一起66kv高壓并聯(lián)電容器故障分析

一起66kv高壓并聯(lián)電容器故障分析

0高壓電容器運(yùn)行狀況在能源系統(tǒng)中，高壓聯(lián)壓電壓的應(yīng)用非常廣泛。這是提高電網(wǎng)的參考率、提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量、補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功率的主要形式。因此，高壓電壓電壓的運(yùn)行非常重要。本文針對(duì)某變電站的66kV組合高壓電容器的事故全過(guò)程進(jìn)行分析,希望對(duì)類似事故的分析和處理有所參考。1電容器組中性點(diǎn)變電站66kV電容器組,是某供電公司于2005年1月訂貨,供貨范圍包括框架和成套其它配套件,供貨數(shù)量為2套,單臺(tái)電容器型號(hào)為BAMR21-334-1W,熔斷器型號(hào)為BRW-20/24A,2006年1月試運(yùn)行,5月24日正式投入運(yùn)行。設(shè)備運(yùn)行電壓為:額定電壓66kV,最高運(yùn)行電壓72.5kV;電容器組額定電壓66kV,電容器額定電壓21kV。裝置接線形式為每相5并2串結(jié)構(gòu),串聯(lián)段的1/2電位接框架,單星形中性點(diǎn)不接地方式。采用66kV絕緣支撐的雙層單列形式,電抗率為6%,型號(hào)為CKWK-1-200/21×2-6%串聯(lián)電抗器置于中性點(diǎn)側(cè)絕緣支撐上。電容器組的保護(hù)方式有:①一級(jí)保護(hù):電容器外熔斷器保護(hù);②二級(jí)保護(hù):單星形不等臂橋差不平衡電流保護(hù)(0.51A/0.25s,電流互感器比差為100∶5);③三級(jí)保護(hù):過(guò)電流保護(hù)(過(guò)流Ⅰ段5.96A/0s,過(guò)流Ⅱ段3.97A/0.5s),電流互感器設(shè)置于電容器組斷路器進(jìn)線側(cè),比差為400/5;過(guò)電壓保護(hù)(115V/0.25s),過(guò)電壓自切保護(hù)(115V/100s),電壓互感器比差為660∶1。2電容器返廠解體檢查第一次故障發(fā)生于2006年8月21日,運(yùn)行人員在巡視中發(fā)現(xiàn)1#電容器組的5#、16#高壓熔斷器動(dòng)作,檢查后發(fā)現(xiàn):1#電容器組損壞10臺(tái),2#電容器組損壞7臺(tái),A、B、C三相均有電容器損壞。第二次故障發(fā)生于2007年6月7日20點(diǎn)55分,運(yùn)行中的10Mvar1#電容器組斷路器跳閘,過(guò)流Ⅰ段繼電保護(hù)速斷動(dòng)作,將發(fā)生故障的1#電容器組切除?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)1#電容器組損壞14臺(tái),2#電容器組損壞7臺(tái),A、B、C三相均有電容器損壞。鑒于該電容器組在不到1年的時(shí)間出現(xiàn)2次嚴(yán)重故障,所以決定將該電容器組出現(xiàn)問(wèn)題的電容器返廠解體檢查。本次從21臺(tái)故障電容器中選取了具有代表性的4臺(tái)電容器(15#、18#、34#、68#)進(jìn)行解剖分析。其中18#電容器有2個(gè)串聯(lián)段損壞(損壞段數(shù)最少);15#電容器有13個(gè)串聯(lián)段損壞(全擊穿);68#電容器有13個(gè)串聯(lián)段損壞(全擊穿并且本體變形嚴(yán)重);34#電容器有4個(gè)串聯(lián)段損壞。解體分析結(jié)果如表1所示。因?yàn)?8#電容器與15#電容器都是全擊穿,因此將15#電容器的所有元件進(jìn)行了查看,而68#電容器只對(duì)心子進(jìn)行了查看。根據(jù)解剖的電容器元件,故障點(diǎn)的情況可以歸納出4種:1)內(nèi)擊穿。從元件內(nèi)部向外擊穿,特點(diǎn)是外表?yè)舸c(diǎn)小,里面擊穿點(diǎn)越來(lái)越大(多層),且呈現(xiàn)大面積燒熔狀態(tài)。如果內(nèi)擊穿沒(méi)有發(fā)展到表面時(shí),外表面只能看出表面有凸起;如果內(nèi)擊穿發(fā)展到表面時(shí),會(huì)出現(xiàn)規(guī)則、較為干凈的擊穿點(diǎn)。2)外擊穿。從元件外部向內(nèi)擊穿,特點(diǎn)是外表呈現(xiàn)大面積燒熔狀態(tài),里面擊穿點(diǎn)越來(lái)越小(多層)至沒(méi)有。3)帶擊穿。當(dāng)元件內(nèi)擊穿到外表面或外擊穿時(shí),其臨近元件外表面絕緣被破壞發(fā)生擊穿現(xiàn)象。特點(diǎn)是擊穿層數(shù)很少(基本只有2層、3層),除最外層表面出現(xiàn)明顯的燒熔痕跡外,其它層沒(méi)有燒熔痕跡,擊穿點(diǎn)也很小。4)全擊穿。特點(diǎn)是擊穿點(diǎn)基本全被燒熔,元件間絕緣紙被燒壞,出現(xiàn)大面積跨元件的燒熔現(xiàn)象。出現(xiàn)上述情況是由于擊穿發(fā)展的情況不同及擊穿時(shí)的能量不同所造成的。3錯(cuò)誤分析3.1聚丙烯薄膜的工藝及性能首先是關(guān)于電容器產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的分析,要確定產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上是否存在問(wèn)題。因此,要求廠家技術(shù)人員介紹了該型號(hào)電容器的系統(tǒng)參數(shù)(單臺(tái)電容器的額定電壓、電容等參數(shù))、電容器內(nèi)元件參數(shù)(聚丙烯膜的厚度、電場(chǎng)強(qiáng)度等)的設(shè)計(jì)情況。其次,結(jié)合DL/T840、GB/T11024及廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求,對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行的對(duì)比,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的問(wèn)題。3.2電容元件表面褶皺的產(chǎn)生其次,根據(jù)故障電容器進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)工藝質(zhì)量分析。從解剖的電容器元件可以明顯看出電容元件表面有很多明顯的褶皺,多數(shù)元件的擊穿點(diǎn)發(fā)生在褶皺處。關(guān)于褶皺的產(chǎn)生,廠家技術(shù)人員解釋該類情況發(fā)生在全膜電容器元件的卷制過(guò)程中。在卷制過(guò)程中,因?yàn)槟さ膹埩εc鋁箔的張力不同,因此容易發(fā)生褶皺,該種情況很難完全杜絕。3.3相鄰元件外表面電極反極性的情況全膜電容器主要有兩種基本結(jié)構(gòu),如圖1所示。一種是隱箔式結(jié)構(gòu),也叫引線片式結(jié)構(gòu),如圖1(a);另一種是凸箔式結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示,現(xiàn)在隱箔式結(jié)構(gòu)已較少采用。本次故障電容器元件采用的是凸箔式帶折邊的結(jié)構(gòu)。該廠在引出上下電極后,各并聯(lián)元件電極的焊接上,沒(méi)有區(qū)分上下電極。這樣在并聯(lián)元件中存在相鄰元件外表面電極反極性的情況,即極間電壓。但因?yàn)樵擃愋碗娙萜髟g纏繞了多層聚丙烯薄膜,厚度上遠(yuǎn)多于上下電極間的兩層薄膜,即使并聯(lián)元件中存在相鄰元件外表面電極反極性的情況,在正常情況也不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。但在非正常情況下,如該處出現(xiàn)擊穿點(diǎn)時(shí),就可能會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)大擊穿點(diǎn)問(wèn)題,即形成元件帶擊穿或外擊穿的情況。當(dāng)然,當(dāng)擊穿點(diǎn)能量較大時(shí),直接會(huì)出現(xiàn)元件帶擊穿或外擊穿的情況。如果各并聯(lián)元件電極焊接時(shí)區(qū)分上下電極,則相鄰元件外表面電極電位相同,不會(huì)存在電位差,這樣會(huì)降低在元件外表面或?qū)娱g首先出現(xiàn)故障點(diǎn)的概率。3.4貫穿性擊穿時(shí)的故障故障電容器采用外熔絲結(jié)構(gòu)。從最近一次故障現(xiàn)象分析:故障發(fā)生后,在A相、C相框架和外絕緣子存在電弧放電現(xiàn)象,A相、C相在各自的二個(gè)串聯(lián)段中都有部分電容器發(fā)生了貫穿性擊穿,導(dǎo)致外熔斷器群爆。據(jù)了解在故障發(fā)生前,系統(tǒng)并未發(fā)現(xiàn)異常情況,也就是說(shuō)有電容器在正常工況下發(fā)生了擊穿現(xiàn)象,并且該臺(tái)電容器的外熔絲未能及時(shí)斷開電容器,使其它電容器過(guò)電壓情況運(yùn)行導(dǎo)致故障擴(kuò)大,最終形成熔絲群爆。外熔絲的設(shè)計(jì)就是要防止因?yàn)閱闻_(tái)電容器發(fā)生擊穿而導(dǎo)致故障擴(kuò)展到與其并聯(lián)的其它電容器上。顯然,在故障發(fā)生時(shí),先有一臺(tái)電容器發(fā)生擊穿后,其外部熔斷器非但沒(méi)有斷開,還很有可能發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象而導(dǎo)致裝置出現(xiàn)過(guò)電壓放電和其它電容器元件擊穿,因此,可以認(rèn)為外熔絲存在缺陷。3.5電容器串聯(lián)段電壓及電流增加的問(wèn)題故障電容器單臺(tái)結(jié)構(gòu)為4并13串,如圖2所示。當(dāng)一個(gè)串聯(lián)段中有一個(gè)元件發(fā)生擊穿時(shí),本串聯(lián)段因這一元件擊穿而被短路失效,則該臺(tái)電容器電容增大8.33%,其它12個(gè)串聯(lián)段電壓及電流可能會(huì)增加8.33%(考慮阻抗變化情況,其增加值應(yīng)低于8.33%)。對(duì)于完好的電容器元件,即使每個(gè)串聯(lián)段承擔(dān)電壓及電流增加約8.33%,一般也不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題(我省在電容器標(biāo)書技術(shù)協(xié)議中,曾要求電容器在設(shè)計(jì)上允許110%電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行)。但是對(duì)于已擊穿的全膜電容器其它完好元件在電壓增加約8.33%的情況下不能保證不影響安全運(yùn)行,所以,該種情況下不能允許電容器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,防止故障擴(kuò)大。3.6電容器組差流保護(hù)定值的確定從本次故障保護(hù)的時(shí)間記錄上看,故障電流8.41A,過(guò)電流Ⅰ段保護(hù)啟動(dòng)的時(shí)間為0ms,即電容器組形成短路故障時(shí)間小于橋差不平衡電流保護(hù)時(shí)間0.25s,因此,在一、二級(jí)保護(hù)均未發(fā)生動(dòng)作之前,就已經(jīng)形成了越級(jí)故障,因而第三級(jí)保護(hù)動(dòng)作切除了電容器組,因此該組電容器的差流保護(hù)的定值需要修改,并按定值計(jì)算公式在過(guò)電壓水平達(dá)到1.1倍時(shí),計(jì)算電流互感器的二次電流為0.56A左右?？紤]到電容器電容誤差對(duì)初始不平衡的影響,對(duì)保護(hù)的靈敏度和可靠性的影響,初始不平衡定值宜取0.4A。3.7發(fā)揮第二大因素作用從損壞現(xiàn)場(chǎng)的觀察中能看出,在故障發(fā)生后未有貫穿性擊穿,B相經(jīng)檢查有部分電容器內(nèi)部發(fā)生元件絕緣的擊穿。A相、C相框架和外絕緣子存在電弧放電現(xiàn)象,同時(shí)A相、C相在各自的兩個(gè)串聯(lián)段中都有部分電容器發(fā)生了貫穿性擊穿,也就是說(shuō)在電容器組回路的B相、C相已經(jīng)形成了部分貫穿性的短路回路。第一次故障發(fā)生前由于未檢出故障繼續(xù)運(yùn)行,導(dǎo)致完好電容器及元件在大于規(guī)定允許的過(guò)電壓下運(yùn)行,此時(shí)電氣絕緣受到損傷,在后繼的運(yùn)行中,受損傷的內(nèi)絕緣繼續(xù)劣化,并且由于第一次故障時(shí)保護(hù)不動(dòng)作的原因存在,在此雙重因素的影響下,故障被擴(kuò)大,劣化的絕緣在運(yùn)行中發(fā)生貫穿性擊穿,短路電流流過(guò)外部熔斷器最終在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生群爆。從現(xiàn)場(chǎng)檢查的情況也基本能證實(shí)這一點(diǎn),1#電容器組第二次故障損壞的14臺(tái)電容器中,僅有2臺(tái)是第一次故障后更換的,而這2臺(tái)電容器內(nèi)絕緣均未損壞,僅由于外熔斷器群爆而導(dǎo)致漏油和套管破裂,但也不排除外部熔斷器存在質(zhì)量問(wèn)題,在電容器發(fā)生元件絕緣擊穿或絕緣子外部電弧閃絡(luò)時(shí),不能有效隔離故障點(diǎn),從而發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象,導(dǎo)致裝置出現(xiàn)過(guò)電壓放電和電容器元件擊穿的可能性。4次故障及應(yīng)對(duì)策略通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電容器的解剖、對(duì)廠家生產(chǎn)工藝的了解及上述原因分析,可以認(rèn)為故障的發(fā)生主要是由于:1)第一次故障的發(fā)生是由于個(gè)別產(chǎn)品存在的絕緣缺陷,經(jīng)運(yùn)行后發(fā)生元件擊穿電容變化,由于保護(hù)設(shè)置的靈敏度、可靠性等原因而未能早期檢出絕緣受損的產(chǎn)品,繼續(xù)運(yùn)行后受損產(chǎn)品的絕緣進(jìn)一步劣化擊穿,一些完好產(chǎn)品也在重新分配后的過(guò)電壓下運(yùn)行,使更多產(chǎn)品的絕緣受到損傷。在第二次故障發(fā)生時(shí)電容器元件貫穿性擊穿及外部電弧放電,母線相間形成非金屬性短路,大電流通過(guò)時(shí)發(fā)生外熔斷器群爆,部分電容器鼓肚和套管碎裂;2)第二次故障可能是由于外熔斷器的性能不良,在需要其動(dòng)作時(shí),發(fā)生電弧重燃過(guò)電壓,導(dǎo)致裝置發(fā)生群爆,大量電容器損壞的故障發(fā)生。因此本次故障的發(fā)生是在一定偶然性下的必然性,是在多個(gè)因素共同作用下發(fā)生的,因此建議:1)電容器的制造中要加強(qiáng)質(zhì)量管理和各種型式試驗(yàn);2)預(yù)試規(guī)程DL/T596