并聯(lián)電容器補(bǔ)償分析和在異常工況下的故障分析與處理

1、 論文題名：并聯(lián)電容器補(bǔ)償分析和在異常工況下的故障分析與處理 學(xué)校名稱： 指導(dǎo)教師： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專 業(yè)：電力系統(tǒng)自動化入學(xué)時間： 并聯(lián)電容器補(bǔ)償分析和在異常工況下的故障分析與處理 提要 針對電容器補(bǔ)償原理及方法對系統(tǒng)異常運行工況下電容器發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析，并提出處理對策。 關(guān)鍵詞 電容器補(bǔ)償 異常運行 故障分析 保護(hù)措施并聯(lián)電容器(以下簡稱電容器)是目前使最多的一種無功功率補(bǔ)償裝置。近年來，隨著電網(wǎng)的高速發(fā)展，電容器及其無功補(bǔ)償成套裝置投入電網(wǎng)運行已越來越多，但運行經(jīng)驗表明，除電容器本身缺陷會引起事故外，系統(tǒng)不正常運行工況也會引起事故的發(fā)生。特別是電容器爆炸起火惡性事故的發(fā)生，

2、將嚴(yán)重威脅著變電所的安全運行，這對目前無人值班變電所綜合自動化提出了新的課題。本文針對電容補(bǔ)償?shù)脑砑坝嬎惴椒ㄟM(jìn)行闡述和補(bǔ)償系統(tǒng)在異常運行工況下lOkV電容器發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析，并提出對策。一、電容補(bǔ)償電路原理和計算(一)補(bǔ)償電路原理 交流電力系統(tǒng)需要電源供給兩部分能量：一部分用于作功這部分電能將轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、光能、熱能和化學(xué)能，稱為有功功率；另一部分用來建立磁場，用于交換能量使用，它由電能轉(zhuǎn)換為磁能，再由磁能轉(zhuǎn)換為電能，周而復(fù)始，并沒有消耗；稱為無功功率。在電力系統(tǒng)中，除了負(fù)荷需要無功功率以外，線路的電抗和變壓器的電抗也需要無功功率。 QC S Q S/ Q/ / 圖 1一1 電力負(fù)荷的

3、功率三幾角 由上可知，電力負(fù)荷一部分是感性的，需要電源供給無功功率為Q，當(dāng)加裝容量Q的電容補(bǔ)償裝置以后，其功率三角形如圖11所示，使由電源輸出的無功功率減少為Q，功率因數(shù)由cos提高到cos/，視在功率S/也較原來S要小。 電容器的補(bǔ)償作用可以用電流的關(guān)系來加以說明。電力負(fù)荷的總電流I可以分為有功電流IR和無功電流IL. 以端電壓U為基準(zhǔn)，有功電流IR與電壓U的向量相同，無功電流IL比電壓U落后90。，如圖12所示。當(dāng)電容器接入電網(wǎng)時，流入電容器的電流Ic比電壓U超前90。，容性電流I c與感性電流IL方向恰好相反，從而抵消一部分感性電流，使感性電流IL減小到IL，I/L=ILIC?？傠娏饔蒊

4、降徒到I/，功率角減小到cos/ 得到了提高。如果補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏鞯扔陔姼须娏?，功率因?shù)將等于1，這時無功功率可以全部由電容器供給，電源只輸送有功功率. . ic iR / i/1 i/ il i il圖1-2電力負(fù)荷的電流關(guān)系 (二)補(bǔ)償電路方式 (1)個別補(bǔ)償 電容器直接接在用電設(shè)備附近.個別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點是可以減少企業(yè)供電線路及變壓器的無功負(fù)荷，相應(yīng)減少了線路和變壓器中的有功損耗，還可以減小配電線路的導(dǎo)線截面和變壓器的容量，因而取得的補(bǔ)償效果最好。其缺點是電容器的利用率太低投費費用大，還可能受到劇烈的震動。所以個別補(bǔ)償僅適用長期運行的大容量電動機(jī)及較長的供電線路。 (2)分組補(bǔ)償 電容器組接于

5、車間配電母線上，這種補(bǔ)償方式的利用率比個別補(bǔ)償高。但它只能減少高壓供電線路和變壓器中的無功負(fù)荷，而低壓配電線路中的無功負(fù)荷仍然存在。 (3)集中補(bǔ)償 電容器組接在廠總降壓變電所的母線上，一般功率因數(shù)較低的主變電所都采用這種補(bǔ)償方式。集中補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點是電容器組利用率高，能減少電力系統(tǒng)、供電線路和主變壓器的無功負(fù)荷，但不能減少工廠內(nèi)部配電網(wǎng)絡(luò)之間的無功負(fù)荷：(三)補(bǔ)償容量計算 1用計算法：求補(bǔ)償設(shè)備的容量計算公式如下： Qc=Ppj(tg1tg2)或QC=Qpj(1- )式中 Qc所需補(bǔ)償?shù)娜萘浚琸var；Ppi最大負(fù)荷月或負(fù)荷班的有功負(fù)荷，kwQPj最大負(fù)荷月或負(fù)荷班的無功負(fù)荷，kvar;tg1推

6、算Ppj或Qpj時，求得相應(yīng)無功功率因數(shù)的正切；tg2要求達(dá)到的功率因數(shù)的正切。2用諾模圖求補(bǔ)償設(shè)備的容量諾模圖如圖l-3所示。根據(jù)補(bǔ)償前后功率因數(shù)cos1和cos2的值，在圖1-3上取其相應(yīng)的兩點，在兩點間進(jìn)行連線與系數(shù)K的坐標(biāo)相交于第三點，此點即為系數(shù)K的值。其補(bǔ)償容量可按下式計算： QC=Kppj3電動機(jī)個別補(bǔ)償設(shè)備容量的計算一般應(yīng)以電動機(jī)空載時補(bǔ)償其功率因數(shù)接近1為宜，但不能等于1，以防產(chǎn)生并聯(lián)諧振。若以滿載情況補(bǔ)償功率因數(shù)至1，則空載或輕載時勢必造成過補(bǔ)償。過補(bǔ)償?shù)碾妱訖C(jī)在切斷電源后，由于電容器的放電供給電動機(jī)勵，能使旋轉(zhuǎn)中的電動機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓。因此電動機(jī)個別補(bǔ)償容量可按下式計算

7、： QcUeI。式中 Ue電動機(jī)的額定電壓，kV； 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.81.81.71.61.51.41.31.21.11.00.90.80.70.60.50.41.00.950.900.850.80.750.7 cos1 K cos2 圖1-3 補(bǔ)償電容量運算圖 I。電動機(jī)的空載電流，A。二 電容器的投入和切除(一)并聯(lián)電容器的投入和切除 電力系統(tǒng)中的并聯(lián)電容器是一種操作比較頻繁的設(shè)備。由于電力負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生變化，系統(tǒng)中需要的無功功率也在不斷變化，裝有電容器的變電所就需要隨時調(diào)整電容器的容量，將一部分或全部電容器從系統(tǒng)中切除或投入運行。 在正常情況下，電

8、容器分合閘操作是比較有規(guī)律的。例如每天中午工廠休息、深夜到凌晨負(fù)荷減少、電網(wǎng)需要的無功功率減少、電壓升高等，為了避免變壓器過勵磁運行和其它不良后果，必須將電容器切除。而正常工作和天黑照明負(fù)荷增大時，又需將電容器投入運行。 此外，由于供電方式改變引起無功功率的變化、電爐負(fù)荷或其他動力和停用、系統(tǒng)電壓短時間增高或降低、電容器本身故障等，都需要操作電容器。電容器分合閘將引起一些特殊現(xiàn)象。在合閘時產(chǎn)生很大的沖擊涌流；在分閘過程發(fā)生重燃的可能性。同時產(chǎn)生數(shù)倍的操作過電壓。對這些暫態(tài)現(xiàn)象必須采取有效的預(yù)防措施。（二）并聯(lián)電容器的單組投入單組電容器合閘涌流大約為電容器組額定電流的515倍。這個電流對開關(guān)觸頭

9、有損害，其損害程度隨操作次數(shù)增加而加劇。電容器合閘時產(chǎn)生的過電壓在未充電的電容器上是1.82.0倍的相電壓；在充電的電容器上最嚴(yán)重時為2.73.0倍相電壓。 (三)電容器的追加投入 為了適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動，變電所可能裝設(shè)多組電容器，各組可以單獨投運。如果有一組或幾組電容器已經(jīng)在電網(wǎng)運行，當(dāng)需要將另一組沒有充電的電容器追加投入到運行中的電容器并列運行時，如21所示，由于追加合閘的電容器C2距離運行中處于充電狀態(tài)的電容器C1很近，電容器C1近似于短路狀態(tài)，合閘涌流幾乎全都由電容器C2供給；限制這個電流的只有兩組電容器之間母線上的電感L，由于兩組電容器互相鄰近，電感L很小電容器C1將向電容器C2大量充

10、電。這時合閘涌流將達(dá)到很危險的程度，當(dāng)電網(wǎng)飽壓處于峰值的瞬間，涌流將達(dá)到最大值。最大的合閘涌流將達(dá)到電容器組額定電流的20多倍，其振蕩頻率可達(dá)到15000Hz，它將對開關(guān)和電容器造成危害。因此，規(guī)定當(dāng)變電所有兩組以上的電容器時，必須采取限制涌流的措施。 (四)投入涌流的抑制電容器合閘涌流衰減很快，一般不超過2ms的時間，即能降低到無害的程度。單組合閘的涌流一般都小于現(xiàn)代開關(guān)設(shè)備的允許最大合閘電流，所以不需要采取抑制涌流措施。但有的開關(guān)速度較慢觸頭還沒有閉合就產(chǎn)生擊穿點弧，這時電流急劇上升，在開關(guān)內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力和機(jī)械振動，使開關(guān)損壞。頻繁合閘將使觸頭燒損，追加合閘并聯(lián)時后果將十分嚴(yán)重。限制合

11、閘電流的方法主要是開關(guān)加并聯(lián)電阻和安裝串聯(lián)電抗器。 ； L L K C1 C2 圖2-1追加投入電路原圖 三 電容器保護(hù)(一)熔斷器保護(hù) 電容器組的每臺電容器上都裝有單獨的熔斷器保護(hù)。這種柵器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便只要配合恰當(dāng)，就能迅速將故障電容器切除，鍵免電容器的油箱發(fā)生爆裂事故。當(dāng)故障電容器被切除除后，其它健全的電容器可以繼續(xù)運行；以免開關(guān)跳閘頻繁。還可以保持對系統(tǒng)繼續(xù)供給無功功率，使運行電壓保持穩(wěn)定。此外，熔斷器熔斷后有明顯的標(biāo)志，動作后很容易發(fā)現(xiàn)運行人員根據(jù)標(biāo)志能迅速找到故障電容器，以便在適當(dāng)時候?qū)⑺饟Q。 熔斷器熔體的選擇應(yīng)由熔體的安秒特性決定。般熔體的熔斷電流為電容器額定電流的1.52

12、.0倍，即電容器額定電流的1.5倍以下不熔斷，額定電流2倍以上必須熔斷。 (二)過電流保護(hù) 過電流保護(hù)主要是防止電容器組過負(fù)荷運行和電容器母線相間短路事故，電容器過負(fù)荷的原因；一是運行電壓高于電容器額定電壓；二是諧波引起的過電流根據(jù)國家規(guī)定，電容器負(fù)荷電流為電容器額定電流的1.3倍。過電流繼電器應(yīng)根據(jù)這一原則進(jìn)行整定 電容器組母線相間短路有不同的形式。電源側(cè)發(fā)生相簡短路電流最大，其數(shù)值由系統(tǒng)的短路阻抗決定。當(dāng)短路發(fā)生在同一相或不同相時，三相電流流不平衡，不平衡電流的大小與短路發(fā)生處有關(guān)。過電流保護(hù)定值還必須考慮以上的短路故障。 為了避免合閘涌流引起開關(guān)的誤動作過電流保護(hù)應(yīng)有一定的時限。由于涌流

13、持續(xù)時間很短，時限整定到0.5S以上就可躲過涌流的影響。但是在整定時還得考慮與上一級保護(hù)互相配合。 （三）過電壓保護(hù)和低電壓保護(hù) 電容器可能出現(xiàn)的過電壓有工頻過電壓，操作過電壓和雷擊過電壓三種。當(dāng)系統(tǒng)電壓超過電容器的最高允許電壓時，內(nèi)部游離增大，可能發(fā)生局部放電。為了保護(hù)電容器在不超過最高允許電壓下運行，一般采取過電壓保護(hù)。繼電器的整定值為電容器額定電壓的1.11.2倍。當(dāng)變電所只有一組電容器時，可作用與跳閘；始有兩組電容器，可動作于信號或切除一組電容器，當(dāng)電壓仍不能降低時，再切除其余電容器。 當(dāng)電容器組采用不重然開關(guān)時，操作過電壓很低，不需要特殊保護(hù)。雷電過電壓一般由變電所內(nèi)的避雷器保護(hù)。當(dāng)

14、電容器組需要裝設(shè)避雷器時，最好采用無間隙氧化鋅避雷器。該避雷器當(dāng)電壓達(dá)到保 護(hù)值時就放電，避雷器中只通過足以維持這一電壓的電流，能量吸收比普通避雷器要小。 當(dāng)母線電壓降低到額定值锝60%時，低電壓保護(hù)繼電器動作，將電容器組切除 四 電容器故障現(xiàn)象（一）瓷套管及外殼滲漏油 電容器是全密封的電氣設(shè)備，由于制造工藝、運輸?shù)仍?，出現(xiàn)滲漏油，導(dǎo)致套管內(nèi)部受潮，絕緣電阻降低。隨著電容器運行電壓、溫度等變化，內(nèi)部壓力增加，滲漏油更為嚴(yán)重。滲漏油部位多發(fā)生在瓷套管與金屬外殼的聯(lián)接處以及金屬外殼的焊接縫等處。（二）瓷絕緣表面放電閃絡(luò) 電容器在運行中若缺乏定期清掃和維護(hù)，其瓷絕緣表面因污穢嚴(yán)重，在電網(wǎng)出現(xiàn)內(nèi)、外

15、過電壓和系統(tǒng)諧振的情況下導(dǎo)致絕緣擊穿，局部放電，造成瓷套管閃絡(luò)破損，響聲異常。（三）外殼鼓肚 當(dāng)電容器內(nèi)部元件發(fā)生故障擊穿時，介質(zhì)中將通過很大的故障電流，電流產(chǎn)生的電弧和高溫使浸漬劑游離而分散產(chǎn)生大量氣體，使得電容器內(nèi)部壓力增大，導(dǎo)致其外殼膨脹鼓肚。這是運行中電容器故障的征兆，應(yīng)及時處理，避免故障的蔓延擴(kuò)大。（四）電容器爆炸 電容器爆炸是一種惡性事故。當(dāng)電容器內(nèi)部元件故障擊穿造成電容器極間貫穿性短路時，與其并聯(lián)運行的其他電容器將對故障電容器充電，如果注入故障電容器的能量超過其外殼所能承受的爆破能量，則電容器爆炸當(dāng)電弧點燃的液體介質(zhì)溢流時，還會造成火災(zāi)：針對上述電容器的故障和異常現(xiàn)象，對運行中的

16、電容器應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)視其運行電壓、電流和周圍的環(huán)境溫度。按期進(jìn)行巡視檢查、定期維護(hù)，發(fā)生故障時，應(yīng)立即退出運行，及時通知檢修部門來處理。五 電容器故障原因分析及對策（一） 運行電壓過高 電容器的運行電壓是指電容器所接變電所母線的系統(tǒng)電壓，它直接影響電容器的壽命和出力。運行中電容器內(nèi)部的有功功率損耗由其介質(zhì)損失和導(dǎo)體電阻損失二部分組成，而介質(zhì)損失占電容器總有功功率損耗98%以上，其大小與電容器的溫升有關(guān)，可用下式表示： P=Qtan=CU2tan&10-3式中：P電容器的有功功率損耗(kW)，Q電容器的無功功率(kvar)；tan& 介質(zhì)損失角正切值電網(wǎng)角頻率(rads)；C 電容器的電容量(F)；U

17、電容器的運行電壓(kV)。 由公式可知。電容器的有功功率損耗和電容器輸出的無功功率大小均與電容器的運行電壓的平方成正比。隨著電容器的運行電壓增高，電容器的有功功率損耗增加很快。溫度迅速升高，變壓器絕緣壽命降低。特別是在工頻過電壓下長時間運行，電容器損壞更快。因此，電容器需裝設(shè)較完善的工頻過電壓保護(hù)。（二） 運行溫度過高 環(huán)境溫度對電容器的運行溫度影響很大。有試驗表明，當(dāng)溫度升高10，電容器的電容量下降速度將加快一倍。電容器長期處于高電場強(qiáng)度和高溫下運行將引起絕緣介質(zhì)老化和介質(zhì)損失角&的增大，使電容器內(nèi)部溫升超過允許值而發(fā)熱，縮短電容器的使用壽命，嚴(yán)重時，在高電場強(qiáng)度作用下導(dǎo)致電容器熱擊穿而損壞

18、。為了防止電容器因運行溫度過高導(dǎo)致絕緣壽命降低、電容量下降，運行中應(yīng)隨時監(jiān)視和控制其環(huán)境溫度，盡可能采用強(qiáng)迫通風(fēng)，改善電容器的散熱條件。周圍環(huán)境溫度超過+30時應(yīng)開啟通風(fēng)裝置，空氣溫度在+40時，電容器外殼溫度不得超過+55；空氣溫度超過+40時電容器應(yīng)停止運行。（三） 高次諧波引起過電流 (1)高次諧波對電容器的危害 近年來，隨著大型電弧爐、整流設(shè)備、家用電器等非線性用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，各種諧波源產(chǎn)生的高次諧波電流注入電網(wǎng)，從而引起電力系統(tǒng)的電壓和電流波形的嚴(yán)重畸變。這些畸變的電壓和電流將對電容器造成更大危害。 流入電容器的諧波疊加在電容器的基波上，如果電容器容抗與系統(tǒng)感抗相匹配構(gòu)成諧振，此

19、諧振對高次諧波產(chǎn)生放大作用，致使電容器過電流和過電壓，嚴(yán)重時可引起電容器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)局部放電，導(dǎo)致電容器鼓肚損壞，甚至使裝置無法正常投入運行。 (2)限制高次諧波的措施 對于電網(wǎng)中影響到電容器安全運行的諧波源，應(yīng)通過諧波測試及諧波響應(yīng)分析找出該諧波源，根據(jù)諧波源產(chǎn)生的原因采取相應(yīng)的措施。目前，最有效的辦法是在電容器的回路中裝設(shè)適當(dāng)參數(shù)的串聯(lián)電抗器或阻尼式限流器來限制電網(wǎng)諧波。在選擇電抗器參數(shù)時，避免回路的容抗與系統(tǒng)感抗匹配產(chǎn)生諧振。在電力系統(tǒng)中，三相電壓波形是對稱的，所以諧波中無偶次諧波分量，高次諧波主要是奇次分量。在中性點絕緣系統(tǒng)中，3次諧波不能構(gòu)成回路，因此，只要重點考慮5次諧波分量對電

20、容器的影響。考慮到感抗值應(yīng)有一定的裕度，所以一般取可靠系數(shù)為1215。串聯(lián)電抗器的電抗值應(yīng)按下式選擇： XL=1.5X/n2=1.5Xc/52=0.6XC式中：XL串聯(lián)電抗器感抗（） Xc電容器容抗（） n 諧波次數(shù) 目前，在110KV及以下變電所內(nèi)，通常裝設(shè)4.5%6%的串聯(lián)電抗器或采用小電抗值的阻尼式限流器方式，使得補(bǔ)償電容器回路的諧波總阻抗呈現(xiàn)感性，抑制5次及以上諧波而又不致對3次諧波過量放大或引起諧振。此外，它還能夠限制電容器組的合閘涌流沖擊，減小電容器回路開斷時所產(chǎn)生的過電壓。（四） 開斷電容器組引起操作過電壓 (1)操作過電壓的形成 目前，用于操作10k v電容器組的斷路器多采用真

21、空斷路器。但真空斷路器在合閘時觸頭存在彈跳現(xiàn)象，因而容易發(fā)生合閘過電壓，過電壓的峰值一般比較低，對電容器影響不大。由于電容器操作頻繁，特別是當(dāng)開斷電容器組時，有可能造成電容器重燃或重?fù)舸┮疠^高的過電壓。重燃過電壓一般指的是電弧熄滅后，在工頻電壓相位角為090。范圍內(nèi)電弧復(fù)燃；重?fù)舸┦侵笧?0。180。范圍內(nèi)電弧復(fù)燃。電弧復(fù)燃會產(chǎn)生過電壓，計算和實測表明：開斷電容器組時單相重?fù)舸┏霈F(xiàn)于電容器高壓側(cè)的對地過電壓可達(dá)40Pu(1，0Pu等于合閘后電容器極間穩(wěn)態(tài)電壓峰值)以上，兩相重?fù)舸r電容器極間過電壓超過2.52Un超出國家標(biāo)準(zhǔn)高壓并聯(lián)電容器(GB3983289)中523的規(guī)定，即電容器極間可以

22、承受工頻交流電壓為2.15Un所以真空斷路器重?fù)舸┻^電壓對電容器及電網(wǎng)中其他設(shè)備的絕緣是有害的，必須采取有效的保護(hù)措施來限制操作過電壓。 (2)限制操作過電壓的保護(hù)措施 運行經(jīng)驗表明，電容器組故障與電容器的配套設(shè)備質(zhì)量有關(guān)，尤其是與開關(guān)質(zhì)量的好壞及氧化鋅避雷器動作特性的好壞密切相關(guān)。為了防止重燃或重?fù)舸┊a(chǎn)生的過電壓危害，必須提高斷路器的觸頭分閘速度，提高觸頭間的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，減少重?fù)舸┑陌l(fā)生。因此，用作開斷電容器組的真空開關(guān)，一定要選用銅鉻合金觸頭的無重燃的真空斷路器，必要時應(yīng)向廠方申明，要求對真空管經(jīng)過“運行老煉”工藝處理或作出質(zhì)量保證?？紤]到變電所母線上的電容器組投切操作頻繁，真空斷路器難免發(fā)生重?fù)舸┒a(chǎn)生很高的操作過電壓，危及電容器組設(shè)備的安全運行，故電容器補(bǔ)償裝置必須裝設(shè)無間隙氧化鋅避雷器來限制過電壓幅值。（五）電源斷開引起失壓 運行中的電容器如果突然失去電壓，電容器本身并不會損壞，可能產(chǎn)生以下兩個后果：其一，變電所因電源側(cè)瞬時跳閘或主變壓器斷開，若電容器仍接在母線上，當(dāng)電源重合閘或備用電源自動投入將造成電容器帶負(fù)荷合閘，以致使電容器過電壓而損壞。其二，當(dāng)變電所失電