500kV断路器均压电容器故障分析

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目前，500kV断路器均压电容器在电网内的应用越来越普遍。作为我国电网系统最为重要的电力设备之一，断路器均压电容器对于改善断口间电压的分布具有明显的作用，其降低断路器分合闸弧隙恢复电压陡度以及满足大容量断路器的分合闸灭弧要求的能力是维持变电站安全运行的必要条件[1]。由于国内500kV断路器均压电容器出现故障的事件具有常规性，国内供电公司虽然具有许多十分详细的典型事故资料，但是国内对于断路器均压电容器故障的分析是十分欠缺的，并没有对事故发生的原因进行深入的研究和制定相应的防范措施，从而导致由断路器均压电容器故障所引发的相关电力事故屡见不鲜，这对我国的电力系统的安全性构成了严重的威胁。

1 断路器均压电容器工作原理

断路器均压电容器又被简称为均压电容器，是为了使串联的双断口的电压在高电压等级上得到平衡的分配，高压断路器并联了均压电容器，从而使各个断口间的电压在分断过程中和断开时得以均匀的分布。同时，断路均压电容器可以对断路器的灭弧特性进行良好的改善，使得断路器的分断能力大大提高[2]。均压电容器的主要工作原理比较类似于充电电容。当开关处于分闸的状态下时，串联的断口之间相当于多个电容器串联在一起，因为电压降的存在导致串联断口之间产生电位差，从而使得断口间的电压分布不均匀。为了消除断口间的电压降，在串联的断口再并联一个较大的电容，从而起到对多个串联的电容充电的作用，使得串联断口的电压进行平衡再分配[3]。另外，均压电容器可以对开关在开断过程中断口间恢复电压的幅值进行有效的限制，其主要作用原理是利用的容性元件电压不可跃变的原理，可以大大降低开关开断故障电流时的负荷。

2 断路器均压电容器研究现状

由于断路器均压电容器在电力系统中具有不可替代的作用，均压电容器频发故障会对整个电网系统的稳定运行造成严重的影响。因此，就断路器均压电容器的各种故障，国内外的研究人员均进行了深入分析。针对均压电容器上的开关发生跳闸的问题，BredenkampGL等对串联过压电压开关的瞬态电压进行了深入研究，发现在发生开关过压情况时，会产生过高的电流瞬间通过开关的现象，过高电流呈梯级出现，且出现的频率较高，从而解释了均压电容器上的开关频繁出现跳闸的原因。HuangD等利用仿真技术对动态恢复电压的瞬间过程进行了模拟，确定了均压电容器开闭闸的条件[4]。通过有限元法和电源频率进行计算的方法，发现了断路器均压电容器在运行过程中，动静态电压分布的特性。方宇在电力调度平衡调控策略制定上开发出的输出均压电容电压控制系统以及提出的三相电流平衡法，有效解决了运行参数延迟所引起的电路和开关启动故障，确保了供电站输配电的稳定性，提高了电网的安全性能。

2.1 事故案例的分析

对于断路器均压电容器时常发生故障这一现象，本文以某换流站均压电容器出现击穿的事故为例，详细阐述了整个故障分析过程，并结合事故原因提出了处理意见，期望能够为处理断路器均压电容器故障方面提供案例参考。

2.2 事故发生的概况

电站的均压电容器的装配工艺采用的是硅橡胶伞裙粘接方法，所有均压电容器均是在第一次故障发生后更换的新的断路器。但是，采用更换后的电容器进行试运行时，均压电容器仍然发生放电击穿故障。故障发生时的直流控制系统正处于升级过程中，多个交流滤波器处于母线检修状态和热备用状态。均压电容器在出现击穿故障前，电站正在升级乙线极一极控系统程序。在断开500kV583断路器时，现场有异常的响声出现，此时的583交流滤波器的故障录波图上有一个尖峰电流（4.535kA）出现，断路器断口间的电压的峰值达到了876.8kV。

3 断路器均压电容器的故障检查

3.1 事故现场的勘察

故障发生时，通过对583交流滤波器间隔一次设备的外观检查发现，被击穿的均压电容器位于583断路器B向母线侧，伞裙之间存在放电的痕迹，同时有油状液体的渗出。均压电容器在被击穿时，由于B套系统发生异常，导致A套系统在切换为试验状态时，B套系统无法自动切换至值班状态。所以故障发生时，两套极控系统均未处于值班状态。

3.2 均压电容器解体检查

为了查明导致均压电容器出现击穿故障的真实原因，在故障发生后，对出现击穿现象的均压电容器进行了返厂解体检查。检查结果发现，第34片与第35片伞裙之间确实有油状液体渗出，并且在榫接处出现了一个小凹痕，这与站内现场检查结果一致。通过对电容器进行电气性能试验，发现电容器的介损和电容量、工频耐压以及耐压后的介损和电容量均合格，详细检测结果见表1。对故障均压电容器进行进一步的解体检查后，发现放电的凹痕处的硅橡胶存在明显的放电空洞，绝缘筒上可以观察到明显的电弧烧蚀变黑的痕迹，有少量电容器油从绝缘筒中渗出；将故障均压电容器里的油全部放出后，抽芯检查的结果表明，放电位置电容芯子处的包封纸上有明显的碳化现象，其他地方未发现放电痕迹。电容单元电容容量的测量未发现异常，均符合电容控制值的要求。

表1 故障断路器均压电容器性能试验结果

3.3 断路器均压电容器的故障分析

通过对现场情况的勘察以及均压电容器的解体检查，均压电容器内部的绝缘筒之所以被击穿，是因为断路器分合闸的操作过电压，导致高压强电场通过电容器油，瞬间释放出的巨大能量使得放电通道内的电容器油迅速气化膨胀，从而致使均压电容器内较薄弱处无法承受高强度的气压而被击穿，于是较高的能量从放电孔洞处释放出来，使得周围零部件受到严重的损伤，这也就是所谓的液电效应。绝缘筒因受到高能力的冲击而被击穿，导致电容器油出现喷油现象，这也是为什么故障均压电容器伞裙处出现油状液体渗出的原因[5]。均压电容器的绝缘筒主要有玻璃纤维和环氧树脂所组成，并混有金属杂质，当出现断路器分合闸的操作过电压时，电气击穿后极易引发放电位置电容芯子处的包封纸出现碳化现象。

4 断路器均压电容器的改进措施

4.1 加强运行巡视和试验检查

对所有的断路器均压电容器进行电晕扫描，利用紫外成像仪及时发现均压电容器所存在的缺陷。对经过电晕扫描未发现缺陷的但存在家族问题的均压电容器，要加强运行巡视，尽可能减少事故发生的隐患。

4.2 及时更换均压电容器

通过采用相应的停电措施，将复合绝缘子均压电容器全部替换为技术更为成熟先进的瓷瓶式均压电容器，彻底解决断路器均压电容器出现击穿故障的问题。

5 结语

断路器均压电容器在电网系统中所起到的作用已经无需赘述，切实维护好断路器均压电容器是保证电力系统正常运行的前提。本文以电站均压电容器出现击穿现象为例，详细阐述了断路器均压电容器故障的分析方法，以期为相关从业人员提供可以借鉴的故障检修方式。