變電站并聯(lián)電容器組故障分析及技術(shù)改進(jìn)措施

于建偉 尚建武 王芳芳

摘要：隨著電網(wǎng)自動(dòng)化與智能化的發(fā)展，電力設(shè)備對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求愈加苛刻，而高次諧波的存在成為電力電子技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的巨大障礙，甚至危及整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。諧波在電力系統(tǒng)變電、輸電和用電每一環(huán)節(jié)都不可避免的產(chǎn)生，就變電站而言非線性負(fù)荷如中頻爐、電弧爐等使站內(nèi)各母線諧波含量豐富，經(jīng)測(cè)量分析造成該站并補(bǔ)裝置損壞的主要原因是諧波水平較高，諧波頻譜豐富。

關(guān)鍵詞：變電站;并聯(lián)電容器組;故障;技術(shù)措施

10kV并聯(lián)電容器是現(xiàn)階段我國(guó)采用的最先進(jìn)的無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，且該設(shè)備對(duì)供電企業(yè)的日常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。然而，在10kV并聯(lián)電容器組的使用過(guò)程中，常會(huì)出現(xiàn)各種故障，進(jìn)而對(duì)電容器組的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。因此，10kV并聯(lián)電容器組的運(yùn)維管理人員需要及時(shí)對(duì)故障發(fā)生的原因進(jìn)行總結(jié)分析，進(jìn)而采用有針對(duì)性的處理措施，保證電容器組運(yùn)行時(shí)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

1變電站運(yùn)行情況

2018年3月4日14時(shí)52分，某10kV變電站電容器保護(hù)裝置三相電流不平衡動(dòng)作。無(wú)功補(bǔ)償裝置停運(yùn)后，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)10kV#1電容器組A相3支外熔斷器熔斷，避雷器計(jì)數(shù)器未動(dòng)作。該變電站10kV母線為單母線接線方式，有2回進(jìn)線;10kV母線為單母線帶旁路接線方式，最小方式運(yùn)行時(shí)的短路容量為39.25MVA。10kV出線共7回，其中1回為2018年2月新增負(fù)荷，主要用電負(fù)荷為中頻爐。無(wú)功補(bǔ)償裝置于2007年投運(yùn)，運(yùn)行情況穩(wěn)定，故障時(shí)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)操作任務(wù)，系統(tǒng)未見(jiàn)異常波動(dòng)。

10kV電容器組采用成套裝置，主要包含并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、避雷器等設(shè)備。該電容器組型號(hào)為TBBB110-4008/334AKW，整組容量為4008kvar，單臺(tái)容量為334Kva，熔絲結(jié)構(gòu)為外熔絲，串聯(lián)5%鐵芯電抗器，投運(yùn)日期為2007年5月。

2故障原因分析

2.1電容量超標(biāo)

造成電容器組容量過(guò)剩的主要原因有：（1）電容器組本身的制造工藝，如電容器芯的線圈數(shù)、聚合溫度等不符合要求。（2） 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致電容器組絕緣降低。（3） 電容器單元內(nèi)部的保險(xiǎn)絲熔斷，切斷故障元件，導(dǎo)致電容不平衡。根據(jù)對(duì)報(bào)告缺陷的分析，第三個(gè)原因是我局電容器組容量超標(biāo)。

2.2保險(xiǎn)絲加熱或熔斷

熔斷器作為高壓并聯(lián)電容器的單體保護(hù)，其主要功能是切斷故障電容器組，保證其他電容器不受影響。然而，近年來(lái)，保險(xiǎn)絲的發(fā)熱一直是電容器失效的主要原因。如果處理不及時(shí)，容易造成保險(xiǎn)絲過(guò)熱和熔斷，導(dǎo)致電容器故障停機(jī)。根據(jù)焦耳定律和歐姆定律，當(dāng)流過(guò)電容器的電流恒定時(shí)，加熱的主要原因是接觸電阻過(guò)大。導(dǎo)體的接觸電阻與導(dǎo)體的材料性質(zhì)、接觸形式、接觸壓力、接觸面積和加工工藝有關(guān)。經(jīng)過(guò)分析，保險(xiǎn)絲加熱的主要部件如下：（1）保險(xiǎn)絲接頭與電容器鋁條的連接。由于螺釘緊固不良，保險(xiǎn)絲接頭與電容器鋁條接觸面積小，接觸壓力小，接觸電阻大，導(dǎo)致發(fā)熱。（2） 保險(xiǎn)絲的上端和保險(xiǎn)絲接頭。由于內(nèi)外螺紋配合不良，保險(xiǎn)絲上端與保險(xiǎn)絲座之間有間隙，接觸壓力小，接觸面為銅鋁接觸面，接觸電阻大，產(chǎn)生熱量。（3） 保險(xiǎn)絲過(guò)渡連接。這里，由于壓接不良，接觸壓力小，壓接點(diǎn)和加熱處的接觸電阻高。

2.3身體或接觸嚴(yán)重過(guò)熱

電容器組發(fā)熱主要是由于過(guò)負(fù)荷運(yùn)行引起的。當(dāng)電容器兩端負(fù)載的電壓超過(guò)其額定電壓時(shí)，電容器處于過(guò)電壓運(yùn)行狀態(tài)，將導(dǎo)致電容器本體發(fā)熱，甚至發(fā)生更嚴(yán)重的爆炸和燃燒。其次，電容器的接觸發(fā)熱主要體現(xiàn)在電容器母線的連接點(diǎn)上。與熔斷器的發(fā)熱原理類似，母線連接點(diǎn)發(fā)熱的主要原因是連接點(diǎn)接觸電阻值過(guò)大，主要包括以下兩個(gè)方面：（1）連接螺栓緊固強(qiáng)度不夠。安裝電容器時(shí)，需要大量的連接螺栓。如果螺栓擰緊力不足，螺栓會(huì)松動(dòng)，電容器接觸不良，導(dǎo)致運(yùn)行中發(fā)熱。（2） 銅和鋁的結(jié)合處有氧化和腐蝕。銅和鋁的連接點(diǎn)容易生銹，這也會(huì)增加電容器的接觸電阻，引起發(fā)熱。因此，銅鋁過(guò)渡板可以安裝在連接點(diǎn)。同時(shí)，端子連接前用砂紙將氧化、生銹的部位打磨光滑，并在接觸面上涂一層導(dǎo)電性好的防腐材料，以減少連接處的腐蝕。

3改進(jìn)措施

3.1學(xué)選型串聯(lián)電抗器

電抗器的配設(shè)要本著可以確保其所處的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中占據(jù)較大比例的諧波分量的電抗值趨向于0，要盡量讓諧波分量的感抗同于容抗，也就是要達(dá)到以下關(guān)系：：XL>Xc/n2，整個(gè)系統(tǒng)中選擇5次諧波，達(dá)到以下關(guān)系：XL>Xc/52=0.04Xc，現(xiàn)實(shí)的諧波控制中通常選擇5次，對(duì)此適合串聯(lián)電抗值達(dá)到6%Xc的電抗器，對(duì)于3次的諧波，則適合配置電抗值達(dá)到12%Xc。

其中需要重點(diǎn)關(guān)注的是，要區(qū)分開(kāi)Xc與XL，二者不可相同，從而預(yù)防電磁諧振，控制過(guò)電壓的出現(xiàn)，通常來(lái)說(shuō)為了穩(wěn)妥起見(jiàn)，可以嘗試容抗更大的容抗，這樣不僅可以回避諧振點(diǎn)，也有利于控制諧波。

通過(guò)科學(xué)的仿真能夠得出，如果系統(tǒng)串聯(lián)一個(gè)電抗值為6%的電抗器，將兩個(gè)電容器組開(kāi)啟，整個(gè)系統(tǒng)可能出現(xiàn)三次諧波變大，此時(shí)則將造成電抗器受損、毀壞，同時(shí)，因?yàn)橹C波源中諧波超出了特定范圍，特別是5次諧波，此時(shí)如果依然串聯(lián)6%的電抗器則可能加劇諧波共振，對(duì)此應(yīng)該嘗試提升電抗值，安裝12%的電抗器，達(dá)到高度仿真模擬的作用。

3.2提高熔斷器的質(zhì)量穩(wěn)定性

電容器外部熔斷器的選擇應(yīng)考慮質(zhì)量有保證、信譽(yù)好的廠家。對(duì)于已運(yùn)行一段時(shí)間的外部保險(xiǎn)絲，必須及時(shí)更換。安裝應(yīng)符合技術(shù)規(guī)范的要求，避免因安裝不當(dāng)而降低外熔絲的可靠性。另外，在設(shè)計(jì)新的變電站時(shí)，可選用質(zhì)量可靠的內(nèi)熔絲電容器，大大降低了電容器組的故障概率。

3.3選擇適合頻繁切換的真空斷路器

對(duì)經(jīng)常發(fā)生故障的10kV并聯(lián)電容器組，應(yīng)檢查配套的真空斷路器，淘汰再燃率高的真空斷路器。在新建電容器組的設(shè)計(jì)中，優(yōu)先選用質(zhì)量可靠、再燃率低的真空斷路器。

3.4控制電容器室的環(huán)境溫度

電容器在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)對(duì)其絕緣性能產(chǎn)生不良影響，加速電容器的絕緣老化。因此，電容器在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，單個(gè)電容器之間必須保持10毫米以上的間隙，電容器室必須有合理的通風(fēng)裝置。特別是無(wú)人值守站，應(yīng)設(shè)置溫度控制和自動(dòng)駕駛通風(fēng)裝置。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)電容器室通風(fēng)裝置，為電容器的安全運(yùn)行創(chuàng)造良好的環(huán)境。

3.5加強(qiáng)電容器組日常維護(hù)

加強(qiáng)電容器組的日常維護(hù)，確保電容器組的健康安全運(yùn)行。通過(guò)日常維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電容器的運(yùn)行缺陷，降低電容器的故障率。

結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析，確認(rèn)了諧波諧振是并聯(lián)電容器損壞的原因。該變電站存在短時(shí)的3次諧波，為負(fù)荷不對(duì)稱運(yùn)行造成的;而無(wú)功補(bǔ)償裝置電抗率選取不當(dāng)，導(dǎo)致運(yùn)行中發(fā)生3次諧波的并聯(lián)諧振。對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行技術(shù)改造，將電抗率由5%提高到12%，同時(shí)為了防止電容器運(yùn)行過(guò)壓，將全部并聯(lián)電容器更換為額定電壓為13.3kV的電容器，避免系統(tǒng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振。

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