一起10 kV并联电容器横差动作原因分析及防范措施

徐友刚，黄　怡，沈　峰，徐　萍，陆敏安

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海　201700)



一起10 kV并联电容器横差动作原因分析及防范措施

徐友刚，黄怡，沈峰，徐萍，陆敏安

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海201700)

介绍了某35 kV变电站发生的一起10 kV电容器组横差动作故障。通过现场检查、诊断性试验和电容器解体分析等方法对故障进行分析总结。查找出故障原因是部分电容器存在芯子与引线间绝缘薄弱、放电电阻设置不合理和元件绕制皱褶多等问题，不能够承受过电压冲击。针对这些问题，提出了防止类似故障再次发生的措施，对今后电容器组的设计、制造和运维具有一定的参考价值。

横差动作；放电电阻；皱褶；防范措施

在电力系统中，以并联电容器补偿电网的无功功率是无功补偿的主要形式。并联电容器能够有效提高系统功率因数，改善电压品质，减少线路损耗，提高电网输送能力，保证发电机的出力和设备的运行能力，对电力系统的安全可靠运行具有重要意义[1-4]。本文以某35 kV变电站10 kV 2号电容器甲组横差动作为研究对象，对故障电容器进行试验和解体分析，提出防范类似故障发生的有效措施。

1　概述

并联电容器组的接线方式有三角形和星形两种。三角形接线方式目前只在380 V配电系统中有少量使用。星形接线方式接线简单，能够有效降低电容器损坏时故障电流，广泛应用于各种电压等级的系统。双星形接线方式是将两组电容量相等的星形接线的中性点相互连接而成。在正常情况下三相平衡，两组星形中性点之间无电流流过。当其中的一台电容器内部某个串联元件被击穿时, 中性点电压不等, 中性点间流过不平衡电流。如果电容器击穿率达到一定程度, 中性点电流横差(不平衡)保护动作, 切断电容器组[5-8]。

表2　抽样电容器诊断性试验报告

注：试验天气：晴；温度：33℃；湿度：67%

图1　某变电站10 kV 2号电容器一次接线图

2　故障情况

2012年8月13日15时25分，该变电站10 kV 2号电容器甲组横差动作。专业人员对故障进行初步检查发现，甲组电容器的18根熔断器中已有15根已被熔断，并且部分熔断器存在大电流冲击暴熔现象。电容器组柜门、电容器接线桩头及电容器壳体上留有熔断器被熔断后反弹触碰的放电烧黑痕迹。利用电容电感测试仪对该电容器组的18台电容器进行电容量测试，发现A相6号电容器，B相2号、4号、5号、6号电容器以及C相3号、4号、6号电容器的电容值已超过标准(电容值标准误差为：±5%)，认为这些电容器已经发生贯穿性击穿，详细测试数据如表1所示。对该回路的电压互感器、避雷器、电抗器和放电线圈等设备进行试验，未发现异常问题。

表1　10 kV 2号电容器甲组故障电容器电容值

3　故障分析

通过查阅该变电站调度设备运行数据记录发现：该站在下午13时55分，商3沈巷线A、B、C三相前加速动作，开关跳闸，重合闸成功。15时25分，商3沈巷线A、B、C三相前加速又一次动作，开关跳闸，重合闸成功。同时，10 kV 2号电容器甲组横差保护动作，熔断器群爆，电容器群损。因此可以分析故障原因如下：线路外部故障造成电容器过压，有缺陷的电容器不能承受过压，造成电容器某一串联段被击穿后，其余串联段电容连续击穿短路引起电容器外熔断器动作；熔断器的尾线被弹出后与柜门和外壳接触形成对地短路；熔断器尾线与外壳和柜门接触也并非牢固接触放电，使其它各相电容器的瞬间承受较高电压，大量熔断器被熔断，电容器被击穿。选取两台电容值正常(B1、C2)和两台电容值异常(A6、B4)的电容器进行诊断性试验[9]，试验结果如表2所示。

4　电容器解体分析

故障电容器采用不锈钢外壳，箱盖一体式瓷套，凸极式元件，无内熔丝，内置放电电阻。为了进一步对故障进行分析，选取两台发生贯穿性击穿的电容器(A6、B4)进行解体分析。

(1)电容器芯子外绝缘

电容器芯子外绝缘采用21层电缆纸和绝缘油绝缘。连接导线外包封为4层0.1 mm电缆纸，一端连接导线跨过芯子其余三个串联段的端面，导线与端面间加一层0.5 mm绝缘纸板，如图2所示。此结构导线外包封绝缘强度差，走线复杂，两个引出线存在交叉，容易造成连接导线和不同电位串联段的击穿，以及不同电位的连接导线间击穿。对电容器A6芯子外绝缘检查结果为：外包绝缘完整，内部绝缘油清澈，芯子外部不存在损坏痕迹，保留芯子，未进一步拆分。对电容器B4芯子外绝缘检查结果为，外包绝缘完好，内部绝缘油发黑，芯子外部可见明显的四个击穿点，两个击穿点较小，两个击穿点已严重碳化(见图3)。

图2　电容器A6芯子外绝缘

图3　电容器B4芯子外观图

(2)电容器放电电阻

电容器放电电阻置于芯子两个端子之间，如图4，图5所示。电容器元件散热主要沿端面铝箔，把放电电阻设置于芯子端面铝箔上严重阻碍元件散热。同时放电电阻发热量大，进一步加剧了元件的过热，加速电容器老化速度。

图4　电容器B4放电电阻放置位置

图5　电容器B4放电电阻

(3)芯子与元件

芯子采用4并4串结构(先并联后串联)，芯子尺寸为362 mm×95 mm×300 mm，如图6所示。测量芯子电容量为10.87 μF，4个串联段电容值分别为：无、32.7、32.5、32.6μF。可见芯子的第一个串联段发生击穿，其它串联段完好。每个串联段的4个元件采用2层膜结构，通过解体分析发现元件端面皱褶多，电场分布不均匀。元件内包圈薄弱(仅为90mm)，不同电位的两个极板间很容易发生击穿。第一个串联段的4个元件电容值分别为：7.90、无、8.02、8.09μF，击穿元件如图6，图7所示。

图6　电容器B4的击穿元件

图7　电容器B4的元件内包圈

因此，可以推断电容器B4故障发展过程如下：第1个串联段的第2个元件的故障点外表面皱褶多，绝缘相对薄弱，元件在长期运行电压作用下，绝缘进一步变差。合闸瞬间，在冲击电压作用下下元件被击穿。

5　防范措施

并联电容器群损是一种严重故障，它的发生严重影响电力系统的供电可靠性。针对该型号电容器组的故障可以采取以下措施：

(1)针对电容器的芯子外绝缘强度差、走线复杂和引出线存在交叉问题，可以改进走线设计、降低电容器的工作场强，提高运行可靠性。

(2)针对放电电阻设计与放置不合理问题，更改电容器放电电阻的设计，采用每个串联段单独放置放电电阻，将放电电阻的发热分散，以改善电容器的绝缘性能。

(3)针对电容器元件内包圈皱褶问题，生产过程中应严格控制电容器卷制工艺，减少元件的皱褶，提高极间击穿场强。

(4)加强产品入网检查、设备日常巡视、例行性试验和在线监测，对于设备运行过程中的异常问题及早发现，防止故障进一步恶化。

(5)对发生故障电容器组进行整改更换，进一步完善防止电容器熔断器群爆措施，自故障发生至今，该电容器组运行平稳。同时加强对其他变电站的该类型电容器跟踪巡视。

[1]张利生.高压并联电容器运行及维护技术[M].北京：中国电力出版社,2006.

[2]王合贞.高压并联电容器无功补偿实用技术[M].北京：中国电力出版社,2006.

[3]周永宝,沈伟,汪军,等.无功补偿用BAM型与BEF型高压并联电容器分析[J].华东电力,2011,39(10):53-54.

ZHOU Yong-bao, SHEN Wei, WANG Jun, et al. Analysis and comparison of the reactive compensation BAM-type and BFF-Type HV shunt capacitors[J]. East China Electric Power, 2011，39 (10)：53-54．

[4]DL/T 840-2003，高压并联电容器使用技术条件[S].行业标准—电力(CSIC—DL),2003.

[5]董俊虎,付炜平,尹子会.一起35kV电容器组故障原因分析[J].电力电容器与无功补偿，2013,34(3):59-66.

DONG Jun-hu, FU Wei-ping, YIN Zi-hui. Fault analysis on 35 kV capacitor bank[J]. Power Capacitor $ Reactive Power Compensation,2013,34(3):59-66.

[6]刘勋,王丽君,马俊民,等.电容器组不平衡保护动作原因分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(17):122-124.

LIU Xun, WANG Li-jun, MA Jun-min, et al. Analysis of the unbalanced protection on capacitor bank[J]. Relay,2009,37(17):122-124.

[7]杨程.10 kV并联电容器组内部元件击穿的过电压仿真研究[J].电力科学与工程，2011,27(12):32-35.

YANG Cheng. Simulation and research on over-voltage by components breakdown of 10 kV shunt capacitor[J]. Power Science and Engineering,2011,27(12):32-35.

[8]吴媛媛.一起电力电容器频繁故障跳闸的原因分析与探讨[J].广西电业,2012,145：77-79.

[9]吴钧,董华亭.电气试验[M].北京：中国电力出版社,2008.

(本文编辑：严加)

Fault Analysis and Preventive Measures on 10 kV Shunt Capacitor

XU You-gang，HUANG Yi，SHEN Feng, XU Ping, LU Minan

(Qingpu Power Supply Company, Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 201700，China)

This paper introduces the differential protection action of the 10 kV shut capacitor in a 35 kV substation. The comprehensive analysis is made from such aspects as site inspection, diagnostic testing and the capacitor′s disassembly etc. The reason of the fault is found to be the weak insulation between core and wire, the unreasonable setting of the discharge resistor and the folds of the components′ skin in the damaged capacitor. The improvement measures are proposed to prevent the similar problems. It′s also valuable to the shut capacitor′s design, manufacture and operation in the future.

differential protection action; discharge resistor; folds; improvement measure

10.11973/dlyny201604027

徐友刚(1985)，男，工程师，从事变电修试工作。

TM531.4

A

2095-1256(2016)04-0521-04

2016-04-18