并聯(lián)電容器組中電容器擊穿的特征分析

嚴(yán)廣 郭杰 陶志東 趙軍

摘要：并聯(lián)電容器組是交流電力系統(tǒng)輸配電環(huán)節(jié)的主要無功補償裝置，變電站中電容器內(nèi)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(lián)電容器為研究對象，分析了電容器組在運行過程中內(nèi)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(tài)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(jiān)測和快速定位提供參考。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)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(jù)并聯(lián)電容器組的結(jié)構(gòu)形式，電力系統(tǒng)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(yè)中應(yīng)用最為普遍。在我國的電力電網(wǎng)所使用的電容器組大部分為分體框架式，這種聯(lián)接方式大多數(shù)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(lián)的相電流高達(dá)416A，當(dāng)某臺電容器發(fā)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(hù)余下完好相的電容器，應(yīng)快速切除故障電容器，避免故障相的擴大。

1并聯(lián)電容器組中電容器擊穿的特征分析

1.1并聯(lián)電容器組的電氣接線

選取典型220kV變電站的電容器組進(jìn)行研究。電能從變電站高壓側(cè)輸送進(jìn)來，通過三繞組主變壓器將電能送往110kV側(cè)和10kV側(cè)。主變壓器的型號為SFSZ-180000/220，聯(lián)結(jié)方式為額定容量180MV·A。10kV側(cè)每段母線上有10回出線和4組無功補償并聯(lián)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(lián)電抗器Ls、并聯(lián)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(lián)電容器作為無功補償設(shè)備，常常運行于額定容量或以上，內(nèi)部電介質(zhì)的工作場強很高，過負(fù)荷、內(nèi)部溫度過高及過電壓等因素極易導(dǎo)致電容器的電介質(zhì)擊穿。設(shè)A相8只電容器中某一只電容器發(fā)生1串貫穿性擊穿。電容器的內(nèi)部元件擊穿發(fā)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(rèn)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(jù)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(tài)分析軟件，它可作為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的仿真分析及電力系統(tǒng)諧波分析的工具，可以模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和任意結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。仿真參照變電站的實際設(shè)備參數(shù)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(shù)設(shè)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(cè)額定容量分別為180MV·A和90MV·A，中壓側(cè)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(fù)荷用6條恒定負(fù)荷的支路來等效，其中支路的功率因數(shù)取0.9;考慮電容內(nèi)部元件的擊穿時刻，在相電壓峰值附近，仿真中設(shè)定擊穿發(fā)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(jìn)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(shè)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(guān)合上，電容的一串元件擊穿處用小電阻及小電感串聯(lián)支路進(jìn)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(xiàn)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(dǎo)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(jié)果與監(jiān)測記錄的數(shù)據(jù)對比分析

為監(jiān)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(lián)電容器在線監(jiān)測置，可以及時記錄電容器組中多種故障數(shù)據(jù)，包括各電容器支路上的電流、相電壓等。監(jiān)測裝置記錄的C相某一電容器內(nèi)部電容元件擊穿的故障錄波電容器內(nèi)部發(fā)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(lián)電容器在線監(jiān)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(tài)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(tài)持續(xù)約200ms后，從系統(tǒng)中切除電容器組。電容器組故障發(fā)生后，經(jīng)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(jié)果可推知：C8第一次電流增大為其內(nèi)部四串中的一串電容元件擊穿的表現(xiàn)，第二次電流增大為其內(nèi)部余下三串的一串電容元件擊穿的表現(xiàn)。此時中性線不平衡保護(hù)檢測到不平衡電流，約經(jīng)過保護(hù)整定值220ms后，電容器組繼電保護(hù)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(nèi)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(dá)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(jié)論

根據(jù)應(yīng)用廣泛的電容器組中全膜電容器為研究對象，對電容器內(nèi)部元件擊穿的電氣特征進(jìn)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(shù)。仿真模型的等效電路在選擇合適參數(shù)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(nèi)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(jiān)測、快速保護(hù)、保護(hù)定值設(shè)置和故障快速定位提供有價值的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]電力電容器.徐政譯.北京：機械工業(yè)出版社，2007

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

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