10?kV母線電容器組故障原因分析及改進措施

曾繁偉

(廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東 珠海 519000)

10?kV母線電容器組故障原因分析及改進措施

曾繁偉

(廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東 珠海 519000)

闡述了某變電站10 kV母線并聯(lián)電容器組故障后的處理方法，分析了該變電站并聯(lián)電容器組在運行過程中頻繁故障的原因，并采取了相應(yīng)的改進措施，降低了并聯(lián)電容器組的故障率，確保了并聯(lián)電容器組的安全穩(wěn)定運行。

電容器組；外熔斷器；內(nèi)熔絲；中性點不平衡電流

0 引言

某220 kV變電站主變低壓側(cè)10 kVⅢ段母線只安裝4組電容器組，沒有10 kV出線負荷。電容器組采用雙星型接線，每組電容器組前串聯(lián)1臺干式鐵芯電抗器，4組電容器組的運行編號分別為1，2，3，4。2012-10-25至2013-06-24，該變電站共發(fā)生6次電容器組中性點不平衡電流保護動作跳閘事件。其中，1次為電容器組外熔斷器熔斷導(dǎo)致中性點不平衡電流保護動作跳閘，其余5次均為單臺電容器內(nèi)熔絲熔斷導(dǎo)致中性點不平衡電流保護動作跳閘。

1 電容器故障的處理方法

上述4組電容器組的額定電流均為420.7 A，電容器組的額定電壓為11/3kV。通過查閱4組電容器組故障后的檢修記錄得知，這4組電容器組的單只電容器故障后，由于沒有同樣規(guī)格的電容器備品，通常是拆除故障相的單只電容器而不是更換；為使電容器組的三相電容保持平衡，同時也拆除其他正常兩相相同數(shù)量的電容器。其中，由于之前的故障，3號電容器組每相已拆除2臺電容器，4號電容器組每相已拆除1臺電容器。

為分析這4組電容器組頻繁發(fā)生故障的原因，2013-06-30，測量已處理好故障并已投入運行的3，4號電容器組的電壓及電流值。測量的電壓和電流數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 3，4號電容器組的電壓及電流值

由表1可知，3號電容器組的實測電流遠小于電容器組的額定電流，這是因為該電容器組每相缺2臺電容器運行；4號電容器組由于每相缺1臺電容器，實測電流也小于額定電流。

2 電容器故障原因分析

為進一步分析該變電站10 kV母線并聯(lián)電容器組頻繁發(fā)生故障的原因，2013-07-04對故障電容器進行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)故障電容器內(nèi)的極板已經(jīng)擊穿，內(nèi)熔絲已熔斷。通過對電容器的解體、現(xiàn)場設(shè)備的狀況及現(xiàn)場運行情況的綜合分析，初步判斷造成電容器頻繁故障的原因主要有以下幾點。

2.1 外熔斷器問題

2.1.1 外熔斷器自身存在缺陷

(1) 該變電站10 kV母線并聯(lián)電容器組的外熔斷器型號為：BRW-10/100、額定電壓為10 kV、額定電流為100 A。目前，額定電流在80 A及以上的該型號熔斷器，還沒有既能通過溫升試驗又能通過小電流開斷試驗的完整的型式試驗報告。

(2) 由于戶外電容器組長期受到日曬雨淋，外熔斷器容易被腐蝕，壽命相對縮短，不能滿足電容器的使用要求。該變電站電容器組自2004年投產(chǎn)至今，已運行10多年了。由于日常運行及維護過程中沒對運行正常的外熔斷器進行定期檢查或更換，加上外熔斷器本身存在的缺陷，使得電容器組存在很大的安全隱患。

2.1.2 氣溫對外熔斷器的影響

外熔斷器熔斷主要由熔體溫度決定。并聯(lián)電容器組及外熔斷器一旦投入運行就處于滿負荷狀態(tài)；特別是在夏季，持續(xù)的高溫，加上外熔斷器部分熔體散熱較差，導(dǎo)致外熔斷器熔體的溫度較高，易造成誤動。同時，由于外熔斷器熔體長期受到彈簧拉力的拉伸作用，其誤動的可能性也將增大。

2.1.3 外熔斷器和內(nèi)熔絲的動作配合問題

電容器組的保護通常采用“內(nèi)熔絲+繼電保護+外熔斷器”方式，在這種保護方式下，電容器內(nèi)部元件發(fā)生故障時首先由內(nèi)熔絲來切除，而外熔斷器僅作為電容器內(nèi)部引線之間短路、電容器套管閃絡(luò)擊穿，以及電容器內(nèi)部元件串聯(lián)段發(fā)生擊穿短路(內(nèi)熔絲保護失效)的后備保護。繼電保護通常采用中性點不平衡電流保護，在2組星形接線的電容器組中性連線上，安裝1組零序電流互感器。正常情況下，每組電容器容抗相等，中性線上無零序電流；當有電容器發(fā)生故障時，即出現(xiàn)中性點不平衡電流，在電流值達到定值時，即跳開電容器組對應(yīng)的開關(guān)。

該變電站的電容器內(nèi)部元件發(fā)生故障時，由于備品不足，為使電容器組的三相電容保持平衡，只能拆除其他正常兩相相同數(shù)量的電容器。隨著被拆除電容器的增多，并聯(lián)電容器組的總電容減小，由表1可知，電容器組的工作電流也減小。在這種運行情況下，外熔斷器由于開斷小容性電流的性能低，不起保護作用；只有在內(nèi)熔絲失效，電容器故障發(fā)展成貫穿性短路時，外熔斷器才起作用，開斷工頻容性大電流，從而迅速切除故障電容器。此時外熔斷器作為內(nèi)熔絲的后備保護，必須具備耐爆性能和開斷容性大電流性能。但實際情況是，外熔斷器開斷大故障電流性能也不理想，保護效果不佳，而且在內(nèi)熔絲完全失效前，流經(jīng)外熔斷器的電流可能會持續(xù)減小，進而增大外熔斷器拒動的可能性。

2.1.4 外熔斷器開斷性能不良

外熔斷器可以快速切除單個電容器的大電流故障，但由于外熔斷器本身的滅弧結(jié)構(gòu)過于簡單，導(dǎo)致外熔斷器開斷性能不良的缺陷難以克服。外熔斷器開斷時若有重擊穿還會形成較高的過電壓，對與其串接的電容器單元造成破壞性的打擊。從此次故障電容器的解剖情況可知：電容器解體前外觀無異常，解體后內(nèi)部未見閃絡(luò)放電痕跡，絕緣油清澈無異常，電容器內(nèi)部4個串聯(lián)段中3個串聯(lián)段電容正常(約108 μF)，1個串聯(lián)段電容為0，該故障串聯(lián)段中內(nèi)熔絲全部熔斷，且元件中均存在擊穿點。一般而言，電容器元件的絕緣強度是存在差異的，不會同時擊穿；只有在電容器過電壓很高的情況下，某個串聯(lián)段的元件才有可能同時擊穿。

2.1.5 其他因素

除了外熔斷器本身的質(zhì)量問題外，安裝方法不正確等因素也容易造成外熔斷器熔絲受損、彈簧角度不到位。這不僅可能使外熔斷器誤動，還存在外熔斷器開斷不良的可能。如果這樣的外熔斷器發(fā)生動作，因其動作產(chǎn)生的過電壓就會損壞電容器。

2.2 電容器組缺臺運行

電容器組的額定電抗率為6 %。從廠家資料得知：電容器組缺2臺單只電容器后，其電抗率為4.5 %；電容器組缺1臺單只電容器后，其電抗率為5.25 %，這在運行過程中可能會造成諧波放大。從現(xiàn)場運行情況分析得知，10 kVⅢ段母線沒有配置可以抑制3次諧波的12 %的電容器組，所以電容器組對3次諧波無抑制作用，甚至有可能放大3次諧波。現(xiàn)場測得的電壓顯示A，C相中3次諧波電流含量最高，如果電容器組缺臺運行，電抗率會進一步下降，諧波放大的風(fēng)險也將進一步加大，從而導(dǎo)致電容器組出現(xiàn)過負荷，大量增加的運行電流易使熔斷器熔斷。電容器組缺臺運行的電抗率可按下式計算：

式(1)中：K′為缺臺后的電抗率；K=6 %為電容器組的額定電抗率；Xc′=1/(M-n)ω C為缺臺后的容抗；Xc=1/Mω C為電容器組的額定容抗；XL為串聯(lián)電抗器的感抗；M為電容器組每組的并聯(lián)電容器臺數(shù)；n為缺臺數(shù)量。根據(jù)式(1)，計算結(jié)果如表2所示。

表2 電容器組缺臺后的電抗率變化 %

由表2可知，電容器組缺臺運行，電抗率下降；缺的臺數(shù)越多，電抗率就越低，甚至可能失去抑制3次諧波的功能，進而導(dǎo)致諧波放大的可能性增大。另外，電容器組缺臺運行后，如果沒有對電容器組的2個星重新進行配平，電容器組將達不到穩(wěn)定運行的要求，還有可能造成電容器帶缺陷運行，從而導(dǎo)致故障擴大。因此，電容器組在運行過程中應(yīng)避免缺臺運行。

2.3 中性點不平衡電流保護整定值過高

查閱電容器組不平衡電流保護整定值發(fā)現(xiàn)，電容器組中性點不平衡保護整定值為0.2 A。根據(jù)中性點不平衡保護整定的原則，當二次不平衡電流達到0.2 A時，健全元件過電壓達到1.7倍，會導(dǎo)致熔絲熔斷。因此，0.2 A的中性點不平衡保護整定值偏大，不能在事故發(fā)生初期及時動作切除故障電容器，會造成內(nèi)部故障進一步擴大。

3 改進措施

(1) 嚴禁電容器組缺臺運行，補全缺少的電容器。查閱現(xiàn)場10 kV并聯(lián)電容器試驗報告得知，在預(yù)防性試驗時，3號電容器組的A3，B3，C3為空，4號電容器組的A5，B5退出運行，C5為空。如果在此狀態(tài)下將電容器組投入運行，會導(dǎo)致電抗器電抗與電容器組不匹配，電抗器起不到抑制諧波的作用，最糟糕時甚至?xí)怪C波放大，造成電容器組故障擴大。為確保電容器組的安全運行，對3號電容器組的A3，B3，C3補充了相同規(guī)格的電容器；將4號電容器組的A5，B5重新接入；同時對C5也補充了相同規(guī)格的電容器。

(2) 重新調(diào)整電容器組不平衡度及不平衡電流保護整定值。按照《不平衡保護整定導(dǎo)則》中要求的電容器不平衡度(雙星形接線中每個星的相間電容偏差要求小于1.003)重新配平電容器組，并按整定導(dǎo)則中提供的中性點不平衡保護二次動作值，重新設(shè)定保護裝置的整定值。電容器廠家說明書規(guī)定，健全元件過電壓不得超過1.5倍的額定電壓值，按此過電壓倍數(shù)計算二次不平衡電流值應(yīng)為0.1 A，故將不平衡電流保護定值整定為0.1 A。

(3) 加強對單臺電容器的檢查及維護。由于電容器組已多次發(fā)生單元損壞和外熔斷器熔斷的故障，每次故障產(chǎn)生的過電壓都有可能對電容器組中的其他電容產(chǎn)生損傷，今后一段時間內(nèi)將會是電容器故障的高發(fā)期。因此，必須加強對電容器組的預(yù)防性試驗，包括測試電容、極對殼絕緣等，并逐臺進行極間耐壓試驗，確保電容器單元處于完好狀態(tài)。同時，在運行過程中發(fā)現(xiàn)電容器異常時及時進行更換，并同時配平電容器組。

(4) 選擇性能更好、壽命更長的外熔斷器，同時更換運行時間較長的電容器組的外熔斷器。外熔斷器屬于易耗品，應(yīng)結(jié)合電容器檢修周期定期進行檢查及更換，特別是熔體受傷或不合格的熔斷器。因此，對該站上述4組電容器組的外熔斷器全部進行了更換，并將電容器組的外熔斷器納入日常維護項目中，定期進行檢查及更換。

該變電站實施上述改進措施后，從2013年8月至今，4組電容器組未再發(fā)生故障。

2015-06-09。

曾繁偉(1976-)，男，工程師，主要從事變電運行管理工作，email：13923382383@139.com。