電力電容器常見故障分析及預(yù)防研究*

王肅朝，白宏偉，劉玉超

(國網(wǎng)隴南供電公司，甘肅 隴南 746000)

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速，電力系統(tǒng)容量快速增長，電網(wǎng)中感性電荷急劇增長，無功功率需求持續(xù)上升。電力電容器作為電力系統(tǒng)中重要的無功補償設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、使用靈活等特點，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。在電力系統(tǒng)長期運行中，受電力電容器生產(chǎn)質(zhì)量、補償回路設(shè)計和系統(tǒng)諧波污染等因素影響，容易產(chǎn)生電力電容器故障[1]，威脅電力系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行，甚至引發(fā)大面積停電事故，嚴重威脅生命財產(chǎn)安全。從電力電容器常見故障來看，主要體現(xiàn)為內(nèi)部電容元件擊穿、熔絲熔斷、內(nèi)部短路故障、外部放電故障等[2]，故障原因多樣，給電力電容器故障預(yù)防和維修造成一定的困難。筆者結(jié)合電力電容器常見故障現(xiàn)象，深入研究了電力電容器故障原因，并針對性提出了電力電容器常見故障預(yù)防措施，以期降低電力電容器故障發(fā)生風(fēng)險，提高電力系統(tǒng)運行可靠性。

1 電力電容器常見故障機理研究

電力電容器是用于電力系統(tǒng)和電工設(shè)備的電容器，由任意在兩塊金屬導(dǎo)體、中間絕緣介質(zhì)隔開[3]。電容器的大小取決于幾何尺寸和極板間絕緣介質(zhì)特性決定[4]，常見的電力電容器主要由殼體、電容器芯子、絕緣介質(zhì)和進出線結(jié)構(gòu)組成[5]，殼體多為薄鋼板或不銹鋼板，出線套管焊接在殼體上，電容器芯子由聚丙烯薄膜和鋁箔卷制形成極板，殼體內(nèi)充滿絕緣油作為絕緣和散熱介質(zhì)。在電力系統(tǒng)中，電力電容器作為全密封設(shè)備，其故障類型主要包括內(nèi)部電容元件擊穿、熔絲熔斷、外部放電故障和內(nèi)部短路故障等，詳見表1所列。

表1 電力電容器典型故障形成機理及風(fēng)險

1.1 內(nèi)部電容元件擊穿

電容元件擊穿主要是由于絕緣受潮、介質(zhì)老化、生產(chǎn)質(zhì)量和運行環(huán)境等原因?qū)е耓6]。當電容器內(nèi)無內(nèi)熔絲，則當電容器內(nèi)單個電容元件出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象時，相鄰電容元件可能出現(xiàn)短路現(xiàn)象，不再分擔電容器工作電壓，導(dǎo)致電容器內(nèi)部串聯(lián)回路電容元件承受的工作電壓增大，并造成整個電容器故障[7]，當電容器內(nèi)部存在內(nèi)熔絲時，可在故障電容元件故障時及時隔離。根據(jù)電容元件擊穿故障發(fā)生機理，可分為熱擊穿、電擊穿和局部放電擊穿等原因?qū)е耓8]，其中，熱擊穿形成機理主要為電容元件發(fā)熱量過高，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)劣化、分解并引起電容元件擊穿。電擊穿主要是受過電壓、高次諧波等因素影響，基板之間形成較高的電場場強，當場強達到擊穿條件時發(fā)生電容元件擊穿現(xiàn)象。局部放電擊穿故障主要是電容器場強較高且達到擊穿場強時出現(xiàn)的局部擊穿現(xiàn)象，并引發(fā)絕緣介質(zhì)劣化、老化[9]。在三種電容元件擊穿故障中，熱擊穿故障特點是在電容器運行過程中發(fā)生且發(fā)生延續(xù)時間較長；電擊穿特點是場強高、作用時間短，主要與場強和電場均勻程度相關(guān)；局部放電擊穿特點為非連續(xù)性，即由非貫穿性局部故障逐漸演變?yōu)樨灤┬該舸┕收蟍10]。

1.2 熔絲熔斷故障

熔絲保護是電力電容器主要保護措施之一，熔絲保護對電容器的安全穩(wěn)定運行起到重要作用。當前，根據(jù)電容器熔絲保護方式可分為外熔絲保護和內(nèi)熔絲保護兩種，其中，內(nèi)、外熔絲保護均可實現(xiàn)電容器電容元件保護、隔離作用。但在電容器投切操作中，由于電容器投切頻繁、熔絲選型不當、熔絲接觸不良等原因，可能造成非故障狀態(tài)下熔絲異常熔斷，從而造成電容器誤動。同時，熔絲選型不當，可能當電容器達到熔絲條件未能起到相應(yīng)的熔斷保護作用，并可能引發(fā)嚴重事故。根據(jù)《低壓并聯(lián)電容器裝置使用技術(shù)條件》(DL/T842-2003)規(guī)范要求，熔斷器額定工作電流應(yīng)按單組電容器額定電流2～3倍選型，以滿足熔絲熔斷保護要求[11]。

1.3 外部放電故障

電容器外部放電故障是指電容器殼體發(fā)生外部放電現(xiàn)象。外部放電故障主要由于外部因素引起，受電容器運行環(huán)境影響顯著，一般可通過日常巡檢、繼電保護等方式及時發(fā)現(xiàn)和處理，其故障危害程度相對較低。

1.4 內(nèi)部短路故障

電容器內(nèi)部短路故障主要是電容器長期運行中絕緣介質(zhì)老化、過電壓、生產(chǎn)質(zhì)量缺陷等原因引起的電容器極板對外殼短路或極板間短路現(xiàn)象。

綜上所述，電力電容器故障形成受多方面因素影響，需結(jié)合故障現(xiàn)象具體分析故障原因，并采取相應(yīng)的控制和預(yù)防措施。

2 電力電容器常見故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 電力電容器鼓肚變形現(xiàn)象及原因

電容器鼓肚變形是最為常見的故障之一，其形成原因是電容器內(nèi)部場強過高并發(fā)生局部放電或內(nèi)部擊穿故障時，絕緣介質(zhì)劣化并分解產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致電容器內(nèi)部壓力增大，造成電容器殼體變形，如圖1所示，形成明顯的鼓肚變形現(xiàn)象[12]。一旦出現(xiàn)殼體變形故障，一般不能采取修復(fù)措施，只能通過更換方式解決。電容器鼓肚變形問題形成主要由于電容器產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，如極板質(zhì)量差、浸漬液非吸氣性電容器油、凈化處理不合格原因等造成電容器生產(chǎn)質(zhì)量不合格。當存在質(zhì)量缺陷的電容器在高場強狀態(tài)下持續(xù)運行時，極易發(fā)生內(nèi)部擊穿、鼓肚變形故障。因此，加強電力電容器采購質(zhì)量把關(guān)是保障電容器穩(wěn)定運行的重要措施。

圖1 電力電容器鼓肚變形 圖2 電容器絕緣介質(zhì)滲漏

2.2 漏油故障現(xiàn)象及原因

由于電力電容器為全密封、高場強電力裝置，當電容器密封性出現(xiàn)故障時，會造成絕緣油界面下降和絕緣水平下降問題，并可能因外部環(huán)境潮濕、空氣進入而造成電容元件受潮，引發(fā)內(nèi)部電容元件擊穿放電現(xiàn)象，嚴重時可能引發(fā)電容器爆炸事故。電容器漏油故障高發(fā)于油箱焊縫、套管等部位，如圖2所示，其主要原因是電容器殼體焊接工藝不良、廠家密封實驗未嚴格按實驗要求進行檢驗等原因?qū)е耓13]。同時，除焊接原因外，螺栓、螺蓋焊接機械強度低、易脫焊、母線連接線螺桿受力拉扯焊口、搬運過程中提拉套管等都可能造成電容器焊縫開裂，進而引發(fā)漏油問題。輕微滲漏問題可采用環(huán)氧樹脂和錫焊補焊解決，嚴重滲漏應(yīng)停止投入使用。

2.3 電容器溫升異常現(xiàn)象及原因

電容器溫升異常主要是由于環(huán)境通風(fēng)條件較差或長期過電流運行，導(dǎo)致電容器長期在較高溫度下運行，導(dǎo)致電容器過流發(fā)熱、加速老化等故障。根據(jù)電容器使用壽命與運行溫度“8°”規(guī)則，當電容器運行溫度超出設(shè)計運行溫度時，其使用壽命縮短至設(shè)計使用壽命1/2。在日常巡檢中，可通過熱成像儀檢測發(fā)熱部位，如圖3所示，并對易發(fā)熱部位進行重點監(jiān)測、處理。改善電容器運行環(huán)境通風(fēng)條件，減少異常溫升問題發(fā)生。

圖3 電力電容器紅外線測溫 圖4 電容器套管閃絡(luò)放電短路

2.4 套管表面閃絡(luò)放電故障現(xiàn)象及原因

電容器成套裝置一般布置較為緊湊，運行狀態(tài)下周圍場強較高，易吸附空氣中帶電顆粒、灰塵，導(dǎo)致套管表面灰塵密度大，表面泄露電流增大，并在系統(tǒng)電壓和電網(wǎng)諧波作用下，套管瓷瓶易出現(xiàn)局部沿面電弧放電現(xiàn)象，并產(chǎn)生放電異響，嚴重時可能產(chǎn)生對地短路故障，如圖4所示。針對該故障，應(yīng)定期清理套管表面灰塵，防止灰塵集聚過多引發(fā)閃絡(luò)放電問題。

2.5 電容器異響現(xiàn)象及原因

在電力系統(tǒng)中，電容器屬于靜止無功補償電氣設(shè)備，正常運行狀態(tài)下應(yīng)靜止無聲運行。當電容器出現(xiàn)異響時，其主要原因可能是由于電容器內(nèi)部存在局部放電現(xiàn)象導(dǎo)致，應(yīng)立即停止運行并檢查維修。

2.6 電容器爆炸現(xiàn)象及原因

電容器爆炸主要原因是由于極間游離放電造成極間擊穿短路，并聯(lián)運行的電容器對故障電容器持續(xù)充放電且超過故障電容器殼體承受能力時，可能造成電容器爆炸噴油現(xiàn)象，并引發(fā)爆炸火災(zāi)事故，如圖5所示。針對電容器爆炸事故，一般可通過合理選型并安裝保護熔絲預(yù)防和控制。當電容器發(fā)生擊穿短路時，通過熔絲熔斷電源，能夠避免爆炸事故發(fā)生，并能夠防止因故障電容器爆炸而連鎖影響相鄰電容器。

圖5 電容器爆炸現(xiàn)場 圖6 因接觸不良導(dǎo)致電容柜接頭熔斷

同時，由于全膜電容器和紙膜電容器極間擊穿短路特性存在一定差異，紙膜和全紙復(fù)合介質(zhì)電容元件發(fā)生局部放電現(xiàn)象后，絕緣紙在擊穿放電高溫作用下碳化，并能夠維持擊穿放電故障持續(xù)發(fā)生，由此產(chǎn)生大量氣體，如未設(shè)置熔絲保護，可能導(dǎo)致電容器油箱爆裂故障。而全膜電容器薄膜受擊穿高溫熔化，兩個電極形成接觸短路，從而避免了電弧放電和氣體爆炸現(xiàn)象發(fā)生，因此，在電容器選型時，應(yīng)優(yōu)先選擇防爆全膜電容器。

2.7 接觸不良發(fā)熱故障現(xiàn)象及原因

在電力系統(tǒng)中，電容器投入使用后長期處于滿負荷運行狀態(tài)，且由于運行過程中回路電流較大，當電容器接頭接觸不良時可能出現(xiàn)電阻增加、接觸部位異常發(fā)熱現(xiàn)象，當接觸部位發(fā)熱量過大時可能造成接觸連接線熔斷，如圖6所示，接觸不良主要集中在線夾與導(dǎo)線接觸部位、接頭部位、連接部位等，其主要原因是安裝質(zhì)量差、接頭松動、連接部位氧化等。

3 電容器常見故障預(yù)防措施研究

針對電力電容器常見故障，應(yīng)在加強電容器生產(chǎn)和安裝調(diào)試質(zhì)量的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電容器運行操作方式、合理調(diào)節(jié)運行環(huán)境溫度，并借助信息技術(shù)實現(xiàn)電容器運行狀態(tài)實時監(jiān)控，動態(tài)收集電容器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，預(yù)防和控制常見故障發(fā)生。

3.1 電容器設(shè)備安裝質(zhì)量控制

電力電容器生產(chǎn)質(zhì)量缺陷是造成電容器故障的重要原因，如焊接質(zhì)量缺陷、密封實驗不到位等，可能導(dǎo)致不合格電容器投入使用并引發(fā)電力系統(tǒng)故障，甚至可能造成嚴重爆炸火災(zāi)事故。為確保電力電容器長周期穩(wěn)定運行，應(yīng)采用安裝質(zhì)量控制措施：①加強電容器出廠質(zhì)量檢驗，嚴格落實出廠質(zhì)量檢驗程序和要求，防止存在質(zhì)量缺陷的電容器投入使用；②電容器現(xiàn)場安裝時，應(yīng)遵循“分組、分相”原則，確保“相與相”、“段與段”電容匹配，如圖7所示；③安裝過程質(zhì)量控制，嚴禁接線時用力過猛、過大造成瓷套焊接部位損傷、裂縫、滲漏等問題。如出現(xiàn)少量滲漏時，可適當減輕負載或降低環(huán)境溫度，并使用環(huán)氧樹脂和錫焊補焊處理，當出現(xiàn)嚴重滲漏問題時，應(yīng)向上匯報并停止使用、檢查處理；④電容器安裝完成后，檢查接觸部位連接有無松動、過度振動、溫度變化大、腐蝕氣體等情況，確保電容器設(shè)備安裝無誤后方可正式投入使用。

圖7 電容器“分組、分相”安裝

3.2 優(yōu)化電容器操作

在電容器運行操作中，非正常操作可能造成電容器過電流而出現(xiàn)熱擊穿、局部放電等故障。為預(yù)防和控制電容器故障發(fā)生，電力系統(tǒng)操作人員應(yīng)嚴格按操作規(guī)程操作電容器:①電容器停送電時，電容器組應(yīng)遵循“先斷后合”的操作原則，負載出線應(yīng)按“先合后斷”的操作順序，嚴禁違規(guī)操作；②電容器恢復(fù)運行時，必須確保電容器放電時間，待電容器組充分放電后方可合閘操作，避免電容器頻繁投切。合閘操作時，如發(fā)現(xiàn)保護裝置動作，則應(yīng)在查明故障電容器、故障原因并處理后方可投用，防止因錯誤投用而造成事故；③為降低高次諧波對電容器組造成不利影響，應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)負載合理選擇電抗率，降低電容器組合閘涌流與過電壓，確保電容器成套裝置長周期穩(wěn)定運行。

3.3 重視電容器日常巡檢

加強日常巡檢，應(yīng)結(jié)合電容器設(shè)備運行特點，重點加強電容器設(shè)備滲漏、變形、灰塵集聚、外部放電、異響等故障現(xiàn)象的檢查、記錄、反饋。為確保日常巡檢工作效能，及時發(fā)現(xiàn)電容器設(shè)備故障、異常溫升等故障癥狀，為故障預(yù)判、分析和處置提供可靠依據(jù)。

3.4 加強電容器運行環(huán)境溫度控制

針對室內(nèi)運行的電容器設(shè)備，應(yīng)加強室內(nèi)通風(fēng)設(shè)備，具備條件時可增設(shè)環(huán)境溫度在線監(jiān)控設(shè)備，及時發(fā)現(xiàn)電容器設(shè)備環(huán)境溫度異常。室外運行電容器設(shè)備環(huán)境溫度控制時，應(yīng)搭設(shè)設(shè)備遮擋設(shè)施，避免陽光直射電容器組，防止因局部照射造成溫度、密度差異而產(chǎn)生擊穿故障。

3.5 開發(fā)利用設(shè)備運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)

為全面掌握電容器設(shè)備運行狀態(tài)，動態(tài)感知電容器設(shè)備故障風(fēng)險，及時預(yù)警電容器設(shè)備故障，應(yīng)借助信息技術(shù)開發(fā)電容器設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過收集電容器設(shè)備溫度傳感器和設(shè)備運行狀態(tài)傳感器、電壓電流監(jiān)測儀表等設(shè)備設(shè)施狀態(tài)信息，如圖8所示。

圖8 電容器溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

合理設(shè)置設(shè)備故障警戒值，當電容器組狀態(tài)參數(shù)達到警戒值時，應(yīng)及時排查故障原因并排除故障。借助在線監(jiān)測系統(tǒng)，長期在線監(jiān)測系統(tǒng)電容器負載、溫度數(shù)據(jù)，建立電力電容器運行狀態(tài)參數(shù)與故障類型之間的數(shù)學(xué)模型，為電力電容器維修、檢修提供依據(jù)。

4 結(jié) 語

通過對電力電容器典型故障類型及形成機理進行研究，探討了電力電容器常見故障現(xiàn)象，分析了常見故障原因和預(yù)防控制措施，并從電容器安裝質(zhì)量控制、優(yōu)化電容器操作、重視電容器日常巡檢、加強電容器運行環(huán)境溫度控制和開發(fā)利用設(shè)備運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)等方面提出建議措施，以期降低電容器故障發(fā)生率，確保電力設(shè)備長周期穩(wěn)定運行。