一起35 kV 并联电容器装置故障原因分析

廖斌，梁晨，陈松，冯春林，黄楚秋

（桂林电力电容器有限责任公司，广西 桂林 541004）

0 引言

在交流电力系统中大部分负荷呈感性，为提高负荷的功率因数，需要对无功功率进行补偿。并联电容器装置是变电站中最重要和应用最广泛的一种无功补偿装置，并联电容器装置故障会影响电力系统的安全性、经济性及电能质量。因此，确保并联电容器装置安全可靠稳定运行对提高电压质量和变电站经济运行有着重要意义[1－5]。

本文通过某220 kV 变电站发生的一起35 kV并联电容器装置故障，分析查找出相关原因，并提出了相应的措施和建议，为现场运维人员提供借鉴，对电容器的安全运行提供保障。

1 故障事件简介

1.1 故障过程描述

变电站主接线图见图1，该变电站共两台主变。每台主变的35 kV 母线侧分别配置3 组户外35 kV并联电容器装置，其中1 号～3 号并联电容器装置（TBB35-10008/417-ACW）并接于1 号主变35 kVⅠ段母线侧，4 号～6 号并联电容器装置（TBB35-10008/417-ACW）并接于2 号主变35 kVⅡ段母线侧。由于该站为一个扩建站，第1 期工程1 号～3 号并联电容器装置为A 厂家的产品，第2 期扩建工程4 号～6 号并联电容器装置为B 厂家的产品。

图1 变电站主接线图Fig.1 Primary wiring diagram of substation

2017 年5 月25 日，该站对扩建工程4 号～6 号3 组户外35 kV 并联电容器装置投入试运行（即该站扩建工程电容器装置试运行的第1 天）。在试投运6 号并联电容器装置拉闸的过程中发生故障。现场按4 号-6 号-5 号的顺序依次开始试投运3 组并联电容器装置。18：10 刚开始试投运4 号并联电容器装置的时候，由于差压保护动作，开关跳闸，装置退出投运（由于安装公司在连接4 号电容器装置A 相放电线圈二次绕组的连接线时，将引致距a1 端子约170 mm 处的连接线内部芯线断开（停电后查到），故试投运4 号并联电容器装置时，保护动作，投运未成功。）。18：20 试投运6 号并联电容器装置。18：23 试投运5 号并联电容器装置。18：50 对6 号并联电容器装置手动跳闸时，C、B 两相电容器单元发生爆炸，有5 台电容器套管炸断，保护动作。同时5 号并联电容器装置因6 号并联电容器装置发生爆炸手动跳闸，退出试运行。

1.2 并联电容器装置基本配置情况

4 号～6 号3 组并联电容器装置设备配置如下：

并联电容器装置型号：TBB35-10008/417-ACW，电容器组串并联数4 串2 并，保护方式为电压差动保护，电容器装置额定相电压22 kV，额定电流151.64 A。

并联电容器型号：BAM11/2-417-1W，内部元件串并联数16 并3 串，内熔丝，内放电电阻。

接地隔离开关型号：GW4-40.5DⅠW/1250A。

氧化锌避雷器型号：YH5WR-51/134，2 ms 方波电流600 A。

干式空心串联电抗器型号：CKCKL-35-167/35-5，电抗率5%，三相平装。

高压开关设备：额定电压40.5 kV，额定电流400 A。

户内高压真空断路器装置型号：VTK-40.5，额定电压40.5 kV，额定电流2 500 A。

2 故障情况调查

2.1 6号并联电容器装置故障现场情况的初步了解

现场电容器装置所有裸露母线及连接部位均加装了热缩护套（除电容器组母线金具处外）。观察电容器装置的一次接线及放电线圈的二次接线均未发现接线异常。

现场检查A、B、C 三相框架，均未发现有对周围放电闪络的痕迹。

进入6 号并联电容器装置围栏后检查发现，B、C 两相共有5 台电容器套管折断，其中B 相编号2电容器下套管折断且底部转角炸裂、编号7 电容器下套管折断且大面转角炸裂，见图2-4。

图2 B相编号2电容器下套管折断Fig.2 Breakage of the lower bushing of No.2 capacitor in phase B

图3 B相编号2电容器底部转角炸裂Fig.3 Crack at the bottom corner of No.2 capacitor in phase B

图4 B相编号7电容器下套管折断且大面转角炸裂Fig.4 Breakage and large crack at the bottom corner of bushing of No.2 capacitor in phase B

2.2 6号并联电容器装置现场检测情况

现场的电容器编号见表1。

表1 6号并联电容器装置现场电容器编号情况Table 1 Numbering of on-site shunt capacitor of No.6 shunt capacitor

本次故障中6 号并联电容器装置24 台电容器进行现场检测，检测结果见表2。

从表2 中可知：

表2 6号并联电容器装置电容器检测结果情况Table 2 Detection result of capacitor of No.6 shunt capacitor device

1）A 相电容器组的外观检测正常，电容值测试正常。

2）B、C 两相电容器组共有12 台电容器单元电容值出现异常，其中有8 台电容器单元的电容值为0，4 台电容器单元的电容值变小。

3）B、C 两相每一串均有电容器损坏。

4）电容器B 相呈开路状态。

现场没有进行电容器极对壳绝缘测试。

现场还对开关柜、电抗器、放电线圈、避雷器等主要配设备进行了初步的试验。除开关柜发现电容器侧B、C 相有放电痕迹外，没有发现其他试验数据异常。

2.3 4号和5号并联电容器装置检测情况

A、B、C 相电容器组的外观检测正常，电容值测试正常。

现场检查A、B、C 三相框架，均未发现有对地闪络的痕迹。

A、B、C 三相避雷器的计数器均显示值为0。

现场还对开关柜、串联电抗器、放电线圈、避雷器等主要配设备进行了初步的试验，没有发现其他试验数据异常。

2.4 不平衡电压整定值

现场4 号～6 号三组并联电容器装置“不平衡电压整定值”均设定为9 V、延时为0.5 s；厂家推荐的相电压差动保护整定值为2.6 V，延时0.2 s（初始值为0.6 V）。

2.5 开关柜上保护动作记录情况

现场检查到6 号开关柜上保护无动作记录。

2.6 电容器装置避雷器动作记录情况

4 号和5 号并联电容器装置A、B、C 三相避雷器的计数器均显示值为0。

6 号并联电容器装置A、B、C 三相避雷器的计数器均显示值为1。

3 故障原因分析

3.1 系统及电容器装置运行正常

3.1.1 4 号并联电容器装置运行工况

2017 年5 月25 日18：11：15.996，4 号电容器装置投入0.5 s 跳闸。

跳闸前Ua=20.8 kV、Ub=20.8 kV、Uc=20.8 kV，2 号主变35 kV 侧母线相电压（有效值）正常。

Ia=166.56 A、Ib=163.36 A、Ic=161.76 A，4 号电容器装置电流（有效值）正常。

4 号并联电容器装置带电期间，A 相不平衡保护持续有31 V（有效值）信号。

4 号并联电容器装置跳闸后，电流过零熄灭，没有复燃或重击穿，断路器开断性能正常；详见图5。

图5 4号并联电容器装置断路器正常开断情况波形图Fig.5 Normal interruption wave diagram of circuit breaker of No.4 of shunt capacitor

4 号并联电容器装置录波图表明，试运行时2 号主变35 kV 侧母线相电压（有效值）正常。

4 号并联电容器装置电流（有效值）录波图表明，试运行时2 号主变35 kV 侧母线背景谐波正常。

3.1.2 5 号并联电容器装置运行工况

2017 年5 月25 日18：25：25，5 号并联电容器装置手动投入运行。

2017 年5 月25 日18：49：38，5 号并联电容器装置手动跳闸。

3.1.3 6 号并联电容器装置运行工况

2017 年5 月25 日18：21：56，6 号并联电容器装置手动投入运行。

2017 年5 月25 日18：50，6 号并联电容器装置手动跳闸。

6 号并联电容器装置投入试运行约30 min，保护没有动作，说明6 号并联电容器装置在手动切除前，内部正常无故障。

3.2 整定值设置过大

按內熔丝电容器装置的差压保护整定值应为2.6 V，延时0.2 s（初始值为0.6 V），而现场的“不平衡电压整定值”设定为9 V，延时为0.5 s，显然整定值设置过大，保护存在拒动的可能[6－7]。

3.3 6号并联电容器装置断路器分闸后发生重击穿，出现操作冲击

2017 年5 月25 日18：49：58.731，断路器A、B相发生重击穿，分断的触头间重新出现大小相等、方向相反的电流[峰值约900-1100A（约4-5 倍电容器组额定电流（峰值）、频率约200 Hz]；35 kV 母线电压幅值开始出现大幅波动、波形畸变，相电压（瞬时值）最大达到43.28 kV，详见图6。

图6 6号并联电容器装置断路器A、B相发生重击穿情况波形图Fig.6 Re-strike waveform diagram in phase A and B of circuit breaker of No.6 shunt capacitor device

2017 年5 月25 日18：49：58.752，电容器装置手动跳闸位置为1 后20 ms，断路器C 相分断的触头间出现电流峰值约1 980 A（约9 倍电容器组额定电流（峰值）），C 相开始出现差压保护信号（可能C相电容器故障开始），详见图7。

图7 6号并联电容器装置断路器C相出现电流峰值情况波形图Fig.7 Waveform diagram of peak current in phase C of circuit breaker of No.6 shunt capacitor device

2017 年5 月25 日18：49：58.753，断路器C 相差压保护信号峰值约51.5 V，随后B 相开始出现差压保护信号（可能B 相电容器故障开始），详见图8。

图8 6号并联电容器装置断路器C相差压保护信号峰值情况波形图Fig.8 Waveform diagram of differential voltage protection signal in phase C of circuit breaker of No.6 shunt capacitor device

3.4 6号并联电容器装置故障符合相关标准对断路器重击穿操作过电压的描述

GB/T 311.2—2013《绝缘配合 第2 部分：使用导则》第4.3.4.3 条：投切无功负荷时，某些类型的中压断路器会产生多次瞬态电流分断，如不采取适当保护措施可产生高达6.0 p.u.的过电压。

GB/T 311.2—2013 第4.3.3.6 条：切断容性电流（切除空载线路、电缆或电容器组）时引起断路器的重击穿可产生特别危险的过电压，必须使用无重击穿的断路器。而且电容器组，特别是不接地电容器组投入时，对相间过电压的估算必须非常慎重。

GB 50227—2017《并联电容器装置设计规范》第5.3.1 条：用于并联电容器装置的断路器选型，应采用真空断路器或SF6断路器等适合于电容器组投切的设备。对于10 kV 及以下并联电容器装置，宜选用真空断路器或真空接触器；对于35 kV 及以上并联电容器装置，宜选用SF6断路器或负荷开关。所选用断路器/负荷开关技术性能除应符合断路器/负荷开关共用技术要求外，尚应满足下列特殊要求：

1）应具备频繁操作的性能。

2）合、分时触头弹跳不应大于限定值。

3）投切开关容性电流能力应满足现行国家标准《高压交流断路器》GB/T 1984 中C2 级断路器要求。

4）应能承受电容器组的关合涌流和工频短路电流，以及电容器高频涌流的联合作用[8-12]。

3.5 6号并联电容器装置在断路器跳闸发生重击穿后极短时间内出现电容器大面积损坏

6 号并联电容器装置手动跳闸发生重击穿后15 ms，电容器组C 相开始出现不平衡信号，此时C相电容器开始破坏。随后，B 相开始出现不平衡信号，B 相电容器开始破坏。直至三相故障电流消失，仅6～10 ms 时间，B、C 两相电容器组共有12 台电容器单元电容值出现异常，其中有8 台电容器单元的电容值为0，4 台电容器单元的电容值变小。

GB 50227—2017《并联电容器装置设计规范》条文说明指出：3～110 kV 为不接地系统，接于此系统中的电容器组的中性点均未接地。因此，电容器组投切断路器由于同期、弹跳、灭弧等性能的变化出现的重击穿，电容器组的电源侧（高压端）对地可能出现超过设备对地绝缘水平的过电压。如在电抗率K=0 时的理论最大值为5.87 倍相电压。而且，随K值增大，过电压呈上升趋势；在电源侧有接地故障时产生的单相重击穿过电压远高于无接地情况。当开断电容器组时断路器发生两相重击穿，则电容器极间过电压可达2.87 倍及以上，超过了电容器的相应绝缘水平。

传统的相对地避雷器不能保护电容器的极间绝缘。而且，由于多种因素影响，相对地避雷器在运行中多次发生事故。电容器的操作过电压保护与工程设计密切相关，针对性强，是迫切需要解决的一项应用课题[13-16]。因此，大专院校和科研单位，对使用避雷器抑制电容器组操作过电压进行了研究，力图找到既安全又可靠的避雷器接线方式，想突破传统方式的局限性，专家们有了一些共识，但仍有分歧。

4 结语

通过本次电容器装置故障的分析，提出以下建议和措施：

1）采用无重击穿断路器。必须使用无重击穿的断路器。真空断路器在出厂前应通过容性负荷30次连续投切无重击穿老炼检验，以降低断路器的重燃率。由于断路器产生的操作过电压导致6 号并联电容器装置爆炸，要求断路器生产厂家重新更换了一台合格的同型号技术参数指标的真空断路器，并提供投切电容器组的型式试验报告、电老炼试验报告及采取防止电容器组分闸重击穿的技术措施。

2）更换全部电容器单元。由于6 号并联电容器装置经历了本次故障，所有电容器单元可能承受了较大的、较复杂的过电压、过电流冲击，电容器的极对壳、极间绝缘可能受到严重的损伤，极有可能在今后的运行中出现早期损坏。本次故障恢复时已将6 号并联电容器装置的电容器单元全部更换成新的合格的同型号技术参数指标的并联电容器。

3）重新进行预防性试验。对4 号～6 号并联电容器装置的放电线圈、电抗器、避雷器重新进行预防性试验。

4）调整电容器装置保护整定值。电容器组差压保护整定值过高，对于内熔丝电容器组内部故障极限情况，保护将处于拒动状态。可以考虑在串联电抗器上加装过电压阻尼装置，抑制操作过电压的危害。