自愈式电容器组爆炸演变过程分析及仿真研究

苑 舜 王新伟 蔡志远 陈朝辉 岳振杰

（1.国家电力监管委员会东北监管局，沈阳 110006；2.沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870）

目前，自愈式电力电容器组在电力系统无功补偿调节中得到了广泛的应用，但是在实际的运行中，经常发生电容器损坏情况，严重时还会出现电容器组爆炸现象，给电网的实际运行造成很大损失。

以抚顺供电公司为例，该地区的29个变电所安装了49组无功补偿电容器组。近4年来，电容器组曾发生多次不明原因的电容器组跳闸事故；电容器运行期间也出现过由于电容器组内个别电容器的损坏而导致整个电容器组发生爆炸的恶性事故，无法保证地区电网的安全、稳定供电，给电网的运行造成了很大的损失。

对于单个电容器自愈失败而导致的爆炸问题，国内外的学者做了很多研究，文献[2-4]对决定自愈能量大小的影响因素进行了研究；文献[5-6,8]从聚合物击穿的角度进行了研究，文献[9]中屠德民等人通过试验验证了陷阱密度作为聚合物电老化的特征参数。而对于整个电容器组绝缘破坏问题，尤其演变过程如何，目前还没有相关的文献给予详细的解释。

本文通过建立数学模型开展了对自愈式电容器组绝缘破坏演变过程的分析，并进行了仿真研究，实现了从单个电容器自愈到整个电容器组爆炸这一渐变过程的量化研究。

1 单个电容器自愈失败而导致爆炸过程分析

电力系统中的电容器组，它的设计一般是在规定的适用条件和安全可靠的基础上力求经济，从而节约成本，所以，它的运行电压、电流、温度都应严格控制。GB3983.2-1989中[1]规定的电容器工频稳态过电压和相应的运行时间如表1所示。

表1 电容器工频稳态过电压和相应的运行时间

为了清晰的研究电容器发生绝缘破坏的量化过程，在此引入一个表征可以使得电容器自愈失败而发生破坏爆炸的临界电压值Uph。当电网中的电容器组正常运行时，假设此时电容器组的临界破坏值为Uph1，由于电容器的个体差异，每种自愈电容器自愈失败而发生破坏爆炸的临界电压值Uph各不相同。电容器的国标中规定电容器可以在1.3UN下运行1min，所以我们可以近似认为完好的电容器开始接入电网运行时临界破坏值为Uph1=βUN，其中β＞1.3。电容器组两端存在较大的过电压U1时，金属化电容器的有机薄膜的电弱点处将会被较高的电压击穿，形成直径为φ的孔洞。假设击穿后的电压U持续时间为t，孔洞直径φ的大小取决于电弱点处的自愈能量。设电弱点处的能量为Q

其中，t1、t2分别为电弱点击穿后流过自愈电流的开始时间和自愈电流降至零的时间。

1.1 从能量角度分析电容器绝缘破坏过程

自愈处吸收的能量Q0的大小，取决于烧去金属层的体积V，呈现出线性关系[2]。其中

其中，e为金属层的厚度，Sv为电极蒸发面积。

金属化电容器发生自愈时，自愈点处清除金属层的能量Q0可以表示为[3]

1.2 连续多次自愈后的电容器绝缘破坏过程

当电弱点处产生的能量Q0不是很大时，电弱点周围薄膜的温度的升高不足以超过介质的熔点，金属化膜自愈成功，绝缘恢复。但是，根据每次自愈程度的不同，当电容器两端有连续的过电压出现时，就可以导致金属化层出现新的自愈点，此时的自愈电压一般低于或等于前一次自愈电压[7]，可以理解为，当有新的自愈点出现时，较大的能量Q0更多的转化为电弱点处的热量q，加速介质薄膜的绝缘破坏，从而使得金属化电容器的临界破坏值Uph有所下降，根据这一特点，我们在此引入一个表征电容器耐压下降程度的系数，称为自恢复度ki，其中i=1,2,3˙˙˙。当每次出现较高的电压U使得电容器自愈后，电容器由于自愈性能使得其临界破坏值有所下降，这时，电容器的临界破坏值 Uph(i+1)可以表示为

其中，i=1,2,3…。根据公式（4）可以得出

因此，电容器的临界破坏值公式可以进一步的表示为

根据式（5）可以看出：电容器每一次出现过电压而使得电容器成功自愈后，电容器的临界破坏值都有所下降，下降程度的多少，取决于电容器两端出现的过电压幅度的大小。当电容器出现 i次的较高过电压后，使得电容器的临界破坏值下降明显，当电容器的临界破坏值小于等于电容器系统的运行电压时，此时的电容器将会发生上一节所讲述的较大的自愈能量更多的转化为电弱点处得热量 q，从而发生介质汽化燃烧而导致电容器爆炸的严重情况，此时自恢复度k的乘积可以表示为

此时的 Uph(i)可以近似的表示为电容器的系统运行电压，即式（7）可以进一步的表示为

由于β＞1.3，所以式（8）可以表示为

1.3 自恢复度k的变化趋势

对于自愈式电容器的自恢复度k的变化趋势问题，可以从电容器自身材料的击穿过程进行研究。目前金属化电容器的电介质多数为高分子聚合物薄膜，Kao等人提出了关于聚合物击穿的新理论——陷阱理论[8-9]。陷阱理论认为，固体电介质中存在的杂质和缺陷，使得电介质的性能很大程度地偏离它的本征性能。这些缺陷以局域能级表示时，可以称为陷阱。从微观上解释，陷阱是正负电荷作用中心偏离产生的，聚合物大分子链在热电子作用下会发生裂解，从而形成自由基和单体，使得分子中原子排列不对称，陷阱密度增加，当陷阱密度达到某一临界值时，介质就会发生击穿[10]。

当金属化电容器两端的电压越高时，介质内部的空间电荷密度就越大，从而造成局部电场发生畸变。畸变的电场不仅会造成介质薄膜击穿，而且会促使空间电荷入陷的几率增大，导致聚合物的降解，这一过程的反复出现，对于介质薄膜绝缘性能的破坏是不可逆的，绝缘性能的下降越来越严重，电容器的也因此而表现出非线性的关系，从介质薄膜降解特性来看，自恢复度k并非一个固定值，而是随着电容器临界破坏值的下降而呈现出逐渐变小的趋势，直至k的乘积小于极限值0.7692。

2 由单个电容器损坏到整个电容器组发生爆炸的演变过程及仿真分析

2.1 电容器组发生爆炸时能量的要求

为了考核电容器是否满足国标中规定的性能和运行要求，电容器制造厂必须在新产品制出时进行型式试验。对于电容器自愈性试验，国标 JB/T 8958-1999规定[11]：试验单元在承受n1.75U交流电压，历时 10s，这期间至少击穿 5次，试验前后测量电容，其值不应有明显变化。但是在电容器的实际运行中，由于每次电容器上的过电压情况各不相同，其击穿的次数也各不相同。随着使用时间的延长，击穿自愈的次数越多，电容量下降也越多，通常以 5%的容量损耗作为电容器工作寿命终止的标志[12-13]，超过这一限值，就会导致电容器性能恶化，电容量迅速衰减，损耗迅速上升，其临界破坏值下降越来越快，较大的自愈能量Q0更多的转化为电弱点处得热量 q，从而导致电容器爆炸等一系列事故的发生。

对于运行中的电容器组，当某一相电容器单元内部某个电容器发生贯穿性击穿时，与其并联的其它电容器就会通过一个低阻抗放电通道在较短的时间里（小于 0.2s）向故障电容器释放能量，电容器的外熔断器又往往不能开断此放电电流，从而引发电容器壳体的爆炸，电容器爆裂之后，继电保护才跟着动作，此时保护动作为时已晚。GB/T 11024-2001中规定：对于全膜电容器，将并联容量限制在15kJ时，即使电容器发生故障，外壳爆裂的几率通常是可以接受的。

根据这一规定，我们可以理解为当电弱点连续多次自愈时，单个电容器的性能下降，临界破坏值下降明显，发生破坏性击穿的几率变大，此时整个电容器组可能不会跳闸，仍然可以正常工作，但是此时电容器组内部各个元件的电压分布则发生变化，能量也是一个累积的过程，当能量累积较大Equation Section (Next)时，超过15000W·S这一限值时，就会出现电容器组中的某个电容器的击穿而导致整个电容器组的爆炸。

2.2 仿真实例研究

对于电容器组中的电容器，由于性能方面的差异，在长期的系统运行中可能会出现击穿自愈现象，由于电容器组内部采用串并结合的方式，这就会因为个别电容器的自愈次数过多而导致击穿损坏的情况，从而导致整个电容器组的损坏、爆炸。本文以电网中典型的成套电容器装置 TBBK10-4800/133.3AK为例进行研究，详细参数如表2所示。

其电容器组主接线如图1所示。

表2 成套电容器装置详细参数

图1 电容器组主接线图

本文选取典型的 66kV变电所的电容器组进行研究，根据实际运行变电所参数建立仿真模型，运用 EMTP-ATP电磁暂态分析程序进行计算，采用Matlab进行数据处理，对个别电容器击穿而导致的电容器组爆炸损坏的过程进行研究，电容器组接线部分的仿真模型如图2所示。

图2 电容器组接线部分的仿真模型

本文通过对一相电容器单元中的某个电容器击穿进行仿真研究，当电容器单元内某个电容器几次自愈后，某次较高的过电压可能会导致它发生破坏性击穿，此时对外呈现短路状态，仿真模型中采用在电压峰值处开关闭合接入小阻抗的方法进行模拟，从而监测流过该电容器的电压、电流以及该单元中其它两部分的电压、电流情况。

在0.1s处1段开关闭合，A、B、C三相电流波形如图3所示。

C相电压变化情况如图4所示。

由图3可以看出，当C相的第1段电容器击穿后，在0.1s时开关闭合后，由于单元内部的电容器分布不均匀，使得流过3相的电流增大，击穿相电流增加幅度较大，峰值达到 453.75A，达到了额定电流的1.27倍，未到达国标中规定的电容器可以长期运行的1.3IN值。图4所示，显然第1段电容器发生击穿前后，整个电容器组C相电压相差不大，仍然可以正常运行，但是，与击穿段相串联的其它部分电容器的电压分布发生了变化[14-15]，这点与文献[15]的研究相吻合，3段电容器的电压变化波形如图5所示。

图3 A、B、C三相电流波形

图4 C相电压变化波形

图5 3段电容器的电压变化波形

由图5的波形数据可以看出，假设在0.1s处得电压峰值处，第1段电容器发生贯穿性击穿后，与击穿段相串联的第2段、第3段两部分电容器的电压突变，峰值达到了4.30kV，达到了正常运行时该串联段电压的 1.436倍，如此高的电压则会诱发该段存在电弱点的电容器的自愈的发生、从而导致跳闸次数的增加，最后发生破坏性击穿。

与此同时，当C相的第一段电容器击穿后，整个C相电压变化不大，击穿后较击穿前有变小的趋势，如图4所示，这就意味着电容器的保护不会动作，但是，流过击穿电容器的能量是可以累积的，超过15000W·s这一限值时，就会出现电容器组中的某个电容器的击穿而导致整个电容器组的爆炸。假设在0.1s处第1段电容器发生贯穿性击穿后，电弱点处的能量累积计算通过公式（1）可以得到，运用Matlab进行数据处理后，得到能量的瞬时值（积分用Δt=0.001s ）和能量累计图如图6、图7所示。

图6 能量瞬时值

图7 能量累积图

从图6的能量瞬时值可以看出，在0.1s电容器发生击穿的瞬间，击穿电容器在 1 ms内的瞬时能量Q＜ 6 00kW·s ，远远小于可能使得电容器组发生爆炸的15000W·s的限制，瞬时击穿能量对于电容器的危害是微不足道的，但是，如果在击穿瞬间，击穿电容器单元不能迅速开断与完好电容器分离，能量的累积对与电容器组来说是致命的危害，如图7所示，在电容器击穿后的0.0446s时，电容器上累积的能量就到达了15000W·s，从而导致电容器组的爆炸。

因此，当电容器组中的某个电容器发生击穿时，电容器的保护可能不动作，但是，流过击穿电容器的能量的累积对电容器组来说却是致命的，及时有效的切除击穿电容器对整个电容器组的安全运行至关重要。

3 结论

1）自愈式电容器自愈能量的大小是电容器绝缘破坏的决定因素，电容器两端较大的电压U会导致自愈点处的能量过大，导致自愈点处薄膜的温度迅速升高，当温度超过介质的熔点时，就会发生介质燃烧、甚至电容器爆炸的现象。

2）电容器的自愈性能虽然是它比传统电容器性能优越的地方，但是，自愈失效引发绝缘破坏也要引起高度重视；电容器每次的自愈成功后，都使得电容器的临界破坏值有所下降，下降幅度的多少取决于电容器在系统中的过电压情况。

4）电容器组中某相中的个别电容器的击穿损坏，会诱发与其串联的存在电弱点的电容器发生自愈，从而导致跳闸次数的增加，最后发生破坏性击穿。

5）当电容器组中的某个电容器发生击穿时，电容器的保护可能不动作，但是，流过击穿电容器的能量的累积对电容器组来说却是致命的，及时有效的切除击穿电容器对整个电容器组的安全运行至关重要。

[1]GB/3983.2-1989自愈式高电压并联电容器.

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