电力电容器组发热缺陷分析

罗文清 吴鹤雯 陈小鑫 蔡嗣焜

摘要：10kV并联电容器连接组件存在结构性缺陷，导致运行过程中发热频繁，严重威胁电力系统的安全稳定性。本文针对电容器母排接触面发热现象，结合现场状况与运行经验，分析发热故障原因，并针对性地提出了解决方案和日常检修及运行维护的一些建议，以提高电容器组运行可靠性。

关键词：电容器;发热;收缩电阻;膜层电阻

中图分类号：TM572   文献标志码：B

1     引言

电力电容器组作为变电站无功补偿、维持电压稳定的核心设备，其安全运行对提高系统稳定性起到重要作用。近年来，尤其南方高温高负荷地区，电容器组导电回路过热缺陷频发，导致电容器保护跳闸时有发生。本文分析电容器组发热机理，探讨常见发热故障原因，旨在降低电容器设备缺陷发生率，提高电网运行稳定性。

2     电容器的发热机理

使用户外测温仪实验发现：中性线的发热位置主要出现在铜排线和铝软线的连接点。而对于连接点的发热成因，主要在于连接点电阻值变大和连接点出现涡流。

导电回路电流型致热最关键的原因在于导体接触部位接触电阻的增大。由霍尔姆（Holm）接触电阻理论可知，在导体相互连接的接触面上存在接触电阻，接触电阻Rj可以分为两部分：Rj=Rc+Rb，其中Rc为收缩电阻;Rb为膜层电阻。

2.1  收缩电阻

接触电阻的形成是一个非常复杂的过程，导体A与导体B接触，如果接触面为理想平面，则通过导体内的接触面的电流线在界面处仍保持平行，不发生畸变现象，因此也不会产生新的接触电阻;如果两个导体为理想球面相接触，接触处为一个点圆，则电流先在接触处弯曲、收缩，最后集中于点圆内。显然，与理想平面接触相比较，球面接触时的电流线加长，电流通过的截面大大缩小，因此接触面的情况发生了变化，将产生新的附加电阻——收缩电阻，即为收缩电阻Rc。

实际上，任何接触表面都是由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成，呈现一定的表面几何特征。表面几何特征可采用形貌参数来描述，最常用的表面形貌参数是表面粗糙度，它取表面上某一个截面的外形轮廓曲线来表示。电流从各个相接触的小面积尖峰处通过，因此，接触面的总电阻等于各个接触点的电阻的并联值。其中接触点圆的半径由两导体表面接触时所产生的变形情况来确定，主要有3种状态：弹性变形、塑性变形及弹塑性变形。

2.2  膜层电阻

当两块母排接头处于大气环境中时，表面很快会产生一层金属氧化膜。如果氧化膜层足够厚时，则会造成触点之间的绝缘;如果氧化膜层较薄时，若对触点施以一定的电压，则触点之间有电流流过，氧化膜层呈现一定的电阻———膜层电阻Rb。若外界的压力一定，且无其他外界因素影响，Rb的阻值基本上恒定。根霍尔姆理论，流过这种非金属膜层的电流是通过隧道效应完成的，导体与导体接触处由于有接触电阻的存在，当电流通过它时必然产生焦耳热使接触点局部区域温度升高。温度升高又会促进表面膜的生长，使接触电阻增大，严重时接触点的温度可达到接触元件材料的软化点、熔化点，甚至沸腾点。在实际工程当中根据已有的接触电阻和接触力的关系来估算总的接触电阻。计算接触电阻Rj的经验公式：

式（1）中：Kj为与接触材料、表面状况等有关的系数，铜板与铜板接触时取0.08～0.14;F为接触压力，N;m为当为接触面时，取1。

3     电容器组发热故障分析

针对电容器发热现象，可以从接触部位影响收缩和膜层电阻的相关因素进行质量控制。降低接触电阻，减少设备的发热缺陷率。结合发热机制与现场工作经验，给出如下发热故障分析：

3.1  铜铝排直接连接，无过渡措施

当铜、铝导体直接连接时，这两种金属的接触面在潮湿空气中的二氧化碳和其他杂质的作用下极易形成电解液，产生电化学腐蚀，在铜和铝的表面形成氧化薄膜，增大了膜层电阻，而这些氧化膜导电性能非常低，容易造成连接点局部温度的升高，氧化强度在温升的作用下业得到提升。

3.2  铜铝热膨胀系数不同，接触面产生间隙

由于铜铝热膨胀系数不同，铜的热膨胀系数为17.7μm/m.℃，铝的热膨胀系数为23μm/m.℃，冷却后不能同时恢复原来的体积，经过多次运行和退出的冷热交替，长时间直接搭接运行会产生较大间隙，从而导致连接处松动，增大了连接处的接触电阻，引起局部发热。

3.3电容器间采用单孔穿孔上下相扣的连接方案

利用单孔穿孔上下相扣的铜质锁扣，实现单只电容器间的电气连接存在诸多缺点。包括：软铜线无法同凹槽結构的锁扣相结合;黄铜导热系数为108.9/（m.k），电阻率（20℃时）为0.071Ω？mm2/m，在大电流大容易发热;在天气和温度的影响下，软铜导线热胀冷缩明显，导致软铜线同压接锁扣间的连接紧密程度受限，增大了接触电阻。

3.3  电容器组的接线方式不恰当

变电站电容器组多采用通过软铜线将各分散式电容器并联至汇流铝牌的方式。该连接方式存在回流铝排电流大电流集中的特点，在一些接触电阻较大的地方容易发热。以三相整组容量为4200kVar的电容器组计算，如果每相设置有7至电容器，单相内的电容器全部并联，则每相汇合电流可达二百五十安培以上。随着电容器组容量的增大，其电流也随之增大，随着运行时间增长，接触面电阻的变化，发热缺陷随即产生。

3.4  接触面连接螺栓紧力不当

由于施工工艺问题，电容器组连接螺栓紧固力不足，紧固不均匀的问题也时常发生，同时，铝质母线和母排的弹性系数较小，在其强度不足的情况下受到强外力作用下，导致接触面隆起变形，直接减少接触面积，增大接触电阻。

3.5  母排搭接面不平整

计及成本因素，电容器现场多采用硬度系数较小的铝排。而在使用母排冲孔机冲孔时，铝排螺孔周围容易产生凹陷的现象，且难以打磨平整。运行时电流在表面凹凸处弯曲、收缩，减少了电流通过的截面积，进而增大了收缩电阻与发热几率。

3.6  铜铝连接处的导电膏涂抹不合理

膏本身不导电，但夹有金属微粒，与铜铝表面接触可破坏搭接面表面的氧化膜，当涂得很薄，或紧密挤压时，涂层很薄，借助“隧道效应”实现导电。当接触面导电膏涂抹不均或者过厚，直接破坏了“隧道效应”，反而使接触电阻大大增大，直接导致发热。

3.7  软铜线在安装过程中的松股、散股等其他因素。

4结束语

针对电力电容器常见的发热原因分析，我们给出电力电容器组验收、检修维护的建议，主要有如下几点：

（1）     加强可研初设管理，在设计阶段规范设计部件各项技术指标、电容器组的接线方式、导电连接部位连接方式等。

（2）     严格按照“五通”标准做好设备中间过程验收、投运前验收，避免由于施工質量导致后期设备发热等。杜绝出现接触面连接螺栓紧力不当，螺栓力矩不足等问题。

（3）     提高变电检修质量，选择高性能导电硅脂，正确使用导电硅脂、实施铜铝过渡措施，并严格按照“五通”标准自验收。对于已停电检修的电容器组，逐个检查各个连接部位螺栓紧固力。

（4）     加强对在运电容器组管理力度，尤其在高温大负荷下，更应提高运维人员巡视频率，做好数据跟踪记录，及时发现存在数据异常趋势的设备，做到高频巡视、及时报告、快速消缺，避免设备缺陷扩大。

参考文献：

[1]   李国欣，娄赵伟，李浩.一起电抗器发热问题的分析及对策[J].电测与仪表，2017，54（10）：99-102+107.

[2]   刘牛，李迎涛，马进.10kV并联电容器装置连接头发热原因分析[J].电工技术，2017（01）：73-74.

[3]   黄慕云，易兴涛.变电站并联电容器故障异常分析[J].机电信息，2016（36）：31-33.

[4]   闻春国.接触电阻：静态接触界面的特性[J].机电元件，2016，36（01）：7-20.

[5]   张保宁，丁斌.浅析电力电容器故障的红外诊断[J].电子世界，2015（20）：119-120.