高压并联电力电容器内部熔丝隔离试验方法优化研究

陈令英，许光可，商攀峰，李 星，李文磊

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司高密市供电公司，山东 高密 261500）

0 引言

并联电容器是电力系统中的重要设备。电容器一般并联在变电站母线上，可吸收系统的容性无功功率，提供感性无功功率，从而改变系统运行的功率因数。电力电容器组通过就地补偿或集中补偿的方式来减少线路无功功率的传输，调节线路的无功电流。电容器组的投入可以显著抬升线路的电压水平，减少电压及功率损耗，提高了线路的输电能力。电容器的故障也成为可能影响系统电压调节和经济运行的重要因素，而电容器故障常伴随着不可逆的损坏甚至电容器爆炸，往往给电网带来较大的损失。电容器故障的主要原因之一就是内部元件的击穿及其后续发展。内部元件故障的原因包括［1−5］：1）生产制造工艺不良，电容器内部元件有缺陷，引起元件击穿。2）电容器外壳与套管之间密封不良，一是安装运行过程中潮气或雨水可能会进入电容器内部，导致元件绝缘性能下降；二是引起漏油使油量减少，最终导致元件击穿。3）由于内部电晕、局部放电等原因，引起的细微的机械震荡、发热和电化学作用，加速了电容器内部的绝缘老化分解，造成内部元件击穿，甚至引起电容器爆炸。

作为避免电容器故障的措施之一，电容器内部元件往往会配置内部熔丝。电容器内部熔丝的作用是在电容器内部元件击穿时，将故障元件隔离开来，防止故障进一步扩大，从而有效延长电容器的使用寿命。目前，我国生产的绝大部分高压并联电容器，其内部的每个元件上都串联内部熔丝［6］，这种电容器在实际运行中，即使有个别元件发生击穿，与该元件串联的熔丝就会迅速动作，将击穿元件切除，而其他正常元件不受影响，整台电容器仍可继续运行。电容器在出厂试验和安装入网前，为了验证内部熔丝能否正常发挥作用，需要进行内熔丝隔离试验。目前，国内外普遍接受的电容器内熔丝隔离试验的元件破环方法有热击穿法、机械穿刺元件法、电击穿元件法等。

分析了内部熔丝隔离试验的电工原理及试验前后的电阻、电容等参数变化，对以上几种方法进行了比较，提出成套试验装置及方法，并进行了验证。解决了电容器内熔丝隔离试验安全性低的问题，为试验开展提供了自动化的解决方案。

1 试验原理

1.1 等值电路

内熔丝隔离试验的等值电路如图1所示。

图1 内熔丝动作时等值电路

当电容元件被破坏时，该电容元件储存的电能被释放为热能，电流通过元件熔丝的电阻Rr、被隔离元件的熔丝电阻RgL、击穿元件的电阻Rh，根据能量守恒定律和欧姆定律，能量转换过程为［7］

式中：Ug为本故障段电压；Us为击穿后剩余电压。

因为元件采取规格相同的熔丝，RgL与Rr的值大小相同。而流经RgL的电流IgL与流经Rr的电流ir不同，假设该组元件共有n个，则IgL=（n−1）·ir，由此可得，通过欧姆效应使两种熔丝导体的温升不同，熔丝阻值的变化量也会有很大不同。

1.2 熔丝电阻的变化过程

被隔离元件的内熔丝流经大电流时，经历固体加热到熔点、开始熔化、熔化结束、液体加热到汽化点、开始汽化的瞬态过程。这个过程，熔丝电阻率、比作用量、比热能与熔丝状态密切相关，相变时会发生大幅变化［4］，比如汽化时熔丝电阻率与室温下的熔丝电阻率之比为14.9，爆炸时熔丝电阻率与室温下的熔丝电阻率之比为350［7−8］。熔丝的电阻率与通过熔丝的电流密度之间的关系为

式中：ρi、ρmax分别为熔化后初始电阻率和汽化完成时电阻率；βi为加热效率；W为能量密度；g、gmax分别为熔丝比作用量和熔丝熔化完成瞬时比作用量；j为电流密度。

由式（2）可得，熔丝的实时电阻率随电流密度j的增大快速地增加。由于熔丝比作用量在固态、液态、汽化相变时骤然增加，熔丝在经历瞬间的相变过程时，电阻率和阻值也是骤然增加。

需要注意的是，在实际运行中，故障元件击穿时被注入的能量可能不仅如此。实际运行中，故障元件击穿时被注入的能量，除故障元件所处故障段中并联的完好元件的储能Q1外，还会包含所在故障电容器其他完好串联段的储能Q2，甚至与故障电容器相连的完好电容器也会叠加注入附加能量Q3。在极端条件下，比如断路器开断、切除故障电容器组时，会产生重燃过电压［9−11］，上述3 部分完好元件的过储能可能会向故障元件及隔离熔丝释放，这部分超常能量会使故障元件的熔丝加速熔断、汽化，同时与故障元件相邻的完好元件，在释放能量的过程中，其熔丝消耗的能量超过熔丝临界能量时也会被熔断，即发生熔丝群爆现象［12−14］，给电网带来更大损失。因此，为了避免这种情况，内熔丝需合理整定，确保整体电容量变化不超过单元件的电容量。

1.3 内熔丝熔断后电容的变化

电容器内部电气接线如图2 所示。设故障电容器单元内一个串联段的故障元件数为x，则故障段电容量为

图2 内部熔丝电容器接线

式中：CN为电容器的额定电容量；Cy为单个元件电容量；x为故障元件数，x=0，1，2，…，n−1；n为该段元件总数；m为电容器内部串联段数。可见故障段电容量随故障元件数线性减少。

故障电容器电容量为

可见，若x为1，考虑实际情况中m和n的大小，电容器电容量变化一般小于单个元件电容量。设在理想情况下，即所在运行系统为无穷大，故障后电容器组的中性点无偏移，故障电容器的端子间电压保持不变。

由于在交流电压下，电容器内串联段间的电压与电容成反比，所以当内熔丝隔离后，故障段的电容Cg减小，承受的电压会升高，而完好串联段的承受的电压会降低。

故障元件所在故障段的电压为

式中：UN为电容器额定电压，故障前后保持不变；Uy为单个元件的额定电压。

完好段的电压为

由式（5）、式（6）可得，随着故障元件内熔丝的熔断，故障元件所在的故障段电容量减小，且故障元件的数量的增加而线性减小；而故障段的电压Ug增大，完好段的电压Uh降低，电压的变化是非线性的。

2 试验方法比较

2.1 现行方法

由以上分析可知，熔丝动作时电压、电流的变化可由计算得知，在试验过程中需要对电压、电流的监测来证明熔丝确已断开。目前GB/T 11024.4—2019《标称电压1kV 以上交流电力系统用并联电容器第4 部分：内部熔丝》规定了内熔丝隔离试验需要在0.9UN的下限电压和2.2UN的上限电压上进行，并没有规定如何对元件进行准确的人为破坏。目前国内外普遍接受的电容器内熔丝隔离试验的元件破坏方法有以下几种［15−21］：

1）热击穿法。将电容器放在100～150 ℃的烘箱中预热，然后施加下限交流试验电压下获得第一次元件击穿。该种方法理论上是加速内部元件的热老化，试验时间不确定的程度高，可能会达到几个小时。而且高温会导致电容器内部液压大，容易导致液体渗出损坏电容器。本方法试验未知因素多，成功率低。

2）机械穿刺元件法。施加电压的同时，将钉子通过事先在外壳钻好的孔内打入元件，造成元件击穿。若施加的是交流电压，需控制在接近电压峰值的瞬间进行刺穿；这种方法可实现快速破坏，是最适合检验检测机构开展的方法［16−17］。但不能保证每次仅有一个元件被破坏，且安全性差，无法保证电容器不会爆炸且钉子不会爆炸性射出。

3）电击穿元件法，采取一些方式使目标元件更容易被击穿，比如将膜—纸—膜结构的元件割下10 cm2，用两层薄纸替代；或者在某个元件上加装一根易熔的金属丝，用附件插片插到介质层间等［21］。这种方法需要对电容器进行专业改造，且合理确定施加击穿电压，不适合除制造厂外的检验检测机构使用。

无论哪种方式，都尚未形成一套完整成熟、可直接推广的试验技术。国内外相关标准如IEC 60871−4和GB/T 11024.4，也未对该试验的试验方法作出统一规定。上述的几种试验方法，在以上标准附录中也被列为可接受的选项供试验人员自行选择。

据调研，国内电容器生产厂家和中国电科院等检测机构普遍采取机械穿刺法进行试验，但操作方式具有较大的危险性，操作实际中难度较大。采取直流电压法，同时对元件串联段进行机械穿刺，但在具体的操作过程中有较大的难度，且存在一定的危险性，具体表现为：试验前需要对电容器两极施加1.27倍或3.11倍的额定电压，通常达到几十千伏；在此同时，需要将钉子通过在外壳上预先打好的洞打进电容器内部元件内，造成元件破坏，触发内熔丝动作，将损坏元件隔离，不至于影响其他元件，此时操作人员有一定的触电或遭遇爆炸的风险。

2.2 当前机械穿刺法缺点分析

参照相关国家、行业标准，使用高压电桥测量电容器初始电容。将待试电容器外壳钻孔，人工接线后，使用高压直流电源对电容器施加规定的直流电压，使用工具（绝缘棍等）将钢钉敲打入孔内，此时对操作人员有较高风险，安全性差，不能保证电容器不会爆炸且钉子不会爆炸性射出。敲击的过程需要有经验的人员执行，防止触电。

断开直流电源，随后采用高压电桥进行电容量复测，最后使用试验变压器对电容器进行耐压试验，观察有无击穿闪络。整个试验过程需要多种设备，多次切换交直流电源，多次切换测量设备，操作复杂，危险程度高。此种情况下需要有某种装置可以取代人工进行试验，将整个过程自动化执行，并大大降低操作人员的人身安全风险。

3 成套装置与方法的优化与验证

3.1 方法优化

设计一种电力电容器内熔丝隔离试验自动化程度高的解决方案，包括高压直流电源、高压交流电源、自动切换线装置、机械穿刺模块与试验台、测量模块和控制模块，以及配套的试验控制软件。其中，高压直流电源可稳定提供0～150 kV的直流电压，高压交流电源可稳定提供0～100 kV的交流电压；自动切换线装置可实现对两种电压源的自动切换，通过远程控制，无须人工拆接线；机械穿刺模块与试验台利用气动装置实现远程控制穿刺；测量模块实现电压测量和电容测量；控制模块配合控制软件系统，实现整套装置的远程自动操作。通过远程控制，有效提升电力电容器内熔丝隔离试验的操作规范性、安全性，提升试验效率，为当前该试验的具体操作提供有价值的参考。

该方案硬件部分由控制模块、测量模块、高压交流电源、高压直流电源、切换线装置、机械穿刺模块与试验台组成，如图3 所示。其中，测量模块包括高压电桥和电压测量装置。测量结果在显示控制模块计算和显示，并通过显示控制模块远程控制高压电源及其切换线装置，高压电桥，机械穿刺模块与试验台。装置的控制与数据传输如图4所示。

图3 电容器内熔丝隔离试验整套装置组成

图4 试验装置控制与数据传输

3.2 方法实施与验证

表1 被试品主要技术参数

具体步骤为：

1）根据图纸确定击穿点，将预处理好的电容器放置在机械穿刺模块与试验台的绝缘板上，将钢钉放置并固定，对准外壳的其中一个孔，气泵投入工作为机械穿刺模块提供气源。将被试电容器与测量模块，高压电源及其切换线装置用高压线路连接，将内部各控制回路连接。接线完成后，控制终端控制高压电桥对电容器进行电容初测，系统自动获取测量结果。

2）控制终端控制高压直流电源和切换线装置，对被试电容器施加3.11倍额定电压（24.50 kV），电压测量装置显示电压稳定后，控制终端与机械穿刺模块利用气动钉枪将钢钉打入电容器内部，触发内熔丝动作。控制终端控制切换线装置断开高压直流电源，切入高压电桥，对电容量进行复测，自动记录复测值，并与初测值比较。控制终端控制切换线装置，断开高压电桥，切入高压直流电源，对被试品施加1.27倍额定电压（6.86 kV），重复此步骤。

3）控制终端控制切换线装置，断开高压电桥，切入高压交流电源，电压测量装置内置的电力电子模块切换至交流挡位。对熔丝断口施加2.15 倍额定电压10 s，无击穿和闪络。

试验数据如表2 所示。两次击穿后的电容变化量小于0.66 μF，证明内部熔丝正确动作，有效将击穿元件进行了隔离，非故障段电压明显降低。同时，本试验有效验证了本文提出的优化后的试验方法及装置。

表2 验证试验数据

4 结语

通过等值电路分析，随着隔离熔丝相继熔断，故障段电容量线性减小，故障段电压非线性增大，非故障段电压降低。通过对比分析，采取机械穿刺法对预处理的电容器进行破坏是一种简便的方式。提出了成套的基于机械穿刺法的试验装置及方法，集成各电压源、测量设备和动作设备，通过远程操作，有效降低试验操作的安全风险。利用提出的方法和装置，对电容器样品进行了内熔丝隔离试验，验证了理论推算，证明了装置可经一次接线即可完成试验，显著提升试验效率，并通过远程操作，有效降低了试验操作的安全风险。

当前的内熔丝隔离试验是通过直接破坏元件的方式，无法模拟实际运行中由热累积、局部放电等原因导致的元件故障，还不能全面验证上述情况下内熔丝的隔离作用。下一步，建立温度场仿真模型，研究内熔丝边界能量设定，探索多种物理场下内熔丝隔离作用的验证方法。