串补电容器故障原因分析与运检管理策略研究

石琳 米丰

（国网冀北电力有限公司超高压分公司 山西省大同市 037000）

串联电容补偿装置（简称串补，含串补的线路简称为串补线路）是将具有一定拓扑结构的电容器组应用于交流长距离输电系统中，应用电容器组的容抗来补偿抵消输电线路自身的感抗，从而提高系统潮流的输送能力，有效缩短线路的等值电气距离，增加线路的稳定裕度，改善联网负荷分配。

电容器组是串补装置的基本元件也是核心元件，它由多台电容器单元以一定的串并联拓扑结构组成，通过对串补的运行调度可以改变线路的等值阻抗，从而提高系统潮流的输送能力。但串补装置电容器本身为储能元件，串补的投入与退出会造成电容器组的频繁充放电，并且充放电的能量也会给临近电容器带来很大的电动力冲击，造成内部电容元件的损坏甚至击穿，因此本文从串补电容器的结构组成和不平衡保护原理入手分析串补电容器的运行特性和故障产生的机理，提出运维检修阶段串补电容器的管理措施。

1 串补电容器的结构组成

固定串补装置的组成结构中包括电容器组（C），金属氧化物避雷器（MOV）、火花间隙（G）、旁路断路器（S）、阻尼回路（D）等。其中，电容器组是串补装置的核心，它由电容器单元(Capacitor Unit，简称CU)通过一定的串并联连接方式组成；每个电容器单元由心子和箱体组成，内部浸渍绝缘油，心子作为电容器单元的核心，由若干电容元件(Capacitor Element，简称CE)以一定的串并联拓扑组成，且每一个电容元件上串联一个熔丝，称之为內熔丝结构，当电容元件故障后该熔丝熔断。在接线方式上，电容器组低压端接平台低压母线，电容器组高压端接平台高压母线，电容器组中部框架上引出测量端接不平衡电流互感器（Unbalanced Current Transformer）。其余，金属氧化物避雷器（MOV）、火花间隙（G）和阻尼回路（D）为串补装置的保护。本文以某500kV 串补装置为例，其电容器组的结构组成和电容元件的结构分别如图1 和图2 所示。

图1： 串补装置平台单相电容器组的结构示意图

根据图2 可知，在电容器单元中，当某一电容元件发生故障时，该元件上串联的熔丝熔断，电流不流经该电容，致使其他支路的电容元件上的电流增大，电压升高，为了有效防止其他电容元件上出现过电压的情况，通常在电容器单元中采用较多的并联支路，同理，在电容器组结构中也采用多级并联的结构。本文中的电容器的参数选取如下：串补平台每相电容器组呈“H”桥形接线方式，4 支桥臂由240 个CU 以12 串20 并的接线方式构成，桥臂处安装有UCT，每个CU 的型号为CAM5.4-648-1W，由54 个CE 通过3 串18 并的接线方式构成、总重量为108kg；每个CE 的重要参数为：20℃时额定容量12.01kvar，额定电压1.8kV，额定电流6.67A，额定电容量11.79μF，额定容抗为270Ω；每个CU 的重要参数为：20℃时额定容量为648kvar，额定电压为5.4kV，额定电流为120A，额定电容量为70.74μF，额定容抗为45Ω，且平台每相电容器组重要参数为：20℃时额定容量为466.56Mvar，额定相电压为64.85kV，额定电流为2400A，额定电容量为117.9μF，额定容抗为27.02Ω。

图2： 电容器单元的结构示意图

2 串补电容器不平衡保护配置

2.1 电容器不平衡保护简介

对于具有内熔丝结构的电容器，每个电容元件上串联熔丝，当电容元件故障时熔丝熔断，电流从其他并联支路流过；此时电容器单元等值电容减小，这种减小，会对其他非故障电容元件造成不利影响，即流过其他并联单元的电流增加，电压升高；因此在结构设计上，通常采用较多并联支路且在电容器组的接线方式上也采用逐级并联方式，但当损坏元件数量进一步增多时，可能会使更多电容元件发生击穿从而造成系统旁路。因此必须针对电容器单元或元件内部损坏故障而设置电容器不平衡保护。

2.2 电容器不平衡保护原理

当电容器采用H 型接线时，若电容器组中出现个别电容器元件或单元损坏时，会导致各个桥臂支路流过的电流存在差异，即存在不平衡电流流过，因此，电容器不平衡保护通过测量电容器组电流和各个桥臂支路中的不平衡电流来对电容器组的工作状态进行监测。

电容器不平衡保护分为3 段：分别为告警、低值保护和高值保护。其中，电容器不平衡告警保护和低值保护采用不平衡度比率差动作为保护动作的判定条件，且定义保护启动的最小电容电流值（线路电流值），这是因为在工程实际中，电容元件参数的不同与系统测量的误差等都会使得电容器组存在固有的不平衡电流，且该电流会随着线路电流的增大呈现非线性增大，因此通过比率差动法可以保证轻微故障时较高的动作灵敏度，同时当系统负荷较小（线路负荷较低）时，串补装置依调度令转为热备用或冷备用状态，此时，系统存在较小的线路电流（通常为200A），为了防止保护在系统电流较小时出现误动的情况，且为了防止微机保护装置中出现“0/0”的情况一般需要设定保护启动的最小线路电流。电容器不平衡高值保护只采用不平衡电流作为保护动作的判定条件，此时与线路电流大小无关，这是为了保证在严重故障的情况下保护动作的速动性，同时避免当故障电流较大而不平衡度比率较低时保护不动的情况发生。电容器不平衡三段保护的保护定值分别如下：

电容器不平衡告警保护的定值整定为不平衡度＞291（μA/A）或0.29‰且线路电流＞250A 时，保护动作，经2000ms 延时后上报信息；电容器不平衡低值保护分为“保护启动”和“保护旁路”前后两个行为。当低值保护动作条件持续时间大于低值保护启动延时定值时，低值保护进入启动状态，但不旁路串补，之后当保护旁路延时定值到时，控制保护装置才发出旁路串补命令，并启动暂时闭锁。实际中，电容器不平衡低值保护的启动延时定值和旁路延时定值相差30 分钟，运行人员可以在这段时间内（串补尚未退出期间）完成对本线路上重要负荷的转移操作。电容器不平衡低值保护的定值整定为不平衡度＞500（μA/A）或0.5‰且线路电流＞250A 时，低值保护动作；电容器不平衡高值保护是当电容器不平衡电流＞1.6A 时，经高值保护延时100ms 后，电容器不平衡高值保护动作，三相旁路且永久闭锁。

3 电容器过负荷保护配置

串联补偿电容器组在运行过程中应能够承受住系统故障时的短时过负荷电流，电容器组过负荷保护是通过检测线路电流的大小来判断电容器的运行情况，并针对系统出现的不同程度过负荷情况设置并整定相应的动作时限，当线路过电流达到额定电流的110%时系统运行时间为8 小时、当135%额定电流时系统运行时间为30min、当150%额定电流时系统运行时间为10min，当线路过电流大于额定电流的110%时且运行超过相应整定时间后，过负荷保护延时10s后动作于告警，并上报故障信息。15min 后暂时闭锁串补装置，60min 内允许重投3 次，避免线路暂时过电压对电容器内部造成击穿，第4 次保护动作，串补装置永久闭锁。

4 串补电容器运行特性

在串补电容器组的日常例行检修试验过程中，检修人员例行对电容器组的电容量进行测试，通过电容量的大小来判断电容器内部是否运行正常。当单支电容器的电容量发生变化时，可能是电容器单元内部的电容元件被击穿、或是电容器内部熔丝动作数量过多造成的，进而可能会引起串补装置电容器组电容量的变化，变化显著时会引起不平衡电流保护动作，从而旁路断路器动作，串补装置被旁路，为了清楚地掌握电容器的运行特性，需要对电容器电容量的变化情况进行分析。

4.1 电容器电容量变化分析

根据图2 电容器单元的结构图，假设电容元件CE的电容量为C，电容器单元的结构为m 个串n 个并的接线方式时，则电容器单元的标称电容C为：

4.2 电容器组不平衡电流分析

根据图3 中所标注电压、电流方向和基尔霍夫电流定律可知：电容器组的不平衡电流I为：

图3： 电容器组电压、电流示意图

图4： 电容单元电容量的相对变化

根据第1 节中电容器组成结构及参数，结合公式（2）、公式（3）、公式（11）和公式（12）可以得到，当CE 损坏时，CU 电容量的变化与CU 所在电容器组对应臂的电容量变化如表1 所示，不平衡电流和不平衡度的变化如表2 所示。

表1： 电容器电容量变化分析

表2： 电容器组不平衡电流变化分析

根据表1 可知，当有CE 损坏时，CU 的电容量减小，对应臂电容量减小；结合图3 可知，CE 损坏个数越多，CU电容量减小的相对百分比增大，且呈非线性变化；由表2 可知，当CE 损坏个数为3 时，此时不平衡度为0.26‰，接近于不平衡告警保护的动作定值。考虑到在工程实际中，CE标称值不同与系统测量误差等都会使得电容器组存在固有的不平衡电流，因此，不平衡电流与不平衡度需要根据实际情况进行整定。根据规定，按照不平衡电流固有计算值不超过告警值的30%进行修订，得到修订后的不平衡电流和不平衡度如表2 所示。可知当CE 损坏个数为2 时，不平衡度即为0.26‰，此时CU 电容量减少2.83μF，变化率为4%，该CU 所在电容器组对应臂的电容量减少0.08μF ，变化率为0.68‰。

5 串补电容典型缺陷和故障分析

在正常运行状态下，使用寿命为30 年的电容器自然损坏率是很低的，一般不超过0.1%。如果按照这个损坏率来计算，某运行5760 只电容器的500kV 站10 年更换的电容器数量不超过2 只，但根据运维经验，近10 年结合停电检修，更换的故障电容器数量近50 只。因此电容器的损坏率是相当高的，结合运维检修经验，电容器主要缺陷如下：

5.1 发热缺陷

据统计，近10 年某500kV 站内电容器发热缺陷占站内设备发热缺陷的30%左右，且串补电容器的发热点通常位于电容器套管瓷柱与铜排的连接处。结合停电检修发现造成该处发热的原因多数因为电容器套管瓷柱与铜排的连接线夹安装方式不正确，导致瓷柱与铜排之间存在间隙或由于该连接处紧固螺母发生松动导致接触电阻变大引起发热；除此之外，电容器套管瓷柱与铜排的连接线夹常年裸露在室外空气中易发生电化腐蚀，会使线夹表面有脏污、氧化层变厚，最终也会导致接触电阻变大发热。

5.2 渗漏油缺陷

在串补装置运维检修阶段，渗漏油缺陷是串补电容器发生率很高的缺陷，若不考虑线路故障的影响，电容器出现渗漏油通常是因为电容器套管连接处发热严重，造成密封圈老化从而使密封性能降低导致的；除此之外，在电容器安装或者例行检修过程中，如果电容器套管瓷柱与铜排连接处紧固螺母的力矩过大，使得电容器套管的密封圈受力增大，造成密封圈破损，也容易引起电容器发生渗漏油。当电容器套管发生渗油时，该过程是缓慢变化的，一般不会引起电容器内部绝缘性能和场强分布，电容器的电容量也不会发生明显变化。但是当进一步严重而发生漏油时，极易造成电容器内部绝缘性能降低，进而使CE 发生击穿，根据第3 部分内容可知严重时引起电容器不平衡保护动作。

5.3 电容器鼓肚

当电容器内部CE 击穿损坏，击穿瞬时高电压会使绝缘油分解产生气体，当CE 击穿个数增加时会产生并积聚大量气体，使得电容器内部压力变大，从而使电容器发生外壳形变而鼓肚，严重时发生爆炸。

5.4 电容器极间短路

串补电容器套管两极如果在鸟害或异物的影响下极易造成电容器极间短路，极间短路极易短时间内引起电容器喷油、着火甚至爆炸。

6 串补电容器运维检修措施

（1）做好串补电容器套管瓷柱与铜排的连接处红外测温工作，并作好对比记录，发现温升异常，及时测温周期并申请退出串补。

（2）运用高倍镜，站内视频系统等加强绝缘平台以及平台下方巡视，一旦发现油渍且有刺鼻味道及时对串补电容器运行情况进行预判并申请退出串补。

（3）检修过程中注意串补电容器套管瓷柱与线夹连接处的紧固力应适中，不能过紧，防止损坏密封圈；也不可过松，造成接触电阻变大。

（4）串补装置例行检修过程中注意检查电容器套管瓷柱与铜排的连接线夹是否发生腐蚀、断裂，对故障线夹及时进行更换。

（5）串补装置运行过程中应特别关注电容器不平衡电流值，在串补装置例行检修试验过程中进行串联电容器单台电容器电容量的监测，当电容器电容量比上次实验值减少接近3μF，当电容量变化的相对误差接近3%，单臂电容量减少接近0.1μF 时，应尽早安排串补装置检修，避免电容器带故障运行而发展成扩大故障，并及时对故障电容器更换。

（6）持续做好串补装置鸟害隐患治理，加装驱鸟装置，并及时做好维护。

7 结束语

超高压输电线路串补装置电容器组采用H 型接线，当电容元件或单元损坏时，会导致桥臂支路流过不平衡电流，因此，不平衡保护是监测串补电容器组内部故障最重要的保护之一，一旦电容器内部元件故障，不平衡电流会对故障实时且灵敏地反映。电容单元电容量以及单臂电容量随电容元件损坏个数的增大而减小，不平衡度会增大，均呈现非线性变化。为确保串补装置正常运行，运行中要做好不平衡电流监测、记录和数值对比，关注该值发生突变情况；要做好串补电容器套管瓷柱与铜排的连接处红外测温，实现设备温度监测，防止因套管瓷柱与铜排的连接处发热导致绝缘胶垫过热老化引起后续的渗漏油等故障；做好串补装置的检修计划，停电期间对单台电容器的电容量进行监测，当电容器电容量比上次实验值减少接近3μF，电容量变化的相对误差接近3%，单臂电容量减少接近0.1μF 时，应及时对该台电容器进行更换，并做好电容量的配平，防止因电容元件击穿损坏而导致电容器着火爆炸等故障发生。