维普资讯 http://www.cqvip.com ２６ １０ｋＶ并联电容器组的故障分析及应对措施 ●实用技术与管理 ｌＯｋＶ并联电容器组的故障分析及应对措施 Ｆａｕｌｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｒｅｐｌｙ Ｍｅａｓｕｒｅ ｆｏｒ １ ０ｋＶ Ｓｈｕｎｔ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｂａｎｋ 广东电网公司东莞供电局 陈志钊 Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｇｒｉｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｂｕｒｅａｕ Ｃｈｅｎ Ｚｈｉｚｈａｏ 摘要：电力电容器作为一种静止的无功补偿设备，它的主要作用是向电力系统提供无功功率，提高功率因数。并联 电容器无功补偿是电力系统中优先采用的无功补偿方式，以减少输电线路输送电流，起到减少线路能量损耗和压降，改善 电能质量和提高设备利用率的重要作用。其安全性和可靠性，对于电网的安全经济运行具有十分重要的意义。本文立足于 东莞供电局并联电容器运行现状及存在的各种问题，结合多年来的运行经验，从多方面进行分析，并提出相关的应对措 施，以加强东莞电网无功系统的安全性及可靠性。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｓ ａ ｄｅｖｉｃｅ ａｓ ｓｔａｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｕｐｐｌｙ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ．Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｓ ａ ｆｉｒｓｔ ａｄｏｐｔｉｖｅ ｍｏｄｅ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ ｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ，ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｕｓｅ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｉｔ ｉｓ ｔａｋｅｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ．Ｉｔｓ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｅｎｓｅ ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｅｘｉｓｔｅｎｔ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｄｏｎｇｇｕａｎ ｓｕｐｐｌｙ ｂｕｒｅａｕ，ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｉｎ ｍａｎｙ ｙｅａｒｓ，ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｐｌｙ ｍｅａｓｕｒｅ ａｒｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅ￣ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙｔ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｄｏｎｇｇｕａｎ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ． 关键词：电容器故障分析措施 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｆａｕｌｔ ａｎａｌｙｓｉｓ Ｍｅａｓｕｒｅ 中图分类号：ＴＭ５３ｌ 文献标识码：Ｂ １．前言 言，并联电容器组损坏情况是相当严重的，问题 １０ｋＶ并联电容器是电网中广泛应用，并且量 也暴露得特别明显。为了找出频发故障的原因， 大面广的电气设备，其安全运行对提高电网的功 通过综合分析，针对性的制定了一系列措施。 率因数，降低线路损耗，提高电源质量和稳定性 ３．１ＯｋＶ并联电容器的故障及原因分析 均起着十分重要的作用。现根据东莞供电局 并联电容器的损坏一般由两方面造成，一种 ２００６年１０ｋＶ并联电容器组运行现状及存在的各种 是电击穿，另一种是热击穿。其直接的表现主要 问题，结合多年来的运行经验，从多方面对 有本体鼓肚变形、贬值、引起外熔丝或内熔丝及 １０ｋＶ并联电容器组的各类故障进行分析，找出原 相关保护的动作等。就东莞供电局１ＯｋＶ并联电容 因，并提出相关的应对措施，确保电网无功系统 器实际运行情况而言，造成电容器损坏、故障有 的正常、安全、可靠运行。 以下几种原因。 ２．变电站１ ＯｋＶ电容器运行现状 ３。１谐波造成的影响 近年来，在东莞地区变电站运行的无功补偿 随着电力电子技术的飞速发展，各种作为非线 的１０ｋＶ并联电容器组故障率比起前几年有明显的 性负荷的新型用电设备越来越多地使用，高次谐波 上升趋势。２００６年期间，仅变电二部管辖的６２座 对电网的影响越来越严重。电力系统受到谐波污染 １１０ｋＶ及以上变电站的４３３组ｌ０ｋＶ并联电容器中， 后，对变电站并联电容器的安全可靠运行造成了较 就共发生电容器组故障７８宗。其中发生电容器整 大的影响，过大的谐波电流将直接造成电容器的损 组群爆现象，造成电容器本体多个损坏、大部分 坏，甚至使整个电容器组不能投入运行。 电容器外熔丝熔断、中性点避雷器及中性点互感 １）东莞电网的谐波现状 器爆炸的共有１３宗；造成电容器组多个电容器贬 鉴于２００６年运行的电容器故障频发，为了掌 值（内熔丝熔断或存在内单元击穿）的共有２１宗； 握目前管辖变电站１ＯｋＶ母线谐波电压状况，在 另外还有一般的故障共４４宗。对于部分变电站而 ２００６年年底，广东省电力谐波监测站对东莞供电 维普资讯 http://www.cqvip.com ●实用技术与管理 ２７ 局变电二部管辖的６１座变电站的１ ０ｋＶ母线的谐波 电压状况进行了测试。测试结果显示，电压畸变 率超标的变电站中，三次谐波占总谐波成份的绝 大部分，共有１８－ｆ＂变电站三次谐波电压含有率超 标，占变电站总数的２９％。特别是２２０ｋＶ信垅站三 次谐波电压含有率达１９．５８％，暴露出严重的谐波 污染问题。 ２）三次谐波对并联电容器组的影响 从理论上说三次谐波是零序分量，通过变压 器变低侧的三角形接线能将其封闭，使系统不受 其影响。因此在设计中主要采用６％电容器组容抗 量的串联电抗器以抑制五次及以上的谐波分量。 但实际运行中，大量实测数据显示，三次谐波不 仅存在于１０ｋＶ并联电容器组，而且是威胁电容器 组安全运行的主要谐波分量。这主要是由于谐波 源不对称平衡导致的，对各类不同非线性负载产 生的三次谐波，其相位、幅值存在着差异，造成 不对称性。 按前述所配置６％串联电抗器对于三次谐波仍 然呈容性，三次谐波进入电容器后将被放大。由 于电容器是容性负载，能与电网上感性设备配 合，接近或构成谐振条件。又由于其大小与谐波 频率成反比，电容更容易吸收谐波谐振电流，引 起电流过载，造成电容损坏，或者熔丝熔断。 ３）高次谐波对并联电容器组的影响 电容器的发热主要来自绝缘的介质损耗， Ｐ＝Ｕ２ｏ）Ｃｔｇ＆为其正弦波电压下的公式表达。当电 容器中存在谐波分量时其绝缘引起的损耗将为： Ｐ ‘ｏ）Ｃｔｇｃ￣＋ （２ｏＪ）Ｃｔｇｃ￣＋ （３ｏ））Ｃｔｇｃ￣＋…＋ （ｎｏ））Ｃｔｇｃ￣ 从公式上看到，谐波含量越大、次数越高，电 容器的发热就越严重，而介损大的电容器特别不耐 受高次谐波的作用。在运行中谐波会引起附加绝缘 介质损耗，加快绝缘老化，严重的情况下将直接导 致电容器的热击穿。此外，在高次谐波作用下，电 容器的极问电压峰值由于叠加的作用将出现较大的 增量，使电容器长期处于过电压状态运行。该情况 易导致电容器内部出现局部放电现象，对电容器内 部的绝缘极为不利。 ３、２保护造成的影响 东莞供电局所辖１０ｋＶ并联电容器组保护主要 配置有两种，一种是以继电保护为主保护，另一 种是以电容器外熔丝熔丝或内熔丝为主保护。 １）继电保护方面 １０ｋＶ并联电容器组的继电保护根据其不同接 线方式有不同的型式，主要有开口三角电压保 护、过电压保护、低电压保护、中性点不平衡电 流保护。经过对电容器故障后现场情况的检查以 及对２００６年电容器故障的统计分析，由继电保护 方面原因引起、扩大的电容器故障占极少数，在 此不作重点讨论。 ２）熔丝保护方面 根据２００６年电容器故障的统计分析，熔丝保 护，特另ＩＪ是外熔丝保护原因引起的１０ｋＶ并联电容 器故障及扩大故障占了２００６年电容器全年故障量 的三分二以上。 般而言，单台电容器保护使用的熔断器属喷 射式熔断器，主要靠熔断电流自身的能量产生气体 熄灭电弧并开断故障电流，在电容器装置中常作为 内部故障的主保护。熔断器动作性能与通过的电流 大小有关，其动作时间与电流的关系由熔断器熔丝 的时间电流特性曲线确定，其反时限特性对故障电 流开断是有利的。基于熔断器的动作机理，在大电 流下，其熄弧能力可充分发挥，有较稳定的开断性 能，而在小电流下，则需在外弹簧的帮助下开断。 这些开断均必须是无重击穿开断过程。 然而，现运行的大部分１０ｋＶ并联电容器外熔 丝，在设计、厂家质量保证等原因存在着较明显 的缺陷。由此导致开断性能不良，造成电容器内 部故障熔断器拒动、误动导致电容器组群爆时有 发生，使得外熔丝作为电容器内部故障主保护的 可靠性大打折扣，给安全运行带来很大的隐患（电 容器外熔丝的结构图如图１所示）。 现在所用的熔断器主要存在以下的问题： ①铜铰线与熔丝之间压接头面积不能满足运 行电流的要求。对运行中电容器进行红外测温， 发现该接头普遍存在发热问题。铜铰线与熔丝之 间压接头发热，由于高温作用将直接导致熔断器 内的消弧管老化或龟裂。②熔断器内消弧管质量 亦存在问题。其材质较差，容易受潮老化，且消 弧管密封性能也差。 在正常情况下，运行中的电容器当熔断器动 作后，尾线与树脂管脱离，电弧使消弧管内分解 出气体，强力吹灭电弧，同时利用自身弹力将电 弧拉长，加大弧阻，使电弧迅速熄灭。但由于消 弧管内高温引起消弧管老化、龟裂或存在密封等 维普资讯 http://www.cqvip.com ２８ １ ０ｋＶ并联电容器组的故障分析及应对措施 １８５ ２０ １４ ３４：ｆ ｌ Ｉ ｌ ｒ ］ ／ 一 一 一 一 ＋ｌ ＝ 铜铜 绞线／压接头７熔线７压接头／ 葛禹弧笥 接头７压片７Ｉ ￣ｂ２０ｘ４ 图１外熔丝结构图 质量问题后，熔断器动作，电弧分解出的气体不 能在消弧管内产生足够气压，使熔断器熔断后不 能及时将铜铰线脱离树脂管。因电弧不能迅速熄 灭，导致熔断器不能完全熔断，引起重燃。当一 只熔丝起爆以后，一只接着一只爆断，持续一段 时间才停止，最终造成整组电容器群爆。可见电 容器的外熔丝性能不满足现场运行要求，是导致 并联电容器组群爆的主要原因。 ３．３电容器质量不佳造成的影响 对近年来部分发生群爆的电容器组进行了客 观全面的分析，如故障后电容器全部严重烧损 的，则对其它相同的电容器组进行检查试验，发 现电容器的绝缘电阻普遍偏低、电容器容值与额 定值比发生明显变化等问题。同时对电容器容值 有变化，外形基本无变化，无瓷套破裂断裂和箱 壳鼓肚的电容器进行解体检查，发现电容器（全膜 电容器）内部分单元存在击穿痕迹。从以上的检查 结果及统计分析表明，部分厂家生产的电容器绝 缘水平较低，全膜电容器单元存在水份或气泡， 使极间电场分布不均匀，产生局部放电等问题。 ３．４温升方面的影响 除前面所述，电容器组长期过电压运行，附 近的整流元件产生的高次谐波电流的影响使电容 器过电流，及绝缘老化和介质损耗（ｔｇ６）增加，造 成电容器超过允许的温升外，电容器室设计、安 装不合理造成通风条件差或通风系统损坏等问题 亦会使并联电容器组在超过规定温升的情况下运 行。这将严重影响电容器的使用寿命，甚至导致 绝缘击穿等事故使电容器损坏。 ３．５日常的维护管理不足 加强电容器组的日常维护及巡视检查工作是 保证电容器故障率下降的有效措施。在２００６年电 容器运行普查过程中发现部分电容器室的温升较 高，电容器器身或接头存在发热现象。由于缺乏 维护，电容器的器身及构架绝缘件积尘较多，个 别电容器还存在鼓肚现象，甚至发现有些电容器 容量与熔断器容量的配置不相符等。以上存在的 各种问题，严重暴露了对电容器缺乏必要的ＩＥＩ常 维护，造成电容器带病运行，从而最终引发电容 器的故障。 ４ 应对措施 通过对一系列故障的分析，找出了谐波、保 护、电容器质量、温升控制、日常维护这五方面 所存在的问题，提出了相关的反事故技术措施。 １）防止谐波对电容器的影响。针对所辖变电 站的具体情况，在防止谐波方面制定了以下几方 面措施。 ①消除新建变电站电容器组的设计隐患。由 于以前新站设计时没有对当地负荷的谐波情况进 行调查，在无功补偿设计上习惯性地选用６％电容 器组容抗量的串联电抗器，忽略了三次谐波的影 响，造成投运后故障频繁。因此新安装的电容器 组在设计前都要对当地的谐波情况进行监测，然 后根据监测情况，在新安装电容器的设计上采取 相关措施。 ②处理用户方面的谐波源。即对于产生大量 谐波的用户，在用户变的低压侧加装滤波装置。 ③对故障频繁、三次谐波严重超标的电容器 组进行改造。为达到抑制三次谐波目的，对选用 ６％电容器组容抗量的串联电抗器进行设计的，改 造后按１２％要求进行设计，原额定电压１ １／ｘ／３－ｋＶ的 电容器更换为额定电压１２／ｘ／３－ｋＶ的电容器。但由 于采取这种方法的投资较大并降低了电容器组的 有效容量，该方案仍在技术及设计部门的讨论 中。 ２）对电容器的保护方面的措施。在２００６年 １０ｋＶ并联电容器故障中，由继电保护方面原因引 起、扩大的电容器故障基本上是不存在的，而由 电容器外熔丝保护原因引起的电容器故障及扩大 故障占绝大比例。因此，对电容器外熔丝保护针 对性地制定了以下措施。 ①现在１０ｋＶ并联电容器外熔丝生产厂家较 多，产品的质量方面参差不齐，无法保证系统安 全、可靠运行。因此，对现今运行存在问题较多 的电容器外熔丝进行全面更换。另外，对新增电 容器加强验收工作，保证在设计时熔断器选型满 足实际要求，安装时的安装位置、角度满足运行 要求，确保电容器外熔丝的质量。 ②对新增的电容器组，在设计审图时，尽可 能使用不带外熔丝的电容器组。如使用集合式电 维普资讯 http://www.cqvip.com
●实用技术与管理 ２９ 容器组，使用质量有保证的无外熔丝的分散式电 容组等。 器的安全运行创造一个良好环境。 ５）加强电容器组日常的维护，保证电容器组 健康、安全运行。如加强电容器组的日常清扫、 清洁，对运行的电容器组的外观巡视检查，保证 电容器室运行温度满足现场运行要求。发现电容 ３）从电容器质量上提高可靠性。根据２００６年 电容器故障的分析情况，对存在质量问题的并联 电容器进行全面更换。到目前为止，已更换了大 量绝缘电阻存在普遍性偏低的电容器组。通过对 这批存在缺陷的电容器更换，使电容器的故障率 器箱壳膨胀应停止使用。加强在线监测，如定期 对电容器进行红外线测温工作，定期检查电容器 明显下降，为ｌＯｋＶ无功补偿系统的稳定、可靠运 行提供了保证。另外，我国ｌＯｋＶ系统是不接地系 统，系统的电压波动较大。而部分国家ｌＯｋＶ是采 用接地系统，运行电压相对较为稳定。因此对新 增的电容器在与厂家签订技术协议时就对电容器 的绝缘有明确的相关要求。 运行的电压电流是否正常等。通过日常维护，及 时发现电容器运行缺陷，达到降低电容器故障率 目的。 ５．结束语 ２００６年通过对１ＯｋＶ并联电容器故障的统计及 分析制定出以上一系列的应对措施，通过运行实 ４）控制电容器运行的温度，确保运行的环 境。 践检验，所辖的变电站电容器故障率得到了明显 下降。这些措施的执行，保证了２００７年度迎峰度 夏期间无功系统正常运行，起到改善电能质量和 提高设备利用率的重要作用。 ①控制电容器工作温度。电容器工作时，其内 部介质的温度应低于６５℃，最高不得超过７０￣Ｃ，以 免引起热击穿或是引起鼓肚现象。为了监视电容器 的工作温度，在电容器外壳使用熔点为５０￣Ｃ １０ｋＶ并联电容器作为现今优先采用的无功功 率补偿装置，对供电企业而言是十分重要的，是当 ６０￣Ｃ的试温蜡，加强监视或使用红外线测温，及 时发现运行中电容器过热现象，消除隐患。 ②控制电容器室的环境温度。电容器周围环 境的温度不可太高，否则电容工作时所产生的热 将积聚而散不出去。电容器长期在高温环境下运 行，将对电容器的绝缘产生不良影响，加速电容 器的绝缘老化。为此，在电容器设计安装时单台 电容器问必须保持ｌＯＯｍｍ以上间隙，并且电容器 室必须保证合理的通风装置。特别是无人值班 站，需加装温控自动驱动通风装置，当温度达到 设定值时自动驱动电容器室的通风装置，给电容 前乃至今后相当长的时期内，缓解电力供需矛盾， 改善供电质量的一种行之有效的手段之一。其广 泛的应用，能为国家和用户带来巨大的经济效益和 良好的社会效益。高度重视无功系统在电力系统 中的作用，积极应用新技术，加强对减少１０ｋＶ并 联电容器故障率的研究，为电网的经济、安全运 行提供有力的保障。 作者简介： 陈志钊（１９６８一），男，广东东莞人。电气工程师，工 学硕士，主要从事变电运行管理工作 厘霪 ５００ｋＶ南宁区控中心核心技术获得专利 近Ｉｄ，南网超高压公司５００ｋＶ南宁区域控制中心的电网区域控制技术创新成果一５ｏ０ｋＶ变电站无人值班远程监控系 统”被中国国家知识产权局授予实用新型专利证书。该系统具有很高的推广价值和应用前景： 技术领先，实现多种先进技术有效融合，首次实现了５００ｋＶ变电站无人值班。 与国内己有的２２０ｋＶ集控中心及国外的控制中心相比，南宁区域控制中心同时实现了远程集中控ＮＳＯＯｋＶ、２２０ｋＶ、 ３５ｋＶ等多电压等级的开关、刀闸和串补设备（包括地刀）、程序自动控制功能以及各变电站之间的５防联锁功能。同时引入 ２．５Ｇ大容量光纤通信技术，实现了现场图像实时监控视频功能，监控系统双路由、双通道和迂回保护等多种功能，技术上 处于国内领先水平。 首次创建实施了５００ｋＶ变电站“远程监控 少人值守”的管理模式。 南宁区域控制中心所控制的变电站地域分布广。东西跨度达６００余公里， 最终接入的５００ｋＶ变电站可达ｌ４个之多，在 国内率先实现了多个５００ｋＶ变电站大范围、大容量、远距离的集中监控。 首次编制Ｔ５００ｋＶｌｌ＇￣域控制中心以及５００ｋＶ：￣；人值班变电站关于监控系统 图像监控系统 故障信息系统 通信系统等 专业系统的技术规范。 经济、社会效益显著。 实行５００ｋＶ变电站集中区域控制前，每个变电站需要运行值班人员ｌ５～ｌ８人，实行５００ｋＶ变电站集中区域控制后，变 电站仅需要值守人员６人，则９～ｌ２人可充实到检修队伍中，实现了减人增效、提高操作效率、降低运行维护成本等作用。