66 kV電容器組中單臺(tái)電容器多次故障的原因探究

趙蕾

摘要：對(duì)于66 kV電容器組的故障問題研究，需要分別對(duì)電容器組中的單個(gè)電容器進(jìn)行故障分析，再結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及觀察熔斷器運(yùn)行的狀態(tài)，以此分析電容器出現(xiàn)故障的原因，找到可能損壞電容器的相關(guān)因素，并且逐個(gè)分析誘因，最終確定產(chǎn)生故障的原因。文章將此次分析得出引發(fā)故障的原因作為后續(xù)判斷電容器組故障提供經(jīng)驗(yàn)支持，方便快速排除故障，保證變電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：66 kV電容器組；變電站；多次故障

發(fā)展至今電力已經(jīng)成為生產(chǎn)和生活都不可缺少的部分，各種生產(chǎn)活動(dòng)以及人們的日常生活都離不開電力的支持，可以說供電質(zhì)量將直接影響到生產(chǎn)質(zhì)量和人們生活質(zhì)量。為此，維系電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行成為電力企業(yè)的工作重點(diǎn)。根據(jù)以往的運(yùn)行故障記錄可以發(fā)現(xiàn)，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的主要故障就是電容器組發(fā)生的故障，且由于電容器組由多個(gè)電容器組成，在排查故障時(shí)需要耗費(fèi)大量時(shí)間，為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來很大影響。文中就以某變電站電容器組實(shí)際發(fā)生的故障為例，對(duì)電容器組產(chǎn)生多次故障的原因進(jìn)行排查。

1概述

某變電站所使用的66 kV補(bǔ)償電容器組從運(yùn)行到現(xiàn)在曾發(fā)生多次故障，為了保證電容器組能夠正常運(yùn)行，我們對(duì)其產(chǎn)生故障的電容器進(jìn)行排查，并且對(duì)可能損壞電容器因素進(jìn)行分析。

2電容器組的基本參數(shù)

該故障電容器組的型號(hào)為TBB22-66-28056/334-Y，采用串聯(lián)方式連接7臺(tái)電容器，并且將兩串并聯(lián)，使用H型接線，定值（二次）2 A，CT變比為30/5。電容器的單臺(tái)型號(hào)為BAMR20-334-1W，2000年12月出廠，電容器組內(nèi)熔斷器型號(hào)為BRW-20/26A。

3故障和處理情況

2006年，在運(yùn)行中A相的8臺(tái)電容器出現(xiàn)故障情況，變電站購買了14臺(tái)新的電容器進(jìn)行更換，余下的作為備用設(shè)備，這是第一次故障的基本情況；第二次故障發(fā)生時(shí)間為2008年，同樣是A相發(fā)生容量變化，共7臺(tái)電容器出現(xiàn)故障，購進(jìn)7臺(tái)新電容器進(jìn)行更換；第三次故障發(fā)生在2009年，在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)是B相的4臺(tái)電容器發(fā)生故障，使用備用設(shè)備更換，3次故障共有19臺(tái)電容器損壞。

4故障的調(diào)查情況

針對(duì)編號(hào)為144的電容器進(jìn)行故障分析，該電容器是2000年出廠容量為2.67μF，受到全擊穿損壞；對(duì)編號(hào)為142的電容器進(jìn)行故障分析，該電容器為2000年出廠容量2.66μF，實(shí)際測量得出容量為3.6μF，受到大面積擊穿和R角擊穿損壞。

5故障分析

5.1故障仿真

在仿真計(jì)算的過程中發(fā)現(xiàn)電容器組由原來的單相短路轉(zhuǎn)變成兩相相間的短路電波形式。當(dāng)電容器組為單相短路時(shí)，電流僅產(chǎn)生3倍的變化，當(dāng)電容器組成為兩相短路時(shí)，電流的增加速度會(huì)持續(xù)上升。所產(chǎn)生的波形與在現(xiàn)場故障錄波器中的電容器組電流及母線電壓的波形呈現(xiàn)出相似的態(tài)勢(shì)，這就足以說明電容器發(fā)生了相間短路故障。此時(shí)的電容器內(nèi)部元件會(huì)出現(xiàn)大面積擊穿的情況，由于熔斷器失效，導(dǎo)致熔絲沒有及時(shí)斷開，在熔斷器工作時(shí)還產(chǎn)生了重燃，致使產(chǎn)生過電壓，電容器內(nèi)部的電容器套管發(fā)生炸裂，內(nèi)部元件發(fā)生全擊穿，導(dǎo)致電容器的內(nèi)部元件嚴(yán)重受損。

5.2繼電保護(hù)的設(shè)置和動(dòng)作情況分析

通過上述內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)該電容器組使用的是H型接線橋差不平衡電流保護(hù)。保護(hù)設(shè)置的定值為2 A（二次），變比為30/5，一次為12 A，實(shí)際上在考慮靈敏度和可靠性之后得出的數(shù)值為15.84 A。以上數(shù)值表示，在進(jìn)行繼電保護(hù)時(shí)，保護(hù)動(dòng)作需要切除2臺(tái)電容器連接，就代表熔斷器要進(jìn)行兩次熔斷操作，通過對(duì)并聯(lián)單元數(shù)、串聯(lián)單元數(shù)以及電容器組的額定電流可以得出不平衡電流為15.84 A。

通過對(duì)每相并聯(lián)單元數(shù)、串聯(lián)單元數(shù)、完好元件過電壓倍數(shù)和切除單元數(shù)的計(jì)算可以得出在熔斷2個(gè)電容器單元時(shí)，剩余的電容器單元過電壓為1.08 V。通常對(duì)電容器單元的過電壓承受能力標(biāo)準(zhǔn)為：1.05 Un可以長期運(yùn)行，1.1 Un每24小時(shí)可以運(yùn)行8小時(shí)。在此不對(duì)電壓的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行考慮，在進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)置時(shí)，熔斷器熔斷動(dòng)作的運(yùn)行情況才是主要問題。

首先，熔斷器在進(jìn)行熔斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)，針對(duì)H型接線的橋差不平衡的電流保護(hù)動(dòng)作，當(dāng)保護(hù)臂之間出現(xiàn)容量變化一致時(shí)，將無法進(jìn)行熔斷動(dòng)作，也就是繼電保護(hù)的盲區(qū)。當(dāng)繼電保護(hù)動(dòng)作中，需要熔斷2個(gè)電容器連接時(shí)，只有兩根熔絲在同一保護(hù)臂上才能在出口產(chǎn)生大的電流，做出熔斷保護(hù)的動(dòng)作。一旦兩根需要熔斷的熔絲不處于同一臂上或者一個(gè)串聯(lián)段上，就可能出現(xiàn)不作出熔斷動(dòng)作的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的發(fā)生與否與繼電保護(hù)的可靠性和靈敏性、電容器組保護(hù)的不平衡值都有很大關(guān)系。

以內(nèi)部接線為4并12串的單臺(tái)電容器為例，當(dāng)采用內(nèi)熔絲時(shí)，每個(gè)小單元的額定電流為整個(gè)單臺(tái)電容器的1/4，這樣熔絲的額定電流就更小，保護(hù)更靈敏。

其次，在繼電保護(hù)時(shí)，如果僅熔斷了一根熔絲，保護(hù)動(dòng)作沒有繼續(xù)進(jìn)行，那么電容器組就會(huì)一直帶著故障運(yùn)行，直至第二根熔絲熔斷為止，這種運(yùn)行狀態(tài)如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理會(huì)對(duì)電容器組的運(yùn)行帶來很大危害。當(dāng)熔斷器是在進(jìn)行繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)熔斷所產(chǎn)生的問題不大，如果是熔斷器出現(xiàn)異常導(dǎo)致的開斷，那么就會(huì)由于彈簧的擺動(dòng)位置與熔斷器套管出現(xiàn)狀況不明的情況，這種情況的產(chǎn)生將直接影響電容器組的正常運(yùn)行。

最后，將電容器組的故障問題控制在一定范圍，在小規(guī)模故障時(shí)就進(jìn)行及時(shí)處理，降低故障對(duì)變電站工作的影響效果，這種處理方式可以在很大程度上消除故障隱患。在將繼電保護(hù)動(dòng)作設(shè)置成熔斷2跟熔絲時(shí)，就代表3相的電容器組需要最多熔斷6根熔絲，這時(shí)將損壞6臺(tái)電容器。當(dāng)發(fā)生故障的電容器在時(shí)間上存在一定差異時(shí)，將為故障的排查工作帶來很大困難。將繼電保護(hù)設(shè)置成熔斷兩根熔絲時(shí)，很容易發(fā)生出現(xiàn)大量的電容器損壞之后才意識(shí)到故障風(fēng)險(xiǎn)，并且對(duì)故障發(fā)生時(shí)間沒有準(zhǔn)確判斷。由此可見，當(dāng)保護(hù)動(dòng)作按照兩根熔絲執(zhí)行時(shí)，會(huì)引起故障范圍擴(kuò)大現(xiàn)象，所以，這里建議將兩根熔絲動(dòng)作改為1根熔絲。

5.3根據(jù)解剖的情況分析

通過對(duì)電容器故障進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)發(fā)生擊穿位置主要體現(xiàn)在以下區(qū)域。

（1）存在于電場強(qiáng)度明顯分布不均的部位，例如R角位置、折邊位置以及引線片。發(fā)生擊穿情況的主要原因是這些部分本身就存在電場強(qiáng)度不均的情況，一旦遇到過電壓就會(huì)快速產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，直接將薄膜擊穿。由此可見，這些部位出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象主要是在電擊的作用下產(chǎn)生，相對(duì)來說擊穿的范圍較小，其擊穿層數(shù)偏多。

（2）電場強(qiáng)度分布相對(duì)均勻的區(qū)域，例如元件中存在的較大面積部位。這些部分發(fā)生擊穿現(xiàn)象的主要原因是由于元件表面平整，且電場強(qiáng)度分布均勻，與其他元件部位相比，需要承受的過電壓面積最大，同時(shí)也是成為水平最高部位。一旦發(fā)生過電壓現(xiàn)象，元件的表面就會(huì)呈現(xiàn)出范圍較大的擊穿點(diǎn)，且擊穿才層數(shù)較多，同時(shí)呈現(xiàn)出熱擊穿和點(diǎn)擊穿的特征。由此可見，這些元件的表面區(qū)域是受到熱擊穿和電擊穿的同時(shí)作用下產(chǎn)生的擊穿現(xiàn)象。

（3）薄膜的電弱點(diǎn)部位，雖然在出廠之前會(huì)經(jīng)過檢查，但是在運(yùn)行的過程中受到電力和熱力的雙重影響，在特定部位會(huì)出現(xiàn)電弱點(diǎn)的現(xiàn)象，并且在持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下，電弱點(diǎn)會(huì)進(jìn)一步老化，影響其絕緣性能，最終導(dǎo)致?lián)舸┦鹿省Ｒ话闱闆r下，產(chǎn)生電弱點(diǎn)的現(xiàn)象主要發(fā)生在電容器運(yùn)行的1～3年之間，超過這個(gè)時(shí)間之后絕緣的介質(zhì)將趨于平穩(wěn)，在不受外界運(yùn)行環(huán)境變化影響的前提下，絕緣性能不會(huì)發(fā)生變化。

由于在運(yùn)行中會(huì)造成介質(zhì)損耗，介質(zhì)的溫度也會(huì)隨之升高，溫度的變化對(duì)絕緣性能具有很大影響作用。絕緣介質(zhì)具有明顯的負(fù)溫度特征，當(dāng)溫度上升時(shí)電阻變小，這就使得電流增大，損耗的溫度也隨之提升。為此，要求電容器運(yùn)行的熱量需要小于等于散熱量，一旦大于散熱量，就會(huì)造成電容器的熱量每提升8℃，壽命就會(huì)降低一半。根據(jù)對(duì)電容器組內(nèi)兩臺(tái)故障電容器進(jìn)行解析之后可以發(fā)現(xiàn)，擊穿點(diǎn)不僅存在于元件大面上，還在R角部位。擊穿點(diǎn)也呈現(xiàn)出范圍小、層數(shù)多的現(xiàn)象，同時(shí)也有面積大和層數(shù)較小的部位，為此，僅通過擊穿形狀特點(diǎn)無法判斷出電容器元件損壞的具體原因。

5.4根據(jù)熔斷器的情況分析

熔斷器的作用是當(dāng)電容器組發(fā)生故障時(shí)，按照設(shè)定進(jìn)行熔斷操作，通過隔離故障電容器來控制故障的影響范圍。針對(duì)以上問題，如果熔斷器的熔斷性能達(dá)不隔離故障電容器的要求，那對(duì)于電容器組的影響作用將是巨大的，很有可能因熔斷器性能不佳發(fā)生擴(kuò)大故障范圍的危害。部分熔斷器的生產(chǎn)廠家明確指出，熔斷器的使用年限最好控制在5年以內(nèi)，也就是說熔斷器的有效使用壽命為出廠后的5年之內(nèi)。噴逐式熔斷器的熔斷過程為先將熔絲融化成顆粒，且顆粒之間仍然存在電弧。

如果電容器的使用時(shí)間過長，其內(nèi)壁的涂層就會(huì)發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)，內(nèi)部的彈簧也會(huì)因?yàn)樯P可失去應(yīng)有的性能。在熔絲的紙質(zhì)保護(hù)套受潮的情況下性能也會(huì)產(chǎn)生變化，如造成熔絲的熔斷曲線變化以及熔斷時(shí)不能選擇正確的熔斷目標(biāo)等。一旦熔斷曲線發(fā)生變化，就代表熔斷失去準(zhǔn)確性，故障電容器會(huì)因?yàn)闊o法及時(shí)熔斷而承受更大的過電壓造成大面積擊穿現(xiàn)象，較為嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致短路，對(duì)本身沒有故障的電容器也造成影響。電容器組的主要保護(hù)裝置如表1所示。

保護(hù)配置有過流Ⅱ段、過流Ⅰ段、差流保護(hù)、過電壓保護(hù)和低電壓保護(hù)。

6結(jié)語

一般情況下，如果電容器本身制作工藝和性能存在缺陷，在出廠檢驗(yàn)時(shí)就會(huì)被查出，存在問題的電容器不會(huì)有流入市場的機(jī)會(huì)。該變電站使用的電容器屬于常規(guī)型號(hào)，已經(jīng)具備大批量生產(chǎn)的技術(shù)。該電容器組在投入使用到發(fā)生第一次故障之間間隔5年時(shí)間，為此，可以認(rèn)定不是因生產(chǎn)工藝和技術(shù)方面的問題引起的故障。通過上述分析可以判斷，造成電容器大規(guī)模損壞的原因可能是繼電保護(hù)和熔斷器使用年限過長。