自愈式電容器組爆炸演變過程分析及仿真研究

苑 舜 王新偉 蔡志遠 陳朝輝 岳振杰

（1.國家電力監管委員會東北監管局，沈陽 110006；2.沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽 110870）

目前，自愈式電力電容器組在電力系統無功補償調節中得到了廣泛的應用，但是在實際的運行中，經常發生電容器損壞情況，嚴重時還會出現電容器組爆炸現象，給電網的實際運行造成很大損失。

以撫順供電公司為例，該地區的29個變電所安裝了49組無功補償電容器組。近4年來，電容器組曾發生多次不明原因的電容器組跳閘事故；電容器運行期間也出現過由于電容器組內個別電容器的損壞而導致整個電容器組發生爆炸的惡性事故，無法保證地區電網的安全、穩定供電，給電網的運行造成了很大的損失。

對于單個電容器自愈失敗而導致的爆炸問題，國內外的學者做了很多研究，文獻[2-4]對決定自愈能量大小的影響因素進行了研究；文獻[5-6,8]從聚合物擊穿的角度進行了研究，文獻[9]中屠德民等人通過試驗驗證了陷阱密度作為聚合物電老化的特征參數。而對于整個電容器組絕緣破壞問題，尤其演變過程如何，目前還沒有相關的文獻給予詳細的解釋。

本文通過建立數學模型開展了對自愈式電容器組絕緣破壞演變過程的分析，并進行了仿真研究，實現了從單個電容器自愈到整個電容器組爆炸這一漸變過程的量化研究。

1 單個電容器自愈失敗而導致爆炸過程分析

電力系統中的電容器組，它的設計一般是在規定的適用條件和安全可靠的基礎上力求經濟，從而節約成本，所以，它的運行電壓、電流、溫度都應嚴格控制。GB3983.2-1989中[1]規定的電容器工頻穩態過電壓和相應的運行時間如表1所示。

表1 電容器工頻穩態過電壓和相應的運行時間

為了清晰的研究電容器發生絕緣破壞的量化過程，在此引入一個表征可以使得電容器自愈失敗而發生破壞爆炸的臨界電壓值Uph。當電網中的電容器組正常運行時，假設此時電容器組的臨界破壞值為Uph1，由于電容器的個體差異，每種自愈電容器自愈失敗而發生破壞爆炸的臨界電壓值Uph各不相同。電容器的國標中規定電容器可以在1.3UN下運行1min，所以我們可以近似認為完好的電容器開始接入電網運行時臨界破壞值為Uph1=βUN，其中β＞1.3。電容器組兩端存在較大的過電壓U1時，金屬化電容器的有機薄膜的電弱點處將會被較高的電壓擊穿，形成直徑為φ的孔洞。假設擊穿后的電壓U持續時間為t，孔洞直徑φ的大小取決于電弱點處的自愈能量。設電弱點處的能量為Q

其中，t1、t2分別為電弱點擊穿后流過自愈電流的開始時間和自愈電流降至零的時間。

1.1 從能量角度分析電容器絕緣破壞過程

自愈處吸收的能量Q0的大小，取決于燒去金屬層的體積V，呈現出線性關系[2]。其中

其中，e為金屬層的厚度，Sv為電極蒸發面積。

金屬化電容器發生自愈時，自愈點處清除金屬層的能量Q0可以表示為[3]

1.2 連續多次自愈后的電容器絕緣破壞過程

當電弱點處產生的能量Q0不是很大時，電弱點周圍薄膜的溫度的升高不足以超過介質的熔點，金屬化膜自愈成功，絕緣恢復。但是，根據每次自愈程度的不同，當電容器兩端有連續的過電壓出現時，就可以導致金屬化層出現新的自愈點，此時的自愈電壓一般低于或等于前一次自愈電壓[7]，可以理解為，當有新的自愈點出現時，較大的能量Q0更多的轉化為電弱點處的熱量q，加速介質薄膜的絕緣破壞，從而使得金屬化電容器的臨界破壞值Uph有所下降，根據這一特點，我們在此引入一個表征電容器耐壓下降程度的系數，稱為自恢復度ki，其中i=1,2,3˙˙˙。當每次出現較高的電壓U使得電容器自愈后，電容器由于自愈性能使得其臨界破壞值有所下降，這時，電容器的臨界破壞值 Uph(i+1)可以表示為

其中，i=1,2,3…。根據公式（4）可以得出

因此，電容器的臨界破壞值公式可以進一步的表示為

根據式（5）可以看出：電容器每一次出現過電壓而使得電容器成功自愈后，電容器的臨界破壞值都有所下降，下降程度的多少，取決于電容器兩端出現的過電壓幅度的大小。當電容器出現 i次的較高過電壓后，使得電容器的臨界破壞值下降明顯，當電容器的臨界破壞值小于等于電容器系統的運行電壓時，此時的電容器將會發生上一節所講述的較大的自愈能量更多的轉化為電弱點處得熱量 q，從而發生介質汽化燃燒而導致電容器爆炸的嚴重情況，此時自恢復度k的乘積可以表示為

此時的 Uph(i)可以近似的表示為電容器的系統運行電壓，即式（7）可以進一步的表示為

由于β＞1.3，所以式（8）可以表示為

1.3 自恢復度k的變化趨勢

對于自愈式電容器的自恢復度k的變化趨勢問題，可以從電容器自身材料的擊穿過程進行研究。目前金屬化電容器的電介質多數為高分子聚合物薄膜，Kao等人提出了關于聚合物擊穿的新理論——陷阱理論[8-9]。陷阱理論認為，固體電介質中存在的雜質和缺陷，使得電介質的性能很大程度地偏離它的本征性能。這些缺陷以局域能級表示時，可以稱為陷阱。從微觀上解釋，陷阱是正負電荷作用中心偏離產生的，聚合物大分子鏈在熱電子作用下會發生裂解，從而形成自由基和單體，使得分子中原子排列不對稱，陷阱密度增加，當陷阱密度達到某一臨界值時，介質就會發生擊穿[10]。

當金屬化電容器兩端的電壓越高時，介質內部的空間電荷密度就越大，從而造成局部電場發生畸變?；兊碾妶霾粌H會造成介質薄膜擊穿，而且會促使空間電荷入陷的幾率增大，導致聚合物的降解，這一過程的反復出現，對于介質薄膜絕緣性能的破壞是不可逆的，絕緣性能的下降越來越嚴重，電容器的也因此而表現出非線性的關系，從介質薄膜降解特性來看，自恢復度k并非一個固定值，而是隨著電容器臨界破壞值的下降而呈現出逐漸變小的趨勢，直至k的乘積小于極限值0.7692。

2 由單個電容器損壞到整個電容器組發生爆炸的演變過程及仿真分析

2.1 電容器組發生爆炸時能量的要求

為了考核電容器是否滿足國標中規定的性能和運行要求，電容器制造廠必須在新產品制出時進行型式試驗。對于電容器自愈性試驗，國標 JB/T 8958-1999規定[11]：試驗單元在承受n1.75U交流電壓，歷時 10s，這期間至少擊穿 5次，試驗前后測量電容，其值不應有明顯變化。但是在電容器的實際運行中，由于每次電容器上的過電壓情況各不相同，其擊穿的次數也各不相同。隨著使用時間的延長，擊穿自愈的次數越多，電容量下降也越多，通常以 5%的容量損耗作為電容器工作壽命終止的標志[12-13]，超過這一限值，就會導致電容器性能惡化，電容量迅速衰減，損耗迅速上升，其臨界破壞值下降越來越快，較大的自愈能量Q0更多的轉化為電弱點處得熱量 q，從而導致電容器爆炸等一系列事故的發生。

對于運行中的電容器組，當某一相電容器單元內部某個電容器發生貫穿性擊穿時，與其并聯的其它電容器就會通過一個低阻抗放電通道在較短的時間里（小于 0.2s）向故障電容器釋放能量，電容器的外熔斷器又往往不能開斷此放電電流，從而引發電容器殼體的爆炸，電容器爆裂之后，繼電保護才跟著動作，此時保護動作為時已晚。GB/T 11024-2001中規定：對于全膜電容器，將并聯容量限制在15kJ時，即使電容器發生故障，外殼爆裂的幾率通常是可以接受的。

根據這一規定，我們可以理解為當電弱點連續多次自愈時，單個電容器的性能下降，臨界破壞值下降明顯，發生破壞性擊穿的幾率變大，此時整個電容器組可能不會跳閘，仍然可以正常工作，但是此時電容器組內部各個元件的電壓分布則發生變化，能量也是一個累積的過程，當能量累積較大Equation Section (Next)時，超過15000W·S這一限值時，就會出現電容器組中的某個電容器的擊穿而導致整個電容器組的爆炸。

2.2 仿真實例研究

對于電容器組中的電容器，由于性能方面的差異，在長期的系統運行中可能會出現擊穿自愈現象，由于電容器組內部采用串并結合的方式，這就會因為個別電容器的自愈次數過多而導致擊穿損壞的情況，從而導致整個電容器組的損壞、爆炸。本文以電網中典型的成套電容器裝置 TBBK10-4800/133.3AK為例進行研究，詳細參數如表2所示。

其電容器組主接線如圖1所示。

表2 成套電容器裝置詳細參數

圖1 電容器組主接線圖

本文選取典型的 66kV變電所的電容器組進行研究，根據實際運行變電所參數建立仿真模型，運用 EMTP-ATP電磁暫態分析程序進行計算，采用Matlab進行數據處理，對個別電容器擊穿而導致的電容器組爆炸損壞的過程進行研究，電容器組接線部分的仿真模型如圖2所示。

圖2 電容器組接線部分的仿真模型

本文通過對一相電容器單元中的某個電容器擊穿進行仿真研究，當電容器單元內某個電容器幾次自愈后，某次較高的過電壓可能會導致它發生破壞性擊穿，此時對外呈現短路狀態，仿真模型中采用在電壓峰值處開關閉合接入小阻抗的方法進行模擬，從而監測流過該電容器的電壓、電流以及該單元中其它兩部分的電壓、電流情況。

在0.1s處1段開關閉合，A、B、C三相電流波形如圖3所示。

C相電壓變化情況如圖4所示。

由圖3可以看出，當C相的第1段電容器擊穿后，在0.1s時開關閉合后，由于單元內部的電容器分布不均勻，使得流過3相的電流增大，擊穿相電流增加幅度較大，峰值達到 453.75A，達到了額定電流的1.27倍，未到達國標中規定的電容器可以長期運行的1.3IN值。圖4所示，顯然第1段電容器發生擊穿前后，整個電容器組C相電壓相差不大，仍然可以正常運行，但是，與擊穿段相串聯的其它部分電容器的電壓分布發生了變化[14-15]，這點與文獻[15]的研究相吻合，3段電容器的電壓變化波形如圖5所示。

圖3 A、B、C三相電流波形

圖4 C相電壓變化波形

圖5 3段電容器的電壓變化波形

由圖5的波形數據可以看出，假設在0.1s處得電壓峰值處，第1段電容器發生貫穿性擊穿后，與擊穿段相串聯的第2段、第3段兩部分電容器的電壓突變，峰值達到了4.30kV，達到了正常運行時該串聯段電壓的 1.436倍，如此高的電壓則會誘發該段存在電弱點的電容器的自愈的發生、從而導致跳閘次數的增加，最后發生破壞性擊穿。

與此同時，當C相的第一段電容器擊穿后，整個C相電壓變化不大，擊穿后較擊穿前有變小的趨勢，如圖4所示，這就意味著電容器的保護不會動作，但是，流過擊穿電容器的能量是可以累積的，超過15000W·s這一限值時，就會出現電容器組中的某個電容器的擊穿而導致整個電容器組的爆炸。假設在0.1s處第1段電容器發生貫穿性擊穿后，電弱點處的能量累積計算通過公式（1）可以得到，運用Matlab進行數據處理后，得到能量的瞬時值（積分用Δt=0.001s ）和能量累計圖如圖6、圖7所示。

圖6 能量瞬時值

圖7 能量累積圖

從圖6的能量瞬時值可以看出，在0.1s電容器發生擊穿的瞬間，擊穿電容器在 1 ms內的瞬時能量Q＜ 6 00kW·s ，遠遠小于可能使得電容器組發生爆炸的15000W·s的限制，瞬時擊穿能量對于電容器的危害是微不足道的，但是，如果在擊穿瞬間，擊穿電容器單元不能迅速開斷與完好電容器分離，能量的累積對與電容器組來說是致命的危害，如圖7所示，在電容器擊穿后的0.0446s時，電容器上累積的能量就到達了15000W·s，從而導致電容器組的爆炸。

因此，當電容器組中的某個電容器發生擊穿時，電容器的保護可能不動作，但是，流過擊穿電容器的能量的累積對電容器組來說卻是致命的，及時有效的切除擊穿電容器對整個電容器組的安全運行至關重要。

3 結論

1）自愈式電容器自愈能量的大小是電容器絕緣破壞的決定因素，電容器兩端較大的電壓U會導致自愈點處的能量過大，導致自愈點處薄膜的溫度迅速升高，當溫度超過介質的熔點時，就會發生介質燃燒、甚至電容器爆炸的現象。

2）電容器的自愈性能雖然是它比傳統電容器性能優越的地方，但是，自愈失效引發絕緣破壞也要引起高度重視；電容器每次的自愈成功后，都使得電容器的臨界破壞值有所下降，下降幅度的多少取決于電容器在系統中的過電壓情況。

4）電容器組中某相中的個別電容器的擊穿損壞，會誘發與其串聯的存在電弱點的電容器發生自愈，從而導致跳閘次數的增加，最后發生破壞性擊穿。

5）當電容器組中的某個電容器發生擊穿時，電容器的保護可能不動作，但是，流過擊穿電容器的能量的累積對電容器組來說卻是致命的，及時有效的切除擊穿電容器對整個電容器組的安全運行至關重要。

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