宜賓換流站電容器隱患分析與改進建議

禹 佳,孫 文,王 鑫

(國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

宜賓換流站電容器隱患分析與改進建議

禹 佳,孫 文,王 鑫

(國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

交流濾波器有濾除換流器產生的諧波和向換流器提供無功補償兩個任務，電容器作為濾波器組內最重要的無功設備，其運行情況直接關系著換流站的安全穩定運行。針對宜賓換流站電容器的實際情況，結合其他已投運換流站的運行經驗，對宜賓換流站電容器存在的問題進行了全面、系統的分析，對電容器的安全隱患提出了相應的改進措施，對新建換流站提出建議。

電容器；隱患；發熱；建議

0 引 言

換流站電容器的故障率較高，而電容器故障中由于電容器接頭和引線導致的事故又占有相當大的比重。因此需要總結換流站電容器接頭發熱故障治理經驗，探討解決辦法[1]。

宜賓換流站交流濾波器場電容器和噪聲濾波器電容器全部采用國產設備，電容器接頭及引線的設計、工藝方面仍然存在問題，這些問題如不及時解決，將可能導致交流濾波器跳閘，情況嚴重時可能導致系統降功率甚至引起直流停運，其影響不容忽視。為防止由于電容器接頭及引線等問題導致的跳閘事故的發生，結合宜賓換流站現場的實際情況，對電容器存在的安全隱患進行了分析研究[2]。

2 電容器安全隱患問題分析

2.1 電容器接頭隱患

2.1.1 導電夾板無內螺紋

電容器導電夾板的夾緊效果不好，是導致運行中電容器接頭過熱的主要原因。經初步分析，夾緊效果不好的原因為導電夾板無內螺紋，經改造采用帶有內螺紋的導電夾板后，發熱情況明顯減少，且目前運行情況良好。對電容器導電夾板進行改造后，下片夾板采用了帶有內螺紋的結構。

若下夾板采用螺紋結構，當緊固電容器接頭引線時，下夾板可以固定于電容器穿芯螺桿上，這樣上夾板的受力就可以完全作用于導線和下夾板上，使導線能夠被上、下兩夾板可靠地夾緊，且可減小電容器瓷套管的受力。而如果下夾板無內螺紋，則當緊固電容器引線時，下夾板會隨之壓在電容器瓷套管上，若緊固力矩過大，會損壞電容器穿心螺桿，此時，電容器引線的夾緊力大部分來自于上夾板的作用力，而為了不損壞電容器的穿心螺桿，電容器螺母的力矩不宜過大，因此不能保證電容器引線被可靠夾緊，長時間運行后，容易造成接頭引線松動，導致電容器接頭發熱。

2.1.2 電容器接頭無彈性墊片

宜賓換流站交流濾波器場電容器的上、下兩片導電夾板各配有一個彈性墊片，在熱脹冷縮時很容易造成電容器接頭松動而導致接點發熱。實踐證明，當接頭處的運行工作溫度超過80 ℃時，接頭金屬將因過熱而膨脹，使接觸表面位置錯開，形成微小空隙而氧化。當負荷電流減少溫度降低回到原來接觸位置時，由于接觸面氧化膜的覆蓋，不可能是原安裝時金屬間的直接接觸。每次溫度變化的循環所增加的接觸電阻，將會使下一次循環的熱量增加，所增加的較高溫度又使接頭的工作狀況進一步變壞，因而形成惡性循環。

電容器接頭下夾板的彈性墊片的另外一個作用，就是用于微調導電夾板的角度，使每個電容器夾板的接線孔能夠與地面平行，避免由于接線孔角度不同造成接頭引線彎曲。但由于安裝工藝較差，導致部分電容器下夾板的彈性墊片并未壓緊，容易造成接頭松動。

正常情況下，電容器接頭的電流方向為：電流自導線經過導電夾板下部，沿著端子螺紋向上，再經端子內部導線流向端子內部；而如果下夾板的彈性墊片未可靠壓緊，那么將導致下夾板與端子帽接觸不嚴密，其接觸電阻將變大，電流大部分會從端子螺紋直接向上經過端子內部導線流向端子內部。考慮到螺桿和螺母的制作工藝的限制，螺紋之間必然會存在一定的縫隙，下夾板與螺桿之間不能良好接觸，從而導致其接觸面積進一步減小，接觸電阻進一步增大，長時間運行后，將可能導致電容器接頭發熱。

2.1.3 引線接頭松動

交流濾波器場部分電容器的引線存在松動現象。通過分析，發現電容器接頭引線直徑相對導電夾板的夾線孔內徑較小，當上、下兩片導電夾板接觸后，夾板的夾線孔與引線之間仍存在縫隙，且現場晃動引線時有明顯的松動現象。而且當導線與夾板連接后，上、下夾板之間無縫隙，導致無法判斷引線是否已被可靠夾緊。由于電容器引線采用的是多股軟銅線，每股軟銅線之間必然存在縫隙，若導電夾板與引線不能可靠夾緊，那么在風霜雨雪、日照、日夜溫差以及自身磁場的共同作用下，則會加速各接觸面的氧化和結垢程度而導致接頭發熱。通過對比，發現電容器引線與夾板連接后，上、下夾板之間有一定縫隙，容易判斷引線是否已被可靠夾緊，且現場觀察發現電容器引線連接無松動現象，導線與夾板之間連接效果較好。

2.1.4 防鳥帽問題

宜賓換流站電容器接頭全部安裝了防鳥帽，通過分析和試驗，發現防鳥帽安裝后將存在較大的安全隱患。

電容器在日常維護過程中需要對其進行紅外測溫，而使用防鳥帽后將影響紅外測溫的效果。紅外測溫的原理是利用物體輻射出的紅外線來測量物體表面的溫度，紅外線的波長在0.76～100 μm之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外4類，紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。紅外測溫儀利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統接受被測目標表面的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，對被測物體的表面紅外熱像進行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應的熱像圖[3]。

通過試驗，證實了紅外測溫儀只能測量防鳥帽外表面的溫度，而無法測量到防鳥帽內部電容器接頭的溫度。只有當防鳥帽的溫度與電容器接頭溫度相同時，紅外測溫儀才能如實地反映出電容器接頭的實際溫度。因此，紅外測溫儀也將無法準確地測量到電容器接頭的實際溫度，這將導致運行人員無法提前預判電容器接頭的發熱異常，只有等到設備損壞后才能發現故障，給系統的安全穩定運行帶來了極大的隱患。

2.1.5 導電夾板歪斜

交流濾波器場電容器在安裝過程中，導電夾板出現了歪斜現象，當緊固右側電容器螺母時，由于緊固力矩為順時針方向，導致電容器引線被嚴重拉伸。

導線熱脹冷縮的伸縮量可由式(1)計算得出：

ΔL=ΔT×L×C

(1)

式中,ΔL為導線長度的變化；L為導線原來的長度；C為熱膨脹系數；ΔT為系統溫度變化。

由此可得出導線的長度變化與系統溫度變化成正比，電容器溫度變化越大，導線的伸縮量也越大。由于熱脹冷縮的作用，電容器接頭將承受更大的拉力，可能會對電容器瓷瓶兩端的連接處造成隱形傷害，當電容器再次投入運行時，由于電容器油受熱膨脹，將可能導致電容器漏油。

2.2 電容器引線隱患

2.2.1 毛刺現象

交流濾波器場電容器和噪聲濾波器電容器的接頭引線采用了帶有絕緣皮的多股軟銅線，在切割絕緣皮的過程中，由于用力過大，導致引線的最外層軟銅線大部分被割斷，產生了毛刺現象。如果毛刺過多或過長，將會產生電暈現象，為電容器帶來較大的安全隱患。

電暈是高壓帶電體表面向空氣游離放電的現象，在強電場的作用下導線周圍的空氣會產生電離現象，它的產生與導線本身和導線周圍空氣的條件有關。導線周圍空氣之所以會電離，是由于導線表面的電場強度超過了某一臨界值，以致空氣中原有離子具備了足夠的動能，撞擊其他不帶電分子，使后者也離子化，最后形成空氣的部分導電。電暈的產生是因為不平滑的導體產生不均勻的電場，在不均勻的電場周圍曲率半徑小的電極附近當電壓升高到一定值時，由于空氣游離就會發生放電，形成電暈。簡單地說，曲率半徑小的導體電極對空氣放電，便產生了電暈[4]。

電暈起始電壓指開始發生電暈放電時的電壓，也稱臨界電壓，與之相應的場強稱為電暈起始場強或臨界場強，如式(2)：

(2)

式中,ξ0為真空中的介電系數，ξ0=8.85×10-12，c2/N·m2。

而任一點的場強等于該點的電位梯度的負值，如式(3)：

(3)

通過積分變換得

(4)

此時為任一點場強與電壓的關系，式中,V為電壓；r為距電暈線的距離；a為導線毛刺半徑；b為導線半徑。式(4)表明在電暈開始發生之前，任一點的場強Er隨距電暈線的距離的減小而增大。當r=a在電暈線表面上時，Er達最大。

電暈開始發生所需的場強取決于幾何因素及氣體的性質。皮克(peek)通過大量實驗研究，提出了計算在空氣中電暈起始場強的經驗公式。

(5)

式中，P0、T0為標況下的大氣壓和溫度(298K)；T、P為運行狀況的溫度和空氣壓力；f為導線光滑修正系數，一般0.5

(6)

由式(6)可以得出，電暈起始電壓隨電極的幾何形狀而變化，線越細，即毛刺越尖銳，電暈的起始電壓越低，越容易產生電暈現象。

由于電容器的運行電壓較高，而且毛刺末端較尖銳，因此極易產生電暈。在正常運行過程中，電暈現象并不容易被發現，如遇雷雨天氣或周圍空氣濕度較大時，由于電暈現象，將可能導致毛刺對其他電容器或構架放電，造成電容器短路擊穿而導致電容器跳閘[5]。

2.2.2 引線連接工藝問題

電容器采用單引線連接，導線材質為多股軟銅線，在安裝過程中，由于安裝工藝問題，導致很多引線的連接出現了多股軟銅線未夾在接線孔中的情況。若導線有1/2未夾入接線孔中，那么導線與夾板的面積將減小1/4。

R=ρL/S

(7)

式中，R為導線電阻；ρ為電阻率；L為導線長度；S為導線橫截面積。

由式(7)可得出，若導線的接觸面積減小1/4，那么導線的接觸電阻將增大4倍。由于電容器接頭引線采用單引線連接，通流能力與雙線連接的電容器相比已經有所下降，如果連接線有多股未能與導電夾板可靠連接，那么電流會經過夾在接線孔外部的軟銅線直接進入電容器，導致通流能力大大降低，投運后將會導致電容器接頭發熱[6]。

2.2.3 電容器引線絕緣問題

交流濾波器場電容器塔引出線采用軟銅線連接，在雷雨或大風天氣時，容易使連接線擺動或下垂，造成連接線與均壓環的絕緣距離不足而導致閃絡放電事故。由于導線與均壓環的距離過近，導致導線與均壓環閃絡放電，造成4只電容器被擊穿。

根據中華人民共和國電力行業標準DL/T620-1997中第10.2.3條規定，變電站導線對構架的空氣間隙的計算，變電所導線對構架的受風偏及不受風偏影響的空氣間隙應符合式(8)要求。

(8)

式中,K2為線路空氣間隙工頻電壓統計配合系數，對范圍Ⅱ取1.40；Um為系統最高電壓，kV；對110kV及220kV取1.35，對66kV及以下取1.20。

在海拔不超過1 000m的地區，3～20kV高壓配電裝置的最小戶外、戶內空氣間隙如表1所示。

表1 3～20 kV高壓配電裝置的空氣間隙

3 相應的改進措施

為確保直流系統投運后的安全穩定運行，提高電容器設備的可用率，結合宜賓換流站電容器存在的問題，與廠家進行了協商、探討，最終針對以上問題提出了如下解決方案，希望能在系統投運前消除所有缺陷，努力實現電容器“零缺陷”投運的目標。

1)對交流濾波器場電容器和噪聲濾波器電容器的導電夾板和墊片進行全部更換，采用下片帶有內螺紋的導電夾板。在夾板的選型時，要充分考慮夾板接線孔直徑與電容器引線直徑的關系，導電夾板接線孔的直徑要略小于電容器引線的直徑，保證電容器引線連接后，上、下兩片導電夾板之間能夠留有一定的縫隙，以便判斷導線是否已被可靠夾緊[7]。

2)在交流濾波器場電容器和噪聲濾波器電容器的上、下兩片導電夾板上各配置一個彈性墊片，確保當環境溫度變化時導電夾板與引線之間一直是緊固的。在選擇彈性墊片時要使用橫截面積較大的彈性墊片，并且在安裝時盡量將彈性墊片壓緊，保證下片夾板與電容器接頭有較大的接觸面積，避免由于接觸面積減小，接觸電阻增大而造成電容器接頭發熱。

3)對電容器接頭涂刷RTV涂料用以代替安裝防鳥帽。紅外測溫是換流站重要的定期工作之一，紅外測溫的質量將對事故的提前預判起到至關重要的作用，用RTV涂料代替防鳥帽，可以實時、準確地觀察電容器的運行情況，避免由于無法準確測量電容器接頭溫度，導致延誤檢修時機而造成的事故。

4)全面檢查電容器導電夾板的位置，對所有歪斜的導電夾板進行校正，使其與地面方向垂直。檢查所有引線的彎曲程度，對于已完全拉直的引線進行重新連接，并留有一定的裕度，避免由于熱脹冷縮的原因使電容器接頭承受過大的應力。

5)對交流濾波器場電容器和噪聲濾波器電容器存在毛刺現象的引線進行全部更換，防止電暈的產生。由于電暈現象在正常運行時很難被發現，因此，防止電暈現象的發生尤為重要，更換帶有毛刺的導線可以有效地防止電暈的產生，避免由于電暈現象導致電容器放電或短路情況的發生。

6)對電容器引線進行全面檢查，對于未完全夾在夾線孔中的引線全部進行重新連接，將引線全部夾在夾線孔中，保證引線與導電夾板之間有最大的接觸面積，避免由于通流能力不足而導致電容器接頭發熱。

7)為防止由于引線擺動或下垂造成的閃絡放電事故，將交流濾波器場電容器跨越均壓環的引出線全部由軟連接改為硬連接。考慮到熱脹冷縮的影響，此硬銅導線可由3節組成，中間一節為軟銅導線，在導線跨越構架或均壓環時，中間一節軟銅導線向上彎曲呈弧形，以滿足絕緣距離的要求[8]。

4 結 語

電容器是換流站的重要設備之一，它的運行情況對直流系統運行的可靠性至關重要。電容器在換流站中的數量眾多，電容器故障在換流站日常缺陷中占有較大比重。因此，保證電容器的可靠運行對換流站的安全穩定運行意義十分重大。一方面從宜賓換流站電容器存在的安全隱患著手，分析了電容器接頭、引線在設計、工藝及安裝上存在的缺陷對電容器設備及系統運行的影響；另一方面對相應的安全隱患提出了改進措施及處理建議，為新建換流站提供參考。

[1]DL/T620-1997， 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[2] 馮建清, 唐明曉. 電容器發熱問題分析及解決措施[J].電力電子技術，2007,41(5):1-6.

[3]DL/T664-2008， 帶電設備紅外診斷應用規范[S].

[4] 李澍森, 陳曉燕. 試驗線段電暈測量技術及結果[J]. 高電壓技術, 2006, 12 (7): 32-36.

[5] 徐玲鈴, 張國威, 王世民，等. 直流輸電換流站電容器運行情況分析及改進措施[J]. 電力電容器, 2007(1): 11-16.

[6] 孫翠平, 關素嬌, 李曉軍，等. 青藏換流站電容器成套裝置外絕緣的設計總結[C]. 2012輸變電年會論文集, 2012.

[7] 周承剛, 趙寧. 換流站電容器組安裝的施工方案及注意事項[J]. 科學之友, 2012(15): 33-38.

[8] 李靖翔. 寶安換流站低壓電容器多起跳閘情況分析[J]. 中國科技信息, 2011, 22(4): 67-71.

AC filters have two tasks in converter station which filter out harmonic and provide reactive power for converter. As the capacitor is the most important equipment of reactive group, it is directly related to the safe and stable operation of converter station. Aiming at the actual situation of capacitors in Yibin converter station, the existing problems are analyzed comprehensively and systematically along with the operation experiences of other running converter stations. And then, the improvement measures are proposed for the security risks of capacitors and the suggestions are put forward for the newly-built converter stations.

capacitor; risk; heating; suggestion

TM53

B

1003-6954(2015)03-0033-04

2015-01-06)

禹 佳(1983)，本科，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術；

孫 文(1981)，本科，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術；

王 鑫(1987)，研究生，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術。