電力電容器組發(fā)熱缺陷分析

羅文清 吳鶴雯 陳小鑫 蔡嗣焜

摘要：10kV并聯(lián)電容器連接組件存在結(jié)構(gòu)性缺陷，導(dǎo)致運行過程中發(fā)熱頻繁，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。本文針對電容器母排接觸面發(fā)熱現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場狀況與運行經(jīng)驗，分析發(fā)熱故障原因，并針對性地提出了解決方案和日常檢修及運行維護(hù)的一些建議，以提高電容器組運行可靠性。

關(guān)鍵詞：電容器;發(fā)熱;收縮電阻;膜層電阻

中圖分類號：TM572?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

1???? 引言

電力電容器組作為變電站無功補償、維持電壓穩(wěn)定的核心設(shè)備，其安全運行對提高系統(tǒng)穩(wěn)定性起到重要作用。近年來，尤其南方高溫高負(fù)荷地區(qū)，電容器組導(dǎo)電回路過熱缺陷頻發(fā)，導(dǎo)致電容器保護(hù)跳閘時有發(fā)生。本文分析電容器組發(fā)熱機理，探討常見發(fā)熱故障原因，旨在降低電容器設(shè)備缺陷發(fā)生率，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。

2???? 電容器的發(fā)熱機理

使用戶外測溫儀實驗發(fā)現(xiàn)：中性線的發(fā)熱位置主要出現(xiàn)在銅排線和鋁軟線的連接點。而對于連接點的發(fā)熱成因，主要在于連接點電阻值變大和連接點出現(xiàn)渦流。

導(dǎo)電回路電流型致熱最關(guān)鍵的原因在于導(dǎo)體接觸部位接觸電阻的增大。由霍爾姆（Holm）接觸電阻理論可知，在導(dǎo)體相互連接的接觸面上存在接觸電阻，接觸電阻Rj可以分為兩部分：Rj=Rc+Rb，其中Rc為收縮電阻;Rb為膜層電阻。

2.1? 收縮電阻

接觸電阻的形成是一個非常復(fù)雜的過程，導(dǎo)體A與導(dǎo)體B接觸，如果接觸面為理想平面，則通過導(dǎo)體內(nèi)的接觸面的電流線在界面處仍保持平行，不發(fā)生畸變現(xiàn)象，因此也不會產(chǎn)生新的接觸電阻;如果兩個導(dǎo)體為理想球面相接觸，接觸處為一個點圓，則電流先在接觸處彎曲、收縮，最后集中于點圓內(nèi)。顯然，與理想平面接觸相比較，球面接觸時的電流線加長，電流通過的截面大大縮小，因此接觸面的情況發(fā)生了變化，將產(chǎn)生新的附加電阻——收縮電阻，即為收縮電阻Rc。

實際上，任何接觸表面都是由許多不同形狀的微凸峰和凹谷組成，呈現(xiàn)一定的表面幾何特征。表面幾何特征可采用形貌參數(shù)來描述，最常用的表面形貌參數(shù)是表面粗糙度，它取表面上某一個截面的外形輪廓曲線來表示。電流從各個相接觸的小面積尖峰處通過，因此，接觸面的總電阻等于各個接觸點的電阻的并聯(lián)值。其中接觸點圓的半徑由兩導(dǎo)體表面接觸時所產(chǎn)生的變形情況來確定，主要有3種狀態(tài)：彈性變形、塑性變形及彈塑性變形。

2.2? 膜層電阻

當(dāng)兩塊母排接頭處于大氣環(huán)境中時，表面很快會產(chǎn)生一層金屬氧化膜。如果氧化膜層足夠厚時，則會造成觸點之間的絕緣;如果氧化膜層較薄時，若對觸點施以一定的電壓，則觸點之間有電流流過，氧化膜層呈現(xiàn)一定的電阻———膜層電阻Rb。若外界的壓力一定，且無其他外界因素影響，Rb的阻值基本上恒定。根霍爾姆理論，流過這種非金屬膜層的電流是通過隧道效應(yīng)完成的，導(dǎo)體與導(dǎo)體接觸處由于有接觸電阻的存在，當(dāng)電流通過它時必然產(chǎn)生焦耳熱使接觸點局部區(qū)域溫度升高。溫度升高又會促進(jìn)表面膜的生長，使接觸電阻增大，嚴(yán)重時接觸點的溫度可達(dá)到接觸元件材料的軟化點、熔化點，甚至沸騰點。在實際工程當(dāng)中根據(jù)已有的接觸電阻和接觸力的關(guān)系來估算總的接觸電阻。計算接觸電阻Rj的經(jīng)驗公式：

式（1）中：Kj為與接觸材料、表面狀況等有關(guān)的系數(shù)，銅板與銅板接觸時取0.08～0.14;F為接觸壓力，N;m為當(dāng)為接觸面時，取1。

3???? 電容器組發(fā)熱故障分析

針對電容器發(fā)熱現(xiàn)象，可以從接觸部位影響收縮和膜層電阻的相關(guān)因素進(jìn)行質(zhì)量控制。降低接觸電阻，減少設(shè)備的發(fā)熱缺陷率。結(jié)合發(fā)熱機制與現(xiàn)場工作經(jīng)驗，給出如下發(fā)熱故障分析：

3.1? 銅鋁排直接連接，無過渡措施

當(dāng)銅、鋁導(dǎo)體直接連接時，這兩種金屬的接觸面在潮濕空氣中的二氧化碳和其他雜質(zhì)的作用下極易形成電解液，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，在銅和鋁的表面形成氧化薄膜，增大了膜層電阻，而這些氧化膜導(dǎo)電性能非常低，容易造成連接點局部溫度的升高，氧化強度在溫升的作用下業(yè)得到提升。

3.2? 銅鋁熱膨脹系數(shù)不同，接觸面產(chǎn)生間隙

由于銅鋁熱膨脹系數(shù)不同，銅的熱膨脹系數(shù)為17.7μm/m.℃，鋁的熱膨脹系數(shù)為23μm/m.℃，冷卻后不能同時恢復(fù)原來的體積，經(jīng)過多次運行和退出的冷熱交替，長時間直接搭接運行會產(chǎn)生較大間隙，從而導(dǎo)致連接處松動，增大了連接處的接觸電阻，引起局部發(fā)熱。

3.3電容器間采用單孔穿孔上下相扣的連接方案

利用單孔穿孔上下相扣的銅質(zhì)鎖扣，實現(xiàn)單只電容器間的電氣連接存在諸多缺點。包括：軟銅線無法同凹槽結(jié)構(gòu)的鎖扣相結(jié)合;黃銅導(dǎo)熱系數(shù)為108.9/（m.k），電阻率（20℃時）為0.071Ω？mm2/m，在大電流大容易發(fā)熱;在天氣和溫度的影響下，軟銅導(dǎo)線熱脹冷縮明顯，導(dǎo)致軟銅線同壓接鎖扣間的連接緊密程度受限，增大了接觸電阻。

3.3? 電容器組的接線方式不恰當(dāng)

變電站電容器組多采用通過軟銅線將各分散式電容器并聯(lián)至匯流鋁牌的方式。該連接方式存在回流鋁排電流大電流集中的特點，在一些接觸電阻較大的地方容易發(fā)熱。以三相整組容量為4200kVar的電容器組計算，如果每相設(shè)置有7至電容器，單相內(nèi)的電容器全部并聯(lián)，則每相匯合電流可達(dá)二百五十安培以上。隨著電容器組容量的增大，其電流也隨之增大，隨著運行時間增長，接觸面電阻的變化，發(fā)熱缺陷隨即產(chǎn)生。

3.4? 接觸面連接螺栓緊力不當(dāng)

由于施工工藝問題，電容器組連接螺栓緊固力不足，緊固不均勻的問題也時常發(fā)生，同時，鋁質(zhì)母線和母排的彈性系數(shù)較小，在其強度不足的情況下受到強外力作用下，導(dǎo)致接觸面隆起變形，直接減少接觸面積，增大接觸電阻。

3.5? 母排搭接面不平整

計及成本因素，電容器現(xiàn)場多采用硬度系數(shù)較小的鋁排。而在使用母排沖孔機沖孔時，鋁排螺孔周圍容易產(chǎn)生凹陷的現(xiàn)象，且難以打磨平整。運行時電流在表面凹凸處彎曲、收縮，減少了電流通過的截面積，進(jìn)而增大了收縮電阻與發(fā)熱幾率。

3.6? 銅鋁連接處的導(dǎo)電膏涂抹不合理

膏本身不導(dǎo)電，但夾有金屬微粒，與銅鋁表面接觸可破壞搭接面表面的氧化膜，當(dāng)涂得很薄，或緊密擠壓時，涂層很薄，借助“隧道效應(yīng)”實現(xiàn)導(dǎo)電。當(dāng)接觸面導(dǎo)電膏涂抹不均或者過厚，直接破壞了“隧道效應(yīng)”，反而使接觸電阻大大增大，直接導(dǎo)致發(fā)熱。

3.7? 軟銅線在安裝過程中的松股、散股等其他因素。

4結(jié)束語

針對電力電容器常見的發(fā)熱原因分析，我們給出電力電容器組驗收、檢修維護(hù)的建議，主要有如下幾點：

（1）???? 加強可研初設(shè)管理，在設(shè)計階段規(guī)范設(shè)計部件各項技術(shù)指標(biāo)、電容器組的接線方式、導(dǎo)電連接部位連接方式等。

（2）???? 嚴(yán)格按照“五通”標(biāo)準(zhǔn)做好設(shè)備中間過程驗收、投運前驗收，避免由于施工質(zhì)量導(dǎo)致后期設(shè)備發(fā)熱等。杜絕出現(xiàn)接觸面連接螺栓緊力不當(dāng)，螺栓力矩不足等問題。

（3）???? 提高變電檢修質(zhì)量，選擇高性能導(dǎo)電硅脂，正確使用導(dǎo)電硅脂、實施銅鋁過渡措施，并嚴(yán)格按照“五通”標(biāo)準(zhǔn)自驗收。對于已停電檢修的電容器組，逐個檢查各個連接部位螺栓緊固力。

（4）???? 加強對在運電容器組管理力度，尤其在高溫大負(fù)荷下，更應(yīng)提高運維人員巡視頻率，做好數(shù)據(jù)跟蹤記錄，及時發(fā)現(xiàn)存在數(shù)據(jù)異常趨勢的設(shè)備，做到高頻巡視、及時報告、快速消缺，避免設(shè)備缺陷擴大。

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