并聯電容器組中電容器擊穿的特征分析

嚴廣 郭杰 陶志東 趙軍

摘要：并聯電容器組是交流電力系統輸配電環節的主要無功補償裝置，變電站中電容器內部元件擊穿的故障也是電容器組故障比例最高。以常用的10kV并聯電容器為研究對象，分析了電容器組在運行過程中內部元件擊穿一串、二串情況的擊穿放電量，故障相電容器的電壓暫態變化量。電阻值越大，則擊穿峰值電流越小，隨著電阻值的增加，擊穿電流峰值下降減緩。最后，驗證了理論分析的正確性，為電容器擊穿的實時監測和快速定位提供參考。

關鍵詞：并聯電容器組;電容元件擊穿;放電量;放電電流;故障記錄

引言

根據并聯電容器組的結構形式，電力系統中電容器可分為分體框架式和集合式，分體框架式電容器組由于更換損壞電容器方便、散熱效果好，在世界各國電力工業中應用最為普遍。在我國的電力電網所使用的電容器組大部分為分體框架式，這種聯接方式大多數采單星形或雙星形的中性點不接地接法。單臺電容器的額定電流約為52A，8只電容器并聯的相電流高達416A，當某臺電容器發生貫穿性損壞時，其他兩相的電容器過電流為額定電流的√3倍，為保護余下完好相的電容器，應快速切除故障電容器，避免故障相的擴大。

1并聯電容器組中電容器擊穿的特征分析

1.1并聯電容器組的電氣接線

選取典型220kV變電站的電容器組進行研究。電能從變電站高壓側輸送進來，通過三繞組主變壓器將電能送往110kV側和10kV側。主變壓器的型號為SFSZ-180000/220，聯結方式為額定容量180MV·A。10kV側每段母線上有10回出線和4組無功補償并聯電容器組，每組容量為8016kvar，由24只電容器接成雙星型中性點不接地方式。電容器組自10kV三相母線后，主要以真空斷路器S每相接入的串聯電抗器Ls、并聯電容器C、中性線電流互感器CT組成。

1.2電容器擊穿的特征量

高壓并聯電容器作為無功補償設備，常常運行于額定容量或以上，內部電介質的工作場強很高，過負荷、內部溫度過高及過電壓等因素極易導致電容器的電介質擊穿。設A相8只電容器中某一只電容器發生1串貫穿性擊穿。電容器的內部元件擊穿發生在電壓最大值附近，即U為擊穿前瞬間電壓，約等于相電壓峰值。在放電過程中，電容器的電壓最大，電容器上的工頻電流接近零，可認為I1與Ir相等。放電處可等效為電阻，則電容元件擊穿的局部放電電流波形近似為雙指峰尖峰波形，利用等腰三角形近似等效局部放電電流波形，根據公式可計算放電電流的峰值Irm。

2電容器擊穿的EMTP仿真計算

2.1電容器擊穿的EMTP仿真模型

EMTP是電磁暫態分析軟件，它可作為電網穩態和暫態的仿真分析及電力系統諧波分析的工具，可以模擬復雜網絡和任意結構的控制系統。仿真參照變電站的實際設備參數及輸電線路工況，建立的電容元件擊穿仿真模型見圖3。仿真模型中的主要參數設置如下：U為電源，電壓有效值為174.8kV，頻率為50Hz;變壓器為YN，yn0，d11接線的三繞組變壓器，變比為220∶115∶10.5，變壓器額定容量為180MV·A，中、低壓側額定容量分別為180MV·A和90MV·A，中壓側中性點直接接地;10kV母線電壓為10.5kV，變電站一段10kV母線上的負荷用6條恒定負荷的支路來等效，其中支路的功率因數取0.9;考慮電容內部元件的擊穿時刻，在相電壓峰值附近，仿真中設定擊穿發生在9.8ms。

2.2電容器擊穿一串時的仿真計算

使用仿真模型對C相電容器擊穿進行仿真計算。由于電容上正弦交流電流的相位超前于電容兩端的電壓相位90度，擊穿時擊穿相的電流近似為0。在仿真計算中，設定C相在9.8ms時，電容兩端電壓接近相電壓峰值，擊穿過程模擬為控制開關合上，電容的一串元件擊穿處用小電阻及小電感串聯支路進行等效。主要觀測的量有擊穿電容所在支路的電流、三相電容電路的電壓與電流。圖3為擊穿過程中擊穿電容支路上的電流波形，圖5是三相電容上的電壓波形，電壓正峰值波形分別為B、C、A相電容器上的，C相電容上的電壓出現快速的電壓降落，電壓降為392V。在仿真計算中，擊穿放電電流為高頻量，考慮外導線及引線的電感，可得擊穿電容器支路的擊穿電流峰值受電阻值影響很大。

3仿真結果與監測記錄的數據對比分析

為監測電容器組的故障過程，在故障頻繁的幾組電容器組上安裝高壓并聯電容器在線監測置，可以及時記錄電容器組中多種故障數據，包括各電容器支路上的電流、相電壓等。監測裝置記錄的C相某一電容器內部電容元件擊穿的故障錄波電容器內部發生了兩次擊穿。電容器C8電流有效值由55.2A上升到83.4A，并聯電容器在線監測裝置顯示其故障并報警，其他各臺電容器電流大小沒有明顯變化，電容器組在此工作狀態維持了大約75min后，電容器C8電流有效值再次增大到134.4A，其他各臺電容器電流大小基本不變，電容器組在這種狀態持續約200ms后，從系統中切除電容器組。電容器組故障發生后，經檢測，故障電容器C8的電容值變值為53.6uF。由各電容器支路的故障電流記錄及故障后檢測結果可推知：C8第一次電流增大為其內部四串中的一串電容元件擊穿的表現，第二次電流增大為其內部余下三串的一串電容元件擊穿的表現。此時中性線不平衡保護檢測到不平衡電流，約經過保護整定值220ms后，電容器組繼電保護動作，使該電容器組的真空斷路器在740ms開斷電容器組。

從故障波形記錄可見，電容器內部擊穿一串電容元件時，所在電容支路擊穿前電流約為0，隨后有一高頻放電振蕩維持約2ms。放電的前沿非常陡，第一峰值達到1050A左右。在擊穿電流峰值、振蕩頻率、過渡時間方面，前述的理論及仿真分析與故障波形記錄非常吻合。

4結論

根據應用廣泛的電容器組中全膜電容器為研究對象，對電容器內部元件擊穿的電氣特征進行理論分析與仿真計算，得到擊穿時的電壓、電流、放電量和擊穿電流峰值等特征參數。仿真模型的等效電路在選擇合適參數時，與實際電容器運行的故障波形記錄很相似，證明前述的內部元件擊穿的理論分析合理，仿真計算正確。分析電容器的擊穿故障特征，可為電容器的實時監測、快速保護、保護定值設置和故障快速定位提供有價值的參考。

參考文獻

[1]電力電容器.徐政譯.北京：機械工業出版社，2007

[2]張星海.無功補償電容器絕緣保護技術的研究.高電壓技術，2005，31（12）

國網滁州供電公司，安徽滁州 239000