尖銳，電暈的起始電壓越低，越容易產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。

由于電容器的運(yùn)行電壓較高，而且毛刺末端較尖銳，因此極易產(chǎn)生電暈。在正常運(yùn)行過程中，電暈現(xiàn)象并不容易被發(fā)現(xiàn)，如遇雷雨天氣或周圍空氣濕度較大時(shí)，由于電暈現(xiàn)象，將可能導(dǎo)致毛刺對(duì)其他電容器或構(gòu)架放電，造成電容器短路擊穿而導(dǎo)致電容器跳閘[5]。

2.2.2 引線連接工藝問題

電容器采用單引線連接，導(dǎo)線材質(zhì)為多股軟銅線，在安裝過程中，由于安裝工藝問題，導(dǎo)致很多引線的連接出現(xiàn)了多股軟銅線未夾在接線孔中的情況。若導(dǎo)線有1/2未夾入接線孔中，那么導(dǎo)線與夾板的面積將減小1/4。

R=ρL/S

(7)

式中，R為導(dǎo)線電阻；ρ為電阻率；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度；S為導(dǎo)線橫截面積。

由式(7)可得出，若導(dǎo)線的接觸面積減小1/4，那么導(dǎo)線的接觸電阻將增大4倍。由于電容器接頭引線采用單引線連接，通流能力與雙線連接的電容器相比已經(jīng)有所下降，如果連接線有多股未能與導(dǎo)電夾板可靠連接，那么電流會(huì)經(jīng)過夾在接線孔外部的軟銅線直接進(jìn)入電容器，導(dǎo)致通流能力大大降低，投運(yùn)后將會(huì)導(dǎo)致電容器接頭發(fā)熱[6]。

2.2.3 電容器引線絕緣問題

交流濾波器場(chǎng)電容器塔引出線采用軟銅線連接，在雷雨或大風(fēng)天氣時(shí)，容易使連接線擺動(dòng)或下垂，造成連接線與均壓環(huán)的絕緣距離不足而導(dǎo)致閃絡(luò)放電事故。由于導(dǎo)線與均壓環(huán)的距離過近，導(dǎo)致導(dǎo)線與均壓環(huán)閃絡(luò)放電，造成4只電容器被擊穿。

根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620-1997中第10.2.3條規(guī)定，變電站導(dǎo)線對(duì)構(gòu)架的空氣間隙的計(jì)算，變電所導(dǎo)線對(duì)構(gòu)架的受風(fēng)偏及不受風(fēng)偏影響的空氣間隙應(yīng)符合式(8)要求。

(8)

式中,K2為線路空氣間隙工頻電壓統(tǒng)計(jì)配合系數(shù)，對(duì)范圍Ⅱ取1.40；Um為系統(tǒng)最高電壓，kV；對(duì)110kV及220kV取1.35，對(duì)66kV及以下取1.20。

在海拔不超過1 000m的地區(qū)，3～20kV高壓配電裝置的最小戶外、戶內(nèi)空氣間隙如表1所示。

表1 3～20 kV高壓配電裝置的空氣間隙

3 相應(yīng)的改進(jìn)措施

為確保直流系統(tǒng)投運(yùn)后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電容器設(shè)備的可用率，結(jié)合宜賓換流站電容器存在的問題，與廠家進(jìn)行了協(xié)商、探討，最終針對(duì)以上問題提出了如下解決方案，希望能在系統(tǒng)投運(yùn)前消除所有缺陷，努力實(shí)現(xiàn)電容器“零缺陷”投運(yùn)的目標(biāo)。

1)對(duì)交流濾波器場(chǎng)電容器和噪聲濾波器電容器的導(dǎo)電夾板和墊片進(jìn)行全部更換，采用下片帶有內(nèi)螺紋的導(dǎo)電夾板。在夾板的選型時(shí)，要充分考慮夾板接線孔直徑與電容器引線直徑的關(guān)系，導(dǎo)電夾板接線孔的直徑要略小于電容器引線的直徑，保證電容器引線連接后，上、下兩片導(dǎo)電夾板之間能夠留有一定的縫隙，以便判斷導(dǎo)線是否已被可靠夾緊[7]。

2)在交流濾波器場(chǎng)電容器和噪聲濾波器電容器的上、下兩片導(dǎo)電夾板上各配置一個(gè)彈性墊片，確保當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)導(dǎo)電夾板與引線之間一直是緊固的。在選擇彈性墊片時(shí)要使用橫截面積較大的彈性墊片，并且在安裝時(shí)盡量將彈性墊片壓緊，保證下片夾板與電容器接頭有較大的接觸面積，避免由于接觸面積減小，接觸電阻增大而造成電容器接頭發(fā)熱。

3)對(duì)電容器接頭涂刷RTV涂料用以代替安裝防鳥帽。紅外測(cè)溫是換流站重要的定期工作之一，紅外測(cè)溫的質(zhì)量將對(duì)事故的提前預(yù)判起到至關(guān)重要的作用，用RTV涂料代替防鳥帽，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地觀察電容器的運(yùn)行情況，避免由于無法準(zhǔn)確測(cè)量電容器接頭溫度，導(dǎo)致延誤檢修時(shí)機(jī)而造成的事故。

4)全面檢查電容器導(dǎo)電夾板的位置，對(duì)所有歪斜的導(dǎo)電夾板進(jìn)行校正，使其與地面方向垂直。檢查所有引線的彎曲程度，對(duì)于已完全拉直的引線進(jìn)行重新連接，并留有一定的裕度，避免由于熱脹冷縮的原因使電容器接頭承受過大的應(yīng)力。

5)對(duì)交流濾波器場(chǎng)電容器和噪聲濾波器電容器存在毛刺現(xiàn)象的引線進(jìn)行全部更換，防止電暈的產(chǎn)生。由于電暈現(xiàn)象在正常運(yùn)行時(shí)很難被發(fā)現(xiàn)，因此，防止電暈現(xiàn)象的發(fā)生尤為重要，更換帶有毛刺的導(dǎo)線可以有效地防止電暈的產(chǎn)生，避免由于電暈現(xiàn)象導(dǎo)致電容器放電或短路情況的發(fā)生。

6)對(duì)電容器引線進(jìn)行全面檢查，對(duì)于未完全夾在夾線孔中的引線全部進(jìn)行重新連接，將引線全部夾在夾線孔中，保證引線與導(dǎo)電夾板之間有最大的接觸面積，避免由于通流能力不足而導(dǎo)致電容器接頭發(fā)熱。

7)為防止由于引線擺動(dòng)或下垂造成的閃絡(luò)放電事故，將交流濾波器場(chǎng)電容器跨越均壓環(huán)的引出線全部由軟連接改為硬連接?？紤]到熱脹冷縮的影響，此硬銅導(dǎo)線可由3節(jié)組成，中間一節(jié)為軟銅導(dǎo)線，在導(dǎo)線跨越構(gòu)架或均壓環(huán)時(shí)，中間一節(jié)軟銅導(dǎo)線向上彎曲呈弧形，以滿足絕緣距離的要求[8]。

4 結(jié) 語

電容器是換流站的重要設(shè)備之一，它的運(yùn)行情況對(duì)直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性至關(guān)重要。電容器在換流站中的數(shù)量眾多，電容器故障在換流站日常缺陷中占有較大比重。因此，保證電容器的可靠運(yùn)行對(duì)換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義十分重大。一方面從宜賓換流站電容器存在的安全隱患著手，分析了電容器接頭、引線在設(shè)計(jì)、工藝及安裝上存在的缺陷對(duì)電容器設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行的影響；另一方面對(duì)相應(yīng)的安全隱患提出了改進(jìn)措施及處理建議，為新建換流站提供參考。

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AC filters have two tasks in converter station which filter out harmonic and provide reactive power for converter. As the capacitor is the most important equipment of reactive group, it is directly related to the safe and stable operation of converter station. Aiming at the actual situation of capacitors in Yibin converter station, the existing problems are analyzed comprehensively and systematically along with the operation experiences of other running converter stations. And then, the improvement measures are proposed for the security risks of capacitors and the suggestions are put forward for the newly-built converter stations.

capacitor; risk; heating; suggestion

TM53

B

1003-6954(2015)03-0033-04

2015-01-06)

禹 佳(1983)，本科，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)；

孫 文(1981)，本科，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)；

王 鑫(1987)，研究生，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)。