高壓并聯(lián)電力電容器內(nèi)部熔絲隔離試驗(yàn)方法優(yōu)化研究

陳令英，許光可，商攀峰，李 星，李文磊

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司高密市供電公司，山東 高密 261500）

0 引言

并聯(lián)電容器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。電容器一般并聯(lián)在變電站母線上，可吸收系統(tǒng)的容性無功功率，提供感性無功功率，從而改變系統(tǒng)運(yùn)行的功率因數(shù)。電力電容器組通過就地補(bǔ)償或集中補(bǔ)償?shù)姆绞絹頊p少線路無功功率的傳輸，調(diào)節(jié)線路的無功電流。電容器組的投入可以顯著抬升線路的電壓水平，減少電壓及功率損耗，提高了線路的輸電能力。電容器的故障也成為可能影響系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，而電容器故障常伴隨著不可逆的損壞甚至電容器爆炸，往往給電網(wǎng)帶來較大的損失。電容器故障的主要原因之一就是內(nèi)部元件的擊穿及其后續(xù)發(fā)展。內(nèi)部元件故障的原因包括［1?5］：1）生產(chǎn)制造工藝不良，電容器內(nèi)部元件有缺陷，引起元件擊穿。2）電容器外殼與套管之間密封不良，一是安裝運(yùn)行過程中潮氣或雨水可能會(huì)進(jìn)入電容器內(nèi)部，導(dǎo)致元件絕緣性能下降；二是引起漏油使油量減少，最終導(dǎo)致元件擊穿。3）由于內(nèi)部電暈、局部放電等原因，引起的細(xì)微的機(jī)械震蕩、發(fā)熱和電化學(xué)作用，加速了電容器內(nèi)部的絕緣老化分解，造成內(nèi)部元件擊穿，甚至引起電容器爆炸。

作為避免電容器故障的措施之一，電容器內(nèi)部元件往往會(huì)配置內(nèi)部熔絲。電容器內(nèi)部熔絲的作用是在電容器內(nèi)部元件擊穿時(shí)，將故障元件隔離開來，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，從而有效延長電容器的使用壽命。目前，我國生產(chǎn)的絕大部分高壓并聯(lián)電容器，其內(nèi)部的每個(gè)元件上都串聯(lián)內(nèi)部熔絲［6］，這種電容器在實(shí)際運(yùn)行中，即使有個(gè)別元件發(fā)生擊穿，與該元件串聯(lián)的熔絲就會(huì)迅速動(dòng)作，將擊穿元件切除，而其他正常元件不受影響，整臺電容器仍可繼續(xù)運(yùn)行。電容器在出廠試驗(yàn)和安裝入網(wǎng)前，為了驗(yàn)證內(nèi)部熔絲能否正常發(fā)揮作用，需要進(jìn)行內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)。目前，國內(nèi)外普遍接受的電容器內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)的元件破環(huán)方法有熱擊穿法、機(jī)械穿刺元件法、電擊穿元件法等。

分析了內(nèi)部熔絲隔離試驗(yàn)的電工原理及試驗(yàn)前后的電阻、電容等參數(shù)變化，對以上幾種方法進(jìn)行了比較，提出成套試驗(yàn)裝置及方法，并進(jìn)行了驗(yàn)證。解決了電容器內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)安全性低的問題，為試驗(yàn)開展提供了自動(dòng)化的解決方案。

1 試驗(yàn)原理

1.1 等值電路

內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)的等值電路如圖1所示。

圖1 內(nèi)熔絲動(dòng)作時(shí)等值電路

當(dāng)電容元件被破壞時(shí)，該電容元件儲(chǔ)存的電能被釋放為熱能，電流通過元件熔絲的電阻Rr、被隔離元件的熔絲電阻RgL、擊穿元件的電阻Rh，根據(jù)能量守恒定律和歐姆定律，能量轉(zhuǎn)換過程為［7］

式中：Ug為本故障段電壓；Us為擊穿后剩余電壓。

因?yàn)樵扇∫?guī)格相同的熔絲，RgL與Rr的值大小相同。而流經(jīng)RgL的電流IgL與流經(jīng)Rr的電流ir不同，假設(shè)該組元件共有n個(gè)，則IgL=（n?1）·ir，由此可得，通過歐姆效應(yīng)使兩種熔絲導(dǎo)體的溫升不同，熔絲阻值的變化量也會(huì)有很大不同。

1.2 熔絲電阻的變化過程

被隔離元件的內(nèi)熔絲流經(jīng)大電流時(shí)，經(jīng)歷固體加熱到熔點(diǎn)、開始熔化、熔化結(jié)束、液體加熱到汽化點(diǎn)、開始汽化的瞬態(tài)過程。這個(gè)過程，熔絲電阻率、比作用量、比熱能與熔絲狀態(tài)密切相關(guān)，相變時(shí)會(huì)發(fā)生大幅變化［4］，比如汽化時(shí)熔絲電阻率與室溫下的熔絲電阻率之比為14.9，爆炸時(shí)熔絲電阻率與室溫下的熔絲電阻率之比為350［7?8］。熔絲的電阻率與通過熔絲的電流密度之間的關(guān)系為

式中：ρi、ρmax分別為熔化后初始電阻率和汽化完成時(shí)電阻率；βi為加熱效率；W為能量密度；g、gmax分別為熔絲比作用量和熔絲熔化完成瞬時(shí)比作用量；j為電流密度。

由式（2）可得，熔絲的實(shí)時(shí)電阻率隨電流密度j的增大快速地增加。由于熔絲比作用量在固態(tài)、液態(tài)、汽化相變時(shí)驟然增加，熔絲在經(jīng)歷瞬間的相變過程時(shí)，電阻率和阻值也是驟然增加。

需要注意的是，在實(shí)際運(yùn)行中，故障元件擊穿時(shí)被注入的能量可能不僅如此。實(shí)際運(yùn)行中，故障元件擊穿時(shí)被注入的能量，除故障元件所處故障段中并聯(lián)的完好元件的儲(chǔ)能Q1外，還會(huì)包含所在故障電容器其他完好串聯(lián)段的儲(chǔ)能Q2，甚至與故障電容器相連的完好電容器也會(huì)疊加注入附加能量Q3。在極端條件下，比如斷路器開斷、切除故障電容器組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生重燃過電壓［9?11］，上述3 部分完好元件的過儲(chǔ)能可能會(huì)向故障元件及隔離熔絲釋放，這部分超常能量會(huì)使故障元件的熔絲加速熔斷、汽化，同時(shí)與故障元件相鄰的完好元件，在釋放能量的過程中，其熔絲消耗的能量超過熔絲臨界能量時(shí)也會(huì)被熔斷，即發(fā)生熔絲群爆現(xiàn)象［12?14］，給電網(wǎng)帶來更大損失。因此，為了避免這種情況，內(nèi)熔絲需合理整定，確保整體電容量變化不超過單元件的電容量。

1.3 內(nèi)熔絲熔斷后電容的變化

電容器內(nèi)部電氣接線如圖2 所示。設(shè)故障電容器單元內(nèi)一個(gè)串聯(lián)段的故障元件數(shù)為x，則故障段電容量為

圖2 內(nèi)部熔絲電容器接線

式中：CN為電容器的額定電容量；Cy為單個(gè)元件電容量；x為故障元件數(shù)，x=0，1，2，…，n?1；n為該段元件總數(shù)；m為電容器內(nèi)部串聯(lián)段數(shù)。可見故障段電容量隨故障元件數(shù)線性減少。

故障電容器電容量為

可見，若x為1，考慮實(shí)際情況中m和n的大小，電容器電容量變化一般小于單個(gè)元件電容量。設(shè)在理想情況下，即所在運(yùn)行系統(tǒng)為無窮大，故障后電容器組的中性點(diǎn)無偏移，故障電容器的端子間電壓保持不變。

由于在交流電壓下，電容器內(nèi)串聯(lián)段間的電壓與電容成反比，所以當(dāng)內(nèi)熔絲隔離后，故障段的電容Cg減小，承受的電壓會(huì)升高，而完好串聯(lián)段的承受的電壓會(huì)降低。

故障元件所在故障段的電壓為

式中：UN為電容器額定電壓，故障前后保持不變；Uy為單個(gè)元件的額定電壓。

完好段的電壓為

由式（5）、式（6）可得，隨著故障元件內(nèi)熔絲的熔斷，故障元件所在的故障段電容量減小，且故障元件的數(shù)量的增加而線性減??；而故障段的電壓Ug增大，完好段的電壓Uh降低，電壓的變化是非線性的。

2 試驗(yàn)方法比較

2.1 現(xiàn)行方法

由以上分析可知，熔絲動(dòng)作時(shí)電壓、電流的變化可由計(jì)算得知，在試驗(yàn)過程中需要對電壓、電流的監(jiān)測來證明熔絲確已斷開。目前GB/T 11024.4—2019《標(biāo)稱電壓1kV 以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器第4 部分：內(nèi)部熔絲》規(guī)定了內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)需要在0.9UN的下限電壓和2.2UN的上限電壓上進(jìn)行，并沒有規(guī)定如何對元件進(jìn)行準(zhǔn)確的人為破壞。目前國內(nèi)外普遍接受的電容器內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)的元件破壞方法有以下幾種［15?21］：

1）熱擊穿法。將電容器放在100～150 ℃的烘箱中預(yù)熱，然后施加下限交流試驗(yàn)電壓下獲得第一次元件擊穿。該種方法理論上是加速內(nèi)部元件的熱老化，試驗(yàn)時(shí)間不確定的程度高，可能會(huì)達(dá)到幾個(gè)小時(shí)。而且高溫會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部液壓大，容易導(dǎo)致液體滲出損壞電容器。本方法試驗(yàn)未知因素多，成功率低。

2）機(jī)械穿刺元件法。施加電壓的同時(shí)，將釘子通過事先在外殼鉆好的孔內(nèi)打入元件，造成元件擊穿。若施加的是交流電壓，需控制在接近電壓峰值的瞬間進(jìn)行刺穿；這種方法可實(shí)現(xiàn)快速破壞，是最適合檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)開展的方法［16?17］。但不能保證每次僅有一個(gè)元件被破壞，且安全性差，無法保證電容器不會(huì)爆炸且釘子不會(huì)爆炸性射出。

3）電擊穿元件法，采取一些方式使目標(biāo)元件更容易被擊穿，比如將膜—紙—膜結(jié)構(gòu)的元件割下10 cm2，用兩層薄紙?zhí)娲?；或者在某個(gè)元件上加裝一根易熔的金屬絲，用附件插片插到介質(zhì)層間等［21］。這種方法需要對電容器進(jìn)行專業(yè)改造，且合理確定施加擊穿電壓，不適合除制造廠外的檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)使用。

無論哪種方式，都尚未形成一套完整成熟、可直接推廣的試驗(yàn)技術(shù)。國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如IEC 60871?4和GB/T 11024.4，也未對該試驗(yàn)的試驗(yàn)方法作出統(tǒng)一規(guī)定。上述的幾種試驗(yàn)方法，在以上標(biāo)準(zhǔn)附錄中也被列為可接受的選項(xiàng)供試驗(yàn)人員自行選擇。

據(jù)調(diào)研，國內(nèi)電容器生產(chǎn)廠家和中國電科院等檢測機(jī)構(gòu)普遍采取機(jī)械穿刺法進(jìn)行試驗(yàn)，但操作方式具有較大的危險(xiǎn)性，操作實(shí)際中難度較大。采取直流電壓法，同時(shí)對元件串聯(lián)段進(jìn)行機(jī)械穿刺，但在具體的操作過程中有較大的難度，且存在一定的危險(xiǎn)性，具體表現(xiàn)為：試驗(yàn)前需要對電容器兩極施加1.27倍或3.11倍的額定電壓，通常達(dá)到幾十千伏；在此同時(shí)，需要將釘子通過在外殼上預(yù)先打好的洞打進(jìn)電容器內(nèi)部元件內(nèi)，造成元件破壞，觸發(fā)內(nèi)熔絲動(dòng)作，將損壞元件隔離，不至于影響其他元件，此時(shí)操作人員有一定的觸電或遭遇爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 當(dāng)前機(jī)械穿刺法缺點(diǎn)分析

參照相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使用高壓電橋測量電容器初始電容。將待試電容器外殼鉆孔，人工接線后，使用高壓直流電源對電容器施加規(guī)定的直流電壓，使用工具（絕緣棍等）將鋼釘敲打入孔內(nèi)，此時(shí)對操作人員有較高風(fēng)險(xiǎn)，安全性差，不能保證電容器不會(huì)爆炸且釘子不會(huì)爆炸性射出。敲擊的過程需要有經(jīng)驗(yàn)的人員執(zhí)行，防止觸電。

斷開直流電源，隨后采用高壓電橋進(jìn)行電容量復(fù)測，最后使用試驗(yàn)變壓器對電容器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，觀察有無擊穿閃絡(luò)。整個(gè)試驗(yàn)過程需要多種設(shè)備，多次切換交直流電源，多次切換測量設(shè)備，操作復(fù)雜，危險(xiǎn)程度高。此種情況下需要有某種裝置可以取代人工進(jìn)行試驗(yàn)，將整個(gè)過程自動(dòng)化執(zhí)行，并大大降低操作人員的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 成套裝置與方法的優(yōu)化與驗(yàn)證

3.1 方法優(yōu)化

設(shè)計(jì)一種電力電容器內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)自動(dòng)化程度高的解決方案，包括高壓直流電源、高壓交流電源、自動(dòng)切換線裝置、機(jī)械穿刺模塊與試驗(yàn)臺、測量模塊和控制模塊，以及配套的試驗(yàn)控制軟件。其中，高壓直流電源可穩(wěn)定提供0～150 kV的直流電壓，高壓交流電源可穩(wěn)定提供0～100 kV的交流電壓；自動(dòng)切換線裝置可實(shí)現(xiàn)對兩種電壓源的自動(dòng)切換，通過遠(yuǎn)程控制，無須人工拆接線；機(jī)械穿刺模塊與試驗(yàn)臺利用氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制穿刺；測量模塊實(shí)現(xiàn)電壓測量和電容測量；控制模塊配合控制軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整套裝置的遠(yuǎn)程自動(dòng)操作。通過遠(yuǎn)程控制，有效提升電力電容器內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)的操作規(guī)范性、安全性，提升試驗(yàn)效率，為當(dāng)前該試驗(yàn)的具體操作提供有價(jià)值的參考。

該方案硬件部分由控制模塊、測量模塊、高壓交流電源、高壓直流電源、切換線裝置、機(jī)械穿刺模塊與試驗(yàn)臺組成，如圖3 所示。其中，測量模塊包括高壓電橋和電壓測量裝置。測量結(jié)果在顯示控制模塊計(jì)算和顯示，并通過顯示控制模塊遠(yuǎn)程控制高壓電源及其切換線裝置，高壓電橋，機(jī)械穿刺模塊與試驗(yàn)臺。裝置的控制與數(shù)據(jù)傳輸如圖4所示。

圖3 電容器內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)整套裝置組成

圖4 試驗(yàn)裝置控制與數(shù)據(jù)傳輸

3.2 方法實(shí)施與驗(yàn)證

表1 被試品主要技術(shù)參數(shù)

具體步驟為：

1）根據(jù)圖紙確定擊穿點(diǎn)，將預(yù)處理好的電容器放置在機(jī)械穿刺模塊與試驗(yàn)臺的絕緣板上，將鋼釘放置并固定，對準(zhǔn)外殼的其中一個(gè)孔，氣泵投入工作為機(jī)械穿刺模塊提供氣源。將被試電容器與測量模塊，高壓電源及其切換線裝置用高壓線路連接，將內(nèi)部各控制回路連接。接線完成后，控制終端控制高壓電橋?qū)﹄娙萜鬟M(jìn)行電容初測，系統(tǒng)自動(dòng)獲取測量結(jié)果。

2）控制終端控制高壓直流電源和切換線裝置，對被試電容器施加3.11倍額定電壓（24.50 kV），電壓測量裝置顯示電壓穩(wěn)定后，控制終端與機(jī)械穿刺模塊利用氣動(dòng)釘槍將鋼釘打入電容器內(nèi)部，觸發(fā)內(nèi)熔絲動(dòng)作?？刂平K端控制切換線裝置斷開高壓直流電源，切入高壓電橋，對電容量進(jìn)行復(fù)測，自動(dòng)記錄復(fù)測值，并與初測值比較?？刂平K端控制切換線裝置，斷開高壓電橋，切入高壓直流電源，對被試品施加1.27倍額定電壓（6.86 kV），重復(fù)此步驟。

3）控制終端控制切換線裝置，斷開高壓電橋，切入高壓交流電源，電壓測量裝置內(nèi)置的電力電子模塊切換至交流擋位。對熔絲斷口施加2.15 倍額定電壓10 s，無擊穿和閃絡(luò)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。兩次擊穿后的電容變化量小于0.66 μF，證明內(nèi)部熔絲正確動(dòng)作，有效將擊穿元件進(jìn)行了隔離，非故障段電壓明顯降低。同時(shí)，本試驗(yàn)有效驗(yàn)證了本文提出的優(yōu)化后的試驗(yàn)方法及裝置。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

通過等值電路分析，隨著隔離熔絲相繼熔斷，故障段電容量線性減小，故障段電壓非線性增大，非故障段電壓降低。通過對比分析，采取機(jī)械穿刺法對預(yù)處理的電容器進(jìn)行破壞是一種簡便的方式。提出了成套的基于機(jī)械穿刺法的試驗(yàn)裝置及方法，集成各電壓源、測量設(shè)備和動(dòng)作設(shè)備，通過遠(yuǎn)程操作，有效降低試驗(yàn)操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。利用提出的方法和裝置，對電容器樣品進(jìn)行了內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論推算，證明了裝置可經(jīng)一次接線即可完成試驗(yàn)，顯著提升試驗(yàn)效率，并通過遠(yuǎn)程操作，有效降低了試驗(yàn)操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前的內(nèi)熔絲隔離試驗(yàn)是通過直接破壞元件的方式，無法模擬實(shí)際運(yùn)行中由熱累積、局部放電等原因?qū)е碌脑收?，還不能全面驗(yàn)證上述情況下內(nèi)熔絲的隔離作用。下一步，建立溫度場仿真模型，研究內(nèi)熔絲邊界能量設(shè)定，探索多種物理場下內(nèi)熔絲隔離作用的驗(yàn)證方法。