66 kV電容器組中單臺電容器多次故障的原因探究

趙蕾

摘要：對于66 kV電容器組的故障問題研究，需要分別對電容器組中的單個電容器進行故障分析，再結合各項數據以及觀察熔斷器運行的狀態，以此分析電容器出現故障的原因，找到可能損壞電容器的相關因素，并且逐個分析誘因，最終確定產生故障的原因。文章將此次分析得出引發故障的原因作為后續判斷電容器組故障提供經驗支持，方便快速排除故障，保證變電站系統的正常運行。

關鍵詞：66 kV電容器組；變電站；多次故障

發展至今電力已經成為生產和生活都不可缺少的部分，各種生產活動以及人們的日常生活都離不開電力的支持，可以說供電質量將直接影響到生產質量和人們生活質量。為此，維系電力系統的穩定運行成為電力企業的工作重點。根據以往的運行故障記錄可以發現，影響電力系統運行的主要故障就是電容器組發生的故障，且由于電容器組由多個電容器組成，在排查故障時需要耗費大量時間，為電力系統的正常運行帶來很大影響。文中就以某變電站電容器組實際發生的故障為例，對電容器組產生多次故障的原因進行排查。

1概述

某變電站所使用的66 kV補償電容器組從運行到現在曾發生多次故障，為了保證電容器組能夠正常運行，我們對其產生故障的電容器進行排查，并且對可能損壞電容器因素進行分析。

2電容器組的基本參數

該故障電容器組的型號為TBB22-66-28056/334-Y，采用串聯方式連接7臺電容器，并且將兩串并聯，使用H型接線，定值（二次）2 A，CT變比為30/5。電容器的單臺型號為BAMR20-334-1W，2000年12月出廠，電容器組內熔斷器型號為BRW-20/26A。

3故障和處理情況

2006年，在運行中A相的8臺電容器出現故障情況，變電站購買了14臺新的電容器進行更換，余下的作為備用設備，這是第一次故障的基本情況；第二次故障發生時間為2008年，同樣是A相發生容量變化，共7臺電容器出現故障，購進7臺新電容器進行更換；第三次故障發生在2009年，在檢驗中發現是B相的4臺電容器發生故障，使用備用設備更換，3次故障共有19臺電容器損壞。

4故障的調查情況

針對編號為144的電容器進行故障分析，該電容器是2000年出廠容量為2.67μF，受到全擊穿損壞；對編號為142的電容器進行故障分析，該電容器為2000年出廠容量2.66μF，實際測量得出容量為3.6μF，受到大面積擊穿和R角擊穿損壞。

5故障分析

5.1故障仿真

在仿真計算的過程中發現電容器組由原來的單相短路轉變成兩相相間的短路電波形式。當電容器組為單相短路時，電流僅產生3倍的變化，當電容器組成為兩相短路時，電流的增加速度會持續上升。所產生的波形與在現場故障錄波器中的電容器組電流及母線電壓的波形呈現出相似的態勢，這就足以說明電容器發生了相間短路故障。此時的電容器內部元件會出現大面積擊穿的情況，由于熔斷器失效，導致熔絲沒有及時斷開，在熔斷器工作時還產生了重燃，致使產生過電壓，電容器內部的電容器套管發生炸裂，內部元件發生全擊穿，導致電容器的內部元件嚴重受損。

5.2繼電保護的設置和動作情況分析

通過上述內容可以發現該電容器組使用的是H型接線橋差不平衡電流保護。保護設置的定值為2 A（二次），變比為30/5，一次為12 A，實際上在考慮靈敏度和可靠性之后得出的數值為15.84 A。以上數值表示，在進行繼電保護時，保護動作需要切除2臺電容器連接，就代表熔斷器要進行兩次熔斷操作，通過對并聯單元數、串聯單元數以及電容器組的額定電流可以得出不平衡電流為15.84 A。

通過對每相并聯單元數、串聯單元數、完好元件過電壓倍數和切除單元數的計算可以得出在熔斷2個電容器單元時，剩余的電容器單元過電壓為1.08 V。通常對電容器單元的過電壓承受能力標準為：1.05 Un可以長期運行，1.1 Un每24小時可以運行8小時。在此不對電壓的運行時間進行考慮，在進行繼電保護設置時，熔斷器熔斷動作的運行情況才是主要問題。

首先，熔斷器在進行熔斷時會出現盲區，針對H型接線的橋差不平衡的電流保護動作，當保護臂之間出現容量變化一致時，將無法進行熔斷動作，也就是繼電保護的盲區。當繼電保護動作中，需要熔斷2個電容器連接時，只有兩根熔絲在同一保護臂上才能在出口產生大的電流，做出熔斷保護的動作。一旦兩根需要熔斷的熔絲不處于同一臂上或者一個串聯段上，就可能出現不作出熔斷動作的現象，這種現象的發生與否與繼電保護的可靠性和靈敏性、電容器組保護的不平衡值都有很大關系。

以內部接線為4并12串的單臺電容器為例，當采用內熔絲時，每個小單元的額定電流為整個單臺電容器的1/4，這樣熔絲的額定電流就更小，保護更靈敏。

其次，在繼電保護時，如果僅熔斷了一根熔絲，保護動作沒有繼續進行，那么電容器組就會一直帶著故障運行，直至第二根熔絲熔斷為止，這種運行狀態如果不能及時發現并處理會對電容器組的運行帶來很大危害。當熔斷器是在進行繼電保護動作時熔斷所產生的問題不大，如果是熔斷器出現異常導致的開斷，那么就會由于彈簧的擺動位置與熔斷器套管出現狀況不明的情況，這種情況的產生將直接影響電容器組的正常運行。

最后，將電容器組的故障問題控制在一定范圍，在小規模故障時就進行及時處理，降低故障對變電站工作的影響效果，這種處理方式可以在很大程度上消除故障隱患。在將繼電保護動作設置成熔斷2跟熔絲時，就代表3相的電容器組需要最多熔斷6根熔絲，這時將損壞6臺電容器。當發生故障的電容器在時間上存在一定差異時，將為故障的排查工作帶來很大困難。將繼電保護設置成熔斷兩根熔絲時，很容易發生出現大量的電容器損壞之后才意識到故障風險，并且對故障發生時間沒有準確判斷。由此可見，當保護動作按照兩根熔絲執行時，會引起故障范圍擴大現象，所以，這里建議將兩根熔絲動作改為1根熔絲。

5.3根據解剖的情況分析

通過對電容器故障進行分析之后發現發生擊穿位置主要體現在以下區域。

（1）存在于電場強度明顯分布不均的部位，例如R角位置、折邊位置以及引線片。發生擊穿情況的主要原因是這些部分本身就存在電場強度不均的情況，一旦遇到過電壓就會快速產生局部放電現象，直接將薄膜擊穿。由此可見，這些部位出現的擊穿現象主要是在電擊的作用下產生，相對來說擊穿的范圍較小，其擊穿層數偏多。

（2）電場強度分布相對均勻的區域，例如元件中存在的較大面積部位。這些部分發生擊穿現象的主要原因是由于元件表面平整，且電場強度分布均勻，與其他元件部位相比，需要承受的過電壓面積最大，同時也是成為水平最高部位。一旦發生過電壓現象，元件的表面就會呈現出范圍較大的擊穿點，且擊穿才層數較多，同時呈現出熱擊穿和點擊穿的特征。由此可見，這些元件的表面區域是受到熱擊穿和電擊穿的同時作用下產生的擊穿現象。

（3）薄膜的電弱點部位，雖然在出廠之前會經過檢查，但是在運行的過程中受到電力和熱力的雙重影響，在特定部位會出現電弱點的現象，并且在持續運行的狀態下，電弱點會進一步老化，影響其絕緣性能，最終導致擊穿事故。一般情況下，產生電弱點的現象主要發生在電容器運行的1～3年之間，超過這個時間之后絕緣的介質將趨于平穩，在不受外界運行環境變化影響的前提下，絕緣性能不會發生變化。

由于在運行中會造成介質損耗，介質的溫度也會隨之升高，溫度的變化對絕緣性能具有很大影響作用。絕緣介質具有明顯的負溫度特征，當溫度上升時電阻變小，這就使得電流增大，損耗的溫度也隨之提升。為此，要求電容器運行的熱量需要小于等于散熱量，一旦大于散熱量，就會造成電容器的熱量每提升8℃，壽命就會降低一半。根據對電容器組內兩臺故障電容器進行解析之后可以發現，擊穿點不僅存在于元件大面上，還在R角部位。擊穿點也呈現出范圍小、層數多的現象，同時也有面積大和層數較小的部位，為此，僅通過擊穿形狀特點無法判斷出電容器元件損壞的具體原因。

5.4根據熔斷器的情況分析

熔斷器的作用是當電容器組發生故障時，按照設定進行熔斷操作，通過隔離故障電容器來控制故障的影響范圍。針對以上問題，如果熔斷器的熔斷性能達不隔離故障電容器的要求，那對于電容器組的影響作用將是巨大的，很有可能因熔斷器性能不佳發生擴大故障范圍的危害。部分熔斷器的生產廠家明確指出，熔斷器的使用年限最好控制在5年以內，也就是說熔斷器的有效使用壽命為出廠后的5年之內。噴逐式熔斷器的熔斷過程為先將熔絲融化成顆粒，且顆粒之間仍然存在電弧。

如果電容器的使用時間過長，其內壁的涂層就會發生變質反應，內部的彈簧也會因為生銹可失去應有的性能。在熔絲的紙質保護套受潮的情況下性能也會產生變化，如造成熔絲的熔斷曲線變化以及熔斷時不能選擇正確的熔斷目標等。一旦熔斷曲線發生變化，就代表熔斷失去準確性，故障電容器會因為無法及時熔斷而承受更大的過電壓造成大面積擊穿現象，較為嚴重的還可能導致短路，對本身沒有故障的電容器也造成影響。電容器組的主要保護裝置如表1所示。

保護配置有過流Ⅱ段、過流Ⅰ段、差流保護、過電壓保護和低電壓保護。

6結語

一般情況下，如果電容器本身制作工藝和性能存在缺陷，在出廠檢驗時就會被查出，存在問題的電容器不會有流入市場的機會。該變電站使用的電容器屬于常規型號，已經具備大批量生產的技術。該電容器組在投入使用到發生第一次故障之間間隔5年時間，為此，可以認定不是因生產工藝和技術方面的問題引起的故障。通過上述分析可以判斷，造成電容器大規模損壞的原因可能是繼電保護和熔斷器使用年限過長。