發電機出口斷路器沖擊保護電容漏油分析及處理

熊 舟，饒 蕾，廖詩宇，葉華松，任 波

(中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133)

某電站發電機出口與變壓器低壓側間安裝有額定電壓24 kV，額定短路開斷電流160 kA的發電機出口斷路器(以下簡稱GCB)，GCB兩側安裝2個并聯對地的充油型沖擊保護電容，受安裝空間限制，電容采用倒掛式安裝。GCB運行情況直接影響廠用電運行效率及可靠性[1]。2017年2月GCB電容出現滲油現象，本文主要分析電容滲油對GCB運行的影響以及對發電機組運行的影響，提出改進措施。

1 電容滲油分析

1.1 GCB電容滲油對介損及電容值的影響

1)GCB電容滲油對介損的影響[2]。某電站共計發現2例GCB電容漏油，測量的介損見表1。

表1 測量的介損表

從表1可以看出，漏油電容介質損耗明顯偏大，當漏油故障擴大時，介質損耗值會有明顯的上升。

2)GCB電容滲油對電容值的影響。該電站GCB兩端電容為浸油式平板電容，受安裝空間限制，采用倒掛式安裝，其內部采用錫箔紙纏繞方式，中間利用絕緣介質隔開，最終組成串聯式電容器。由此結構可以在計算中將其等效為標準電容器極板。電容器理論計算公式[3]：

C=εS/4πkd

式中：ε是一個常數；S為電容極板的正對面積；d為電容極板的距離；k則是靜電力常量。

對于GCB并聯電容器，按照電容器理想模型，電容器滲油對其極板間的正對面積S，電容極板距離d無影響，電容器的電容量與極板間介質的介電常數ε成正比，考慮極端情況，當電容器中油全部泄漏完時，電容的極板間介質的介電常數ε變為空氣介電常數，約為1.0，按照電容器中介質油為變壓器油計算，其介電常數ε約為2.2，電容器滲油時，其電容值逐漸變小，當電容器中油全部泄漏完后，其電容量下降約為原來值的0.45。

1.2 GCB電容解體情況分析

發電機出口斷路器兩端沖擊保護電容內部采用兩層錫箔紙交叉串聯纏繞，其高壓引線通過瓷套管引入至電容器首端極板，此極板靠近電容背部，而電容背部與GCB外殼相連，電容尾端極板焊接至電容外殼。高壓側引線接入至電容器首端極板時，內部結構圖見圖1。

圖1 GCB電容內部結構圖

從圖1中可以看出，電容高壓引線外部包裹白色絕緣管，在引線與電容外殼間，電容首端極板與電容外殼間隔離有絕緣紙板，在電容器內部絕緣油無泄漏時，可以保證其絕緣強度。由于沖擊保護電容器倒掛在GCB外殼上，當內部絕緣油出現泄漏時，電容器首端極板最先暴露在空氣中，此時對絕緣紙板的絕緣值有一定的影響。

沖擊保護電容首端極板在穩態時有20 kV的對地線電壓，電容絕緣油泄漏容易造成電容器極板對地擊穿放電，當發電機組正常并網運行時，GCB沖擊保護電容器對地放電會造成發電機定子一點接地故障，發電機出口斷路器斷開，采用系統倒送電至主變壓器運行時，GCB主變壓器側沖擊保護電容擊穿會導致發變組出口斷路器CCB跳閘，從而引起主變壓器停運，直接影響電站廠用電的可靠性。

1.3 GCB電容值變化對發變組的影響

某右岸帶GCB機組在合主變壓器或主變壓器三相合閘時，變壓器繞組會產生勵磁涌流，其主要特征為數值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，進而在主變壓器低壓側繞組會產生一個高頻的震蕩電壓，由于GCB靠近主變壓器沖擊保護電容的存在，低壓繞組的涌流會經過沖擊保護電容對地形成回路[3]。此時，GCB沖擊保護電容器等效于短路狀態，此沖擊電壓通過GCB靠近主變壓器側電容與外殼形成通路，將此能量全部施加在了沖擊保護電容上，避免了該沖擊電壓在主變壓器內部進行震蕩進而干擾主變壓器正常運行。

GCB等效電路圖見圖2。

圖2 GCB等效電路圖

實際運行過程中，GCB兩端波阻抗Z1、Z2為不變量，當系統或電源側有過電壓波傳播時，行波經過一個對地電容后，行波穿過電感或旁過電容時，波前均被拉平，波前陡度減小，L或C越大，陡度越小，電容漏油后電容值下降，波前陡度降低幅度變小，行波傳遞的陡度削減程度變低，此時對系統內發電機、變壓器等電氣設備帶來很大的威脅，對發電機出口三相的首根定子線棒絕緣影響最大[4]。

1.4 GCB沖擊保護電容換型可行性分析

GCB沖擊保護電容在瞬態過程中由于高頻電壓的存在相當于短路，此時的高頻電壓所產生的能量在電容內部消耗，雖然持續的瞬態時間短，但頻率高，此時若改用固體介質的電容，會在固體介質能頻繁的放電損耗，從而損壞固體絕緣，故建議仍然采用油浸式電容。

2 漏油電容處理

更換漏油的GCB兩端沖擊保護電容后，電容試驗數據合格，設備運行正常。

3 結 語

電容漏油會使其電容值下降，嚴重時可能會造成發電機定子一點接地。電容值降低會造成波前陡度降低幅度變小，行波傳遞陡度削減程度變低，過電壓波峰值對系統內發電機、變壓器等電氣設備帶來很大的威脅，尤其對發電機出口的首根線棒絕緣影響最大。在現有電容結構漏油時，會產生電容擊穿的風險[5]，由于電容量較大，目前固體電容結構無法滿足電容量要求，故只能采用充油電容結構，滿足建議改進現有電容內部結構，將電容首端極板接入至電容底座接地，使其在漏油時電容首端極板全部浸沒在絕緣油中，保證高壓側極板的絕緣強度。