農(nóng)村變電所并聯(lián)電容器損壞事故分析及改進(jìn)

1、農(nóng)村變電所并聯(lián)電容器損壞事故分析及改進(jìn)摘要：本文從當(dāng)前農(nóng)村變電所電容器運(yùn)行和設(shè)計(jì)中存在的幾個(gè)典型案例入手，著重從電容器保護(hù)配置、投切電容器的斷路器選擇、電網(wǎng)諧波、電網(wǎng)運(yùn)行電壓等四個(gè)方面簡(jiǎn)述了易引起電容器損壞的原因，并提出了改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞： 變電所，并聯(lián)電容器，事故分析，改進(jìn)引言近幾年，并聯(lián)電容器作為電力系統(tǒng)功率因數(shù)提高和母線電壓調(diào)整的補(bǔ)償裝置，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到變電所當(dāng)中，并在提高電網(wǎng)供電能力、電能質(zhì)量和降低網(wǎng)絡(luò)損耗等方面發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯。但目前，用于變電所集中補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)電容器損壞和爆炸事故時(shí)有發(fā)生，成為影響電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素。因此很有必要對(duì)農(nóng)村變電所無(wú)功補(bǔ)償電容器在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中

2、存在的問(wèn)題進(jìn)行剖析，并制定切實(shí)可行的措施。1 電容器保護(hù)裝置配置不合理導(dǎo)致電容器損壞1.1 典型案例目前，大多數(shù)變電所電容器的保護(hù)方式主要采用熔斷器保護(hù)。但當(dāng)電容器內(nèi)部元件嚴(yán)重?fù)舸┊a(chǎn)生故障電流時(shí)，熔絲不能及時(shí)熔斷，同時(shí)，有效的繼電保護(hù)措施未跟上，過(guò)電流使電容器內(nèi)部的溫度急劇上升，導(dǎo)致電容器脹裂或爆炸。1.2 原因分析熔斷器不能阻止單只電容器的爆裂和爆炸，原因是單只高壓電力電容器內(nèi)部是由多個(gè)小單元電容器串聯(lián)而成，額定電壓就分配在幾個(gè)單元電容器上，某只電容器損壞時(shí)，首先是內(nèi)部一個(gè)單元電容發(fā)生擊穿損壞，使剩下的單元電容運(yùn)行電壓升高。這時(shí)電流增大很小，熔斷器不能熔斷保護(hù)。電容器繼續(xù)運(yùn)行，由于每個(gè)單元電

3、容的運(yùn)行電壓很高，很快又出現(xiàn)第二個(gè)單元電容擊穿損壞，剩下單元電容運(yùn)行電壓又被提高，這時(shí)的熔斷器還不能熔斷，此時(shí)電容器有可能已經(jīng)出現(xiàn)鼓肚，重者出現(xiàn)鼓裂、漏油。這樣繼續(xù)運(yùn)行下去，很可能會(huì)造成這只電容器由鼓肚、鼓裂、漏油到爆炸起火。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和對(duì)多起被燒毀電容器的解體分析證明，電容器的爆炸起火一般僅是某一只爆炸起火所引起的，而某一只電容器的爆炸起火，又是因電容器內(nèi)部幾個(gè)串聯(lián)單元中有被擊穿損壞的單元不能被發(fā)現(xiàn)繼續(xù)運(yùn)行造成的，雖然故障發(fā)展到爆炸起火的惡性事故，但故障過(guò)程中電流依然增大很少，熔斷器和一般的過(guò)流保護(hù)是在事故發(fā)生以后才動(dòng)作，可是事故已經(jīng)發(fā)生了。所以，在設(shè)備安全運(yùn)行上如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)電容器的早

4、期故障，發(fā)現(xiàn)故障后盡快的把故障電容器切掉，是保證高壓無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安全運(yùn)行、避免爆炸事件發(fā)生的根本條件。1.3 改進(jìn)措施電容器保護(hù)裝置設(shè)計(jì)中可設(shè)有故障和事故兩種保護(hù)。故障保護(hù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電容器的早期擊穿故障，避免由故障發(fā)展到事故狀態(tài)。事故保護(hù)能避免事故擴(kuò)大向上一級(jí)蔓延?？赏ㄟ^(guò)外熔絲加微機(jī)保護(hù)作為電容器的主保護(hù)。熔斷器作為事故保護(hù)，采用相電壓式零序微機(jī)保護(hù)（單組電容器容量較小時(shí)），或電壓差動(dòng)微機(jī)保護(hù)（單組電容器容量較大時(shí)）作為故障保護(hù)。熔斷器的熔絲額定電流選擇，不應(yīng)小于電容器額定電流的1.43倍，并不宜大于額定電流的1.55倍。電容器微機(jī)保護(hù)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)電壓不平衡保護(hù)、母線過(guò)電壓保護(hù)、母線失壓保護(hù)、過(guò)負(fù)

5、荷保護(hù)、速斷保護(hù)和過(guò)流保護(hù)等。1段過(guò)流保護(hù)和2段過(guò)流保護(hù)過(guò)電流的整定值整定在額定電流的1.251.45倍，并與時(shí)間定值配合使故障保護(hù)更加可靠，保證設(shè)備安全運(yùn)行，使電容器有鼓脹發(fā)生時(shí)不會(huì)發(fā)生爆炸著火事故。另外，當(dāng)電容器內(nèi)部某個(gè)小單元電容發(fā)生擊穿短路時(shí)，電流雖然變化很小但零序電壓變化卻很明顯，每組電容器的零序電壓是由并聯(lián)在每相電容器上的PT構(gòu)成開(kāi)口三角檢出的，不受任何外界及電源不平衡的影響，只有電容器組三相容量發(fā)生不平衡時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，所以這種保護(hù)能準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)現(xiàn)電容器的早期故障，盡快的把故障電容器切除掉，避免爆炸事件的發(fā)生。2 電容器投切開(kāi)關(guān)采用普通斷路器導(dǎo)致電容器損壞2.1 典型案例目前，部分變電

6、所投切電容器組的斷路器多采用分、合普通負(fù)載的斷路器，但在合閘時(shí)的觸頭彈跳，分閘時(shí)電弧重燃等原因，產(chǎn)生幅值較高的內(nèi)過(guò)電壓，造成電容元件介質(zhì)擊穿。2.2 原因分析2.2.1首先投切電容器時(shí)有涌流。在電容器投入瞬間會(huì)產(chǎn)生涌流，其頻率約為250-4000Hz。單獨(dú)一組電容器的合閘涌流約為額定電流的5-15倍，大小取決于系統(tǒng)電源的阻抗和電容器容量的大??；多組電容器逐級(jí)投入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生追加合閘涌流，約為電容器額定電流的25-250倍，大小主要取決于已投入電容器組與追加電容器組間的阻抗。即使裝有串聯(lián)電抗器合閘涌流仍在數(shù)倍以上。2.2.2其次切電容器時(shí)有過(guò)電壓。切電容器時(shí)，開(kāi)關(guān)觸頭間隙上的電壓約為2-3倍額定電

7、壓，一般情況下，電容器都串有電抗器，在分閘的瞬間都帶有復(fù)雜的振蕩，所以在分閘后的瞬間加在開(kāi)關(guān)觸頭間隙上電壓可能是幾倍額定電壓。2.2.3頻繁動(dòng)作。自動(dòng)補(bǔ)償裝置中的投切開(kāi)關(guān)每天可能分合幾次甚至十幾次，比普通負(fù)載用的高壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁。2.3 改進(jìn)措施投切電容器的開(kāi)關(guān)在投電容器時(shí)開(kāi)關(guān)觸頭要承受的電流是額定電流的幾倍或幾十倍甚至幾百倍，切電容器開(kāi)關(guān)觸頭承受的電壓是額定電壓的兩倍以上，這都是普通負(fù)載開(kāi)關(guān)合閘分閘時(shí)沒(méi)有的現(xiàn)象，所以在選擇或設(shè)計(jì)投切電容器的開(kāi)關(guān)時(shí)除了要求將投(切)開(kāi)關(guān)的容量選得比并聯(lián)電容器組的容量大35%左右以外，還必須滿足：(1)觸頭的承受電流要盡量大，觸頭壓力不能太小，以承受合閘涌流的沖

8、擊，減少觸頭燒損；(2)開(kāi)關(guān)的觸頭間隙要盡量大，以承受分閘時(shí)的過(guò)電壓，避免重燃。(3)適合頻繁動(dòng)作。為了減少開(kāi)關(guān)設(shè)備的投資和投切次數(shù)，以降低操作過(guò)電壓的機(jī)率，在運(yùn)行條件能滿足時(shí)，電容器的單組容量應(yīng)爭(zhēng)取大一些，組數(shù)少一些。3 電網(wǎng)諧波超標(biāo)引起的電容器損壞3.1 典型案例電網(wǎng)的諧波超標(biāo)引起過(guò)電流，使電容器過(guò)熱、絕緣降低導(dǎo)致?lián)p壞。3.2 原因分析當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過(guò)電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對(duì)于膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器，雖然允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)損耗功率的1.38倍；對(duì)于全膜電容器允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)的1.43倍，但如果諧波含量較高，超

9、出電容器允許條件，就會(huì)使電容器過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷，損耗功率超過(guò)上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場(chǎng)和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì)加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí)，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴(kuò)大現(xiàn)象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強(qiáng)度大，對(duì)絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來(lái)說(shuō)，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。在諧波嚴(yán)重的情況下，還會(huì)使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。3.2 改進(jìn)措施在電網(wǎng)中有許多諧波源存在，如果在設(shè)置并聯(lián)電容器的網(wǎng)點(diǎn)處諧波過(guò)大，若直接投入并聯(lián)電容器，往往會(huì)使

10、電網(wǎng)中的諧波更大，對(duì)并聯(lián)電容器的安全造成極大的威脅。采取裝設(shè)串聯(lián)電抗器的方法，能夠有效地抑制諧波分量及涌流的發(fā)生，對(duì)保證并聯(lián)電容器的安全運(yùn)行具有明顯的效果。有條件的地方應(yīng)事先對(duì)并聯(lián)電容器安裝處的諧波分量進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定所需安裝的串聯(lián)電抗器容量。串聯(lián)電抗器的設(shè)置容量，也可根據(jù)所裝設(shè)的并聯(lián)電容器容量直接確定。串聯(lián)電抗器的電抗率選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）僅用于限制涌流時(shí)，電抗率宜取0.1%1%。（2）用于抑制諧波，當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時(shí)，宜取6%；當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時(shí)，宜取12%；亦可采用4.5%6%與12%兩種電抗率。另外，對(duì)僅

11、考慮抑制5次以上諧波放大問(wèn)題的場(chǎng)所(即電抗器容量為電容器容量的6%)，還應(yīng)注意防止對(duì)3次諧波的放大問(wèn)題，通常認(rèn)為3n次諧波分量由于在Y結(jié)線變壓器的繞組中環(huán)流短路在系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)，實(shí)際上由于變壓器三相磁路的不對(duì)稱，電源電壓和負(fù)荷的不平衡，三相鐵心的飽和程度不同，各相產(chǎn)生的三次諧波的大小及相位也不相同，所以變壓器繞組側(cè)的線電壓及線電流中仍存在三次諧波分量，其幅值的比例不小，對(duì)6串聯(lián)電抗率的電容器組往往可能產(chǎn)生諧波放大。4 運(yùn)行電壓偏高易引起電容器損壞4.1 典型案例部分變電所電容器運(yùn)行電壓偏高，超過(guò)額定電壓的1.1倍，造成電容器內(nèi)部介質(zhì)局部放電，使介質(zhì)受到損害，造成介損增大，產(chǎn)生局部過(guò)熱，并發(fā)展成

12、絕緣擊穿。4.2 原因分析由于電容器的功率損耗和發(fā)熱量與電壓的平方成正比（Q=CU2），如電網(wǎng)電壓偏高，加之環(huán)境濕度過(guò)高，散熱困難，在較長(zhǎng)時(shí)間的高溫、高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，絕緣加速老化，將導(dǎo)致電容元件擊穿。擊穿后，不但擊穿相電流增大，而且并聯(lián)的其他電容器向擊穿的電容器放電，使該電容器產(chǎn)生劇熱，從而絕緣油分解產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致箱殼、瓷導(dǎo)管爆炸。另外，諧波過(guò)電壓與操作過(guò)電壓能直接引起電容器爆炸。4.3 改進(jìn)措施嚴(yán)格控制運(yùn)行電壓 。并聯(lián)電容器的運(yùn)行電壓，必須嚴(yán)格控制在允許范圍之內(nèi)。即并聯(lián)電容器的長(zhǎng)期運(yùn)行電壓不得大于其額定電壓值的10%，運(yùn)行電壓過(guò)高，將大大縮短電容器的使用壽命。所以，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行電壓的實(shí)際情況，合理選擇額定電壓值，使其長(zhǎng)期運(yùn)行電壓不大于電容器額定電壓值的1.1倍，當(dāng)然實(shí)際運(yùn)行電壓過(guò)低也是十分不利的，因?yàn)椴⒙?lián)電容器所輸出的無(wú)功功率是與其運(yùn)行電壓的平方成正比的。若運(yùn)行電壓過(guò)低，將使電容器輸出的無(wú)功功率減少，失去了裝設(shè)并聯(lián)補(bǔ)償電容器應(yīng)起的作用。所以在實(shí)際運(yùn)行中，一定要設(shè)法使并聯(lián)電容器的運(yùn)行電壓長(zhǎng)期保持在其額定電壓的95%105%，最高運(yùn)行電壓不得大于其額定電壓值的110%。  此外，并聯(lián)電容器的設(shè)備絕緣材料的質(zhì)量和工藝不當(dāng)、電容器的安裝凈距不夠、電容器安裝場(chǎng)所通風(fēng)散熱條件不好、電容器的日常運(yùn)行和維護(hù)不當(dāng)?shù)纫彩窃斐呻娙萜靼l(fā)生損壞或事故的原因。這就要求我