66kV 高压并联电容器故障分析

梁义明1

,史明彪

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(1.吉林省电力有限公司电力科学研究院,吉林长春130021;2.山西阳城国际发电有限责任公司,山西晋城048000)

摘　要:根据某变电站一起66k V 高压并联电容器故障,通过对电容器产品设计参数、生产工

艺、结构和材料质量、外熔丝、电容器元件损坏、电容器差流保护定值设定等几个方面的分析,得出故障由个别产品存在绝缘缺陷,继电保护定值的设置,外熔断器质量等多个因素综合作用而形成。最后根据多方面的综合分析得出故障的原因,并提出避免此类事故的建议。关键词:66k V;　高压并联电容器;　元件击穿;　故障分析中图分类号:T M714.3　文献标识码:B 　文章编号:167421757(2009)022*******

Ana lysis of the Fault i n 66kV H i gh Volt age Shun t Capac itors

L I A NG Yi 2m ing 1

,SH IM ing 2biao

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(1.J ilin Pr ovince Electric Power Research I nstitute,Changchun 130021;

2.Shanxi Yangcheng I nternati onal Po wer Generating Co .,L td,J incheng 048000,Shanxi,China )Abstract:According t o a fault of 66kV high voltage shunt capacit ors in one power substati on,this paper analyzes s ome as pects such as,p r oduct design para meters,p r oduct technol ogy quality,p r od 2uct structure and material quality,external fuse,and s o on .It can be found that the fault is due t o the synthesis of insulating deficiency of s ome p r oducts,definite value of relay p r otecti on,and quality of external fuse .Further more,the fault causes are concluded based on synthesis analysis,and sug 2gesti ons are put f or ward in order t o avoid si m ilar faults .

Keywords:66kV;H igh voltage shunt capacit ors;Component breakdown;Fault analysis 0　引言

在电力系统中,高压并联电容器的应用极为

广泛,是提高电网功率因数,提高电网电压质量,

补偿电网无功功率的主要形式[1-2]

,因此高压电容器运行状况极为重要。本文针对某变电站的66kV 组合高压电容器的事故全过程进行分析,希望对类似事故的分析和处理有所参考。1　设备基本情况

变电站66k V 电容器组,是某供电公司于2005年1月订货,供货范围包括框架和成套其它配套件,供货数量为2套,单台电容器型号为BAM R 21-334-1W ,熔断器型号为BR W -20/24A,2006年1月试运行,5月24日正式投入

运行。

设备运行电压为:额定电压66kV,最高运行

电压72.5k V;电容器组额定电压66kV,电容器额定电压21kV 。

装置接线形式为每相5并2串结构,串联段的1/2电位接框架,单星形中性点不接地方式。采用66k V 绝缘支撑的双层单列形式,电抗率为6%,型号为CK W K -1-200/21×2-6%串联电抗器置于中性点侧绝缘支撑上。

电容器组的保护方式有:①一级保护:电容器外熔断器保护;②二级保护:单星形不等臂桥差不平衡电流保护(0.51A /0.25s,电流互感器比差为100∶5);③三级保护:过电流保护(过流Ⅰ段5.96A /0s,过流Ⅱ段3.97A /0.5s ),电流互感器设置于电容器组断路器进线侧,比差为400/5;过

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2　事故经过及处理过程

第一次故障发生于2006年8月21日,运行人员在巡视中发现1#电容器组的5#、16#高压熔断器动作,检查后发现:1#电容器组损坏10台,2#电容器组损坏7台,A、B、C三相均有电容器损坏。

第二次故障发生于2007年6月7日20点55分,运行中的10Mvar1#电容器组断路器跳闸,过流Ⅰ段继电保护速断动作,将发生故障的1#电容器组切除。现场检查发现1#电容器组损坏14台, 2#电容器组损坏7台,A、B、C三相均有电容器损坏。

鉴于该电容器组在不到1年的时间出现2次严重故障,所以决定将该电容器组出现问题的电容器返厂解体检查。

本次从21台故障电容器中选取了具有代表性的4台电容器(15#、18#、34#、68#)进行解剖分析。其中18#电容器有2个串联段损坏(损坏段数最少);15#电容器有13个串联段损坏(全击穿);68#电容器有13个串联段损坏(全击穿并且本体变形严重);34#电容器有4个串联段损坏。解体分析结果如表1所示。

表1　解剖故障电容器结果

编号损坏串联

段数

元件击穿点位置分布

铝箔边缘大面R角带穿

损坏元件

总数

18#210102

34#402226

15#13851519

68#13-----

因为68#电容器与15#电容器都是全击穿,因此将15#电容器的所有元件进行了查看,而68#电容器只对心子进行了查看。根据解剖的电容器元件,故障点的情况可以归纳出4种:

1)内击穿。从元件内部向外击穿,特点是外表击穿点小,里面击穿点越来越大(多层),且呈现大面积烧熔状态。如果内击穿没有发展到表面时,外表面只能看出表面有凸起;如果内击穿发展到表面时,会出现规则、较为干净的击穿点。

2)外击穿。从元件外部向内击穿,特点是外表呈现大面积烧熔状态,里面击穿点越来越小(多层)至没有。

3)带击穿。当元件内击穿到外表面或外击穿时,其临近元件外表面绝缘被破坏发生击穿现象。特点是击穿层数很少(基本只有2层、3层),除最外层表面出现明显的烧熔痕迹外,其它层没有烧熔痕迹,击穿点也很小。

4)全击穿。特点是击穿点基本全被烧熔,元件间绝缘纸被烧坏,出现大面积跨元件的烧熔现象。

出现上述情况是由于击穿发展的情况不同及击穿时的能量不同所造成的。

3　故障分析

3.1　产品设计参数分析

首先是关于电容器产品设计参数的分析,要确定产品在设计上是否存在问题。因此,要求厂家技术人员介绍了该型号电容器的系统参数(单台电容器的额定电压、电容等参数)、电容器内元件参数(聚丙烯膜的厚度、电场强度等)的设计情况。其次,结合DL/T840、G B/T11024及厂家的企业标准的相关要求[3-4],对以上参数进行的对比,没有发现设计参数的问题。

3.2　产品生产工艺质量分析

其次,根据故障电容器进行产品生产工艺质量分析。从解剖的电容器元件可以明显看出电容元件表面有很多明显的褶皱,多数元件的击穿点发生在褶皱处。关于褶皱的产生,厂家技术人员解释该类情况发生在全膜电容器元件的卷制过程中。在卷制过程中,因为膜的张力与铝箔的张力不同,因此容易发生褶皱,该种情况很难完全杜绝。

3.3　产品结构、材料质量分析

全膜电容器主要有两种基本结构,如图1所示。一种是隐箔式结构,也叫引线片式结构,如图1(a);另一种是凸箔式结构,如图1(b)所示,现在隐箔式结构已较少采用。

本次故障电容器元件采用的是凸箔式带折边的结构。该厂在引出上下电极后,各并联元件电极的焊接上,没有区分上下电极。这样在并联元件中存在相邻元件外表面电极反极性的情况,即极间电压。但因为该类型电容器元件间缠绕了多

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层聚丙烯薄膜,厚度上远多于上下电极间的两层薄膜,即使并联元件中存在相邻元件外表面电极

反极性的情况,在正常情况也不会产生问题。但在非正常情况下,如该处出现击穿点时,就可能会出现扩大击穿点问题,即形成元件带击穿或外击穿的情况。当然,当击穿点能量较大时,直接会出现元件带击穿或外击穿的情况

。

图1　全膜电容器元件基本结构图

如果各并联元件电极焊接时区分上下电极,

则相邻元件外表面电极电位相同,不会存在电位差,这样会降低在元件外表面或层间首先出现故障点的概率。3.4　外熔丝质量分析

故障电容器采用外熔丝结构。从最近一次故障现象分析:故障发生后,在A 相、C 相框架和外绝缘子存在电弧放电现象,A 相、C 相在各自的二个串联段中都有部分电容器发生了贯穿性击穿,导致外熔断器群爆。据了解在故障发生前,系统并未发现异常情况,也就是说有电容器在正常工况下发生了击穿现象,并且该台电容器的外熔丝未能及时断开电容器,使其它电容器过电压情况运行导致故障扩大,最终形成熔丝群爆。

外熔丝的设计就是要防止因为单台电容器发生击穿而导致故障扩展到与其并联的其它电容器上。显然,在故障发生时,先有一台电容器发生击穿后,其外部熔断器非但没有断开,还很有可能发生电弧重燃现象而导致装置出现过电压放电和其

它电容器元件击穿,因此,可以认为外熔丝存在缺陷。3.5　电容器元件损坏情况分析

故障电容器单台结构为4并13串,如图2所示。当一个串联段中有一个元件发生击穿时,本串联段因这一元件击穿而被短路失效,则该台电容器电容增大8.33%,其它12个串联段电压及电流可能会增加8.33%(考虑阻抗变化情况,其增加值应低于8.33%)。对于完好的电容器元件,即使每个串联段承担电压及电流增加约8.33%,一般也不会出现问题(我省在电容器标书技术协议中,曾要求电容器在设计上允许110%电压下长时间运行)。但是对于已击穿的全膜电容器其它完好元件在电压增加约8.33%的情况下不能保证不影响安全运行,所以,该种情况下不能允许电容器长时间运行,防止故障扩大

。

图2　电容器元件内部结构图

3.6　电容器差流保护定值设定分析

从本次故障保护的时间记录上看,故障电流

8.41A,过电流Ⅰ段保护启动的时间为0m s,即电容器组形成短路故障时间小于桥差不平衡电流保护时间0.25s,因此,在一、二级保护均未发生动作之前,就已经形成了越级故障,因而第三级保护动作切除了电容器组,因此该组电容器的差流保护的定值需要修改,并按定值计算公式在过电压水平达到1.1倍时,计算电流互感器的二次电流为0.56A 左右。考虑到电容器电容误差对初始

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3.7　故障原因总体分析

从损坏现场的观察中能看出,在故障发生后未有贯穿性击穿,B相经检查有部分电容器内部发生元件绝缘的击穿。A相、C相框架和外绝缘子存在电弧放电现象,同时A相、C相在各自的两个串联段中都有部分电容器发生了贯穿性击穿,也就是说在电容器组回路的B相、C相已经形成了部分贯穿性的短路回路。

第一次故障发生前由于未检出故障继续运行,导致完好电容器及元件在大于规定允许的过电压下运行,此时电气绝缘受到损伤,在后继的运行中,受损伤的内绝缘继续劣化,并且由于第一次故障时保护不动作的原因存在,在此双重因素的影响下,故障被扩大,劣化的绝缘在运行中发生贯穿性击穿,短路电流流过外部熔断器最终在短时间内发生群爆。

从现场检查的情况也基本能证实这一点,1#电容器组第二次故障损坏的14台电容器中,仅有2台是第一次故障后更换的,而这2台电容器内绝缘均未损坏,仅由于外熔断器群爆而导致漏油和套管破裂,但也不排除外部熔断器存在质量问题,在电容器发生元件绝缘击穿或绝缘子外部电弧闪络时,不能有效隔离故障点,从而发生电弧重燃现象,导致装置出现过电压放电和电容器元件击穿的可能性。

4　结论及建议

通过现场电容器的解剖、对厂家生产工艺的了解及上述原因分析,可以认为故障的发生主要是由于:

1)第一次故障的发生是由于个别产品存在的绝缘缺陷,经运行后发生元件击穿电容变化,由于保护设置的灵敏度、可靠性等原因而未能早期检出绝缘受损的产品,继续运行后受损产品的绝缘进一步劣化击穿,一些完好产品也在重新分配后的过电压下运行,使更多产品的绝缘受到损伤。在第二次故障发生时电容器元件贯穿性击穿及外部电弧放电,母线相间形成非金属性短路,大电流通过时发生外熔断器群爆,部分电容器鼓肚和套管碎裂;

2)第二次故障可能是由于外熔断器的性能不良,在需要其动作时,发生电弧重燃过电压,导致装置发生群爆,大量电容器损坏的故障发生。

因此本次故障的发生是在一定偶然性下的必然性,是在多个因素共同作用下发生的,因此建议:

1)电容器的制造中要加强质量管理和各种型式试验;

2)预试规程DL/T596规定高压并联电容器电容值偏差不能超过额定值的-5%～10%。但从上述分析认为电容器应当分结构对待,不同厂家生产的电容器结构不同,有的采用12段串联,有的采用13段串联;

3)建议从安全运行考虑,当采用外熔断器的电容器在运行中有一个串联段元件发生击穿,则应及时退出运行并更换。对于本次故障类型电容器,应在故障后电容与出厂电容值之比超过-5%～8.33%时,退出运行并更换。

4)厂家推荐该组电容器的差流保护定值宜取0.4A。

参考文献:

[1]王　东.电容器运行常见问题分析与对策

[J].江苏电机工程,2008,(4).

[2]王文洪,何满棠.并联电容器组熔断器“群

爆”故障分析[J].电力电容器,2007,(6). [3]DL/T840-2003,高压并联电容器使用技术

条件[S].

[4]G B/T11024-2001,标称电压1k V以上交流

电力系统用并联电容器[S].

[5]G B/T12802-1996,电容器用聚丙烯薄膜

[S].

作者简介:

梁义明(19772),男,工程师,主要从事高压试验管理及技术工作。

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