一起非典型濾波電容器事故分析

高　鵬，于旭東(.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京0；.大全集團有限公司，江蘇揚中)

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一起非典型濾波電容器事故分析

高鵬1，于旭東2
(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.大全集團有限公司，江蘇揚中212211)

摘要：濾波器是電力系統的重要無功補償和濾波設備，故積累相關的運行分析和事故處理案例，提高事故處理與運行維護能力，具有重要的意義。基于繼電保護故障錄波數據，對一起非典型的電力濾波電容器事故進行了過程分析和計算。并基于PSCAD/EMTDC和實際系統的電氣參數搭建了暫態仿真模型，對事故過程的分析和結論進行仿真模擬驗證。仿真的軌跡和數據與實際暫態故障錄波的數據特征基本一致，從而驗證了文中事故分析的有效性和正確性。最后對該事故案例的整改和運行維護提出了建設性的建議。

關鍵詞：電力電容器；濾波器；事故分析；過電流；跳閘；PSCAD/EMTDC

無功功率補償時，要根據負荷特性選擇合理的補償方案。目前變電站主流的無功補償設備有電容器、濾波器和動態無功補償SVC或SVG等[1-7]。隨著電力和工農業的發展，電力公司為改善功率因數而大量使用電力電容器或濾波器組等無功補償設備，以期實現無功的分片分區平衡，提高功率因數，降低線路損耗和電壓降落，提高電力運行效率。對于可產生諧波的負荷則既需要無功就地補償，也需要濾除諧波，提高綜合電能質量。此時就要采取濾波器去提供無功補償和濾除諧波的雙層功能。

本文通過對一起濾波電容器組的非典型燒毀事故過程的描述，對故障錄波數據進行分析和推斷，并基于電磁暫態仿真工具PSCAD/EMTDC和實際參數搭建仿真模型對事故過程推斷進行了仿真分析與驗證。仿真發現，仿真數據軌跡與數值基本與繼電保護中的故障錄波軌跡與大小一致，從而驗證了故障分析和結論的有效性和正確性。

1　事故過程

某國某不銹鋼廠35 kV升壓站內設有3組無功補償濾波器組，分別為3次、4次和5次濾波器支路，每個濾波器支路和35 kV斷路器皆配置過流保護，主接線如圖1所示。

對于該段母線的5次濾波器LC支路，每相的串聯電感值均為73.2 mH，對應工頻感抗約為23 Ω，電抗器串聯4只串聯電容器，每只電容器的型號皆為AAMr6.8-334-1W。

某日由于鋼廠運轉負荷較低，運行人員僅投入3組濾波器中的5次濾波器補償負荷無功，其他2組停運。當日小雨，5次濾波器發生了一次過流跳閘事故。運行人員去現場檢查后，發現濾波器組表面無異樣，以為是雨水導致，沒有做細致檢查和設備參數測試，繼續投運該5次濾波器。約幾分鐘后該5次濾波器組再次過流跳閘，同時現場發現電容器組有明火，5次濾波器支路發生爆炸燒毀事故。同時，電容器靠近中心一側發現由拉弧放電導致的電容器箱體燒損、絕緣子烤焦或爆炸。電容器箱體燒毀和電容器電極絕緣子烤焦或爆炸的現場圖片分別如圖2和圖3所示。

圖1　濾波器補償主接線圖

圖2　電容器箱體燒毀照片

圖3　電容器絕緣子電極燒毀照片

該A/B/C三相電容器組三組一字排列設計，每相安裝4臺電容器組，結構為一并四串，單星型連接，并由35 kV絕緣子支撐。5次濾波器支路距離該不銹鋼廠煉爐煙囪最近，現場運行環境惡劣，鐵礦石粉塵在電容器表面、套管、組架表面皆有粉塵積垢。因此初步分析，由于設備表面污穢導致電容器電極對絕緣子表面爬電并拉弧（現場電容表面有拉弧痕跡），電容器故障過流而導致保護設備跳閘。

2　事故分析

2.1第一次過流跳閘事故分析

為分析事故，調取第一次過流跳閘的開關柜保護錄波，電壓和電流的波形分別如圖4和圖5所示，其中TA變比為200 A/5 A。

圖4　35 kV母線電壓波形

圖5　開關柜電流波形

在開關跳閘前，電流波形的相位是滯后電壓的，濾波支路整體對工頻呈感性，且三相電流呈現50 Hz工頻正弦特性。電流的峰值取25 A左右，則折算至一次側電流的有效值約為707 A。故障期間，圖中二次線電壓的幅值約為116 V左右，配置的TV變比為35 kV/100 V，則線電壓約為28.7 kV。可計算出故障期間每相的阻抗值約為23.4 Ω。且可見開關跳閘前該支路阻抗值與串聯電抗器的基波感抗值基本一致。

經現場考察，現場施工隊將電容器組的等電位線在3/4處連接于電容器支架，電容器連接線示意圖如圖6所示。由于現場污穢嚴重且有拉弧放電跡象，可推斷，當串聯電抗器的出線對框架放電或與電抗器相連的第一個電容器進線套管與外殼污閃放電時，都相當于每相前3個電容器被短接。最后1個電容器將承受較高的電壓而被擊穿，造成電極與外殼短路。于是所有三相串聯電抗器通過電容器的中性線短接，故呈現出只有電抗器的特征。

圖6　三相電容器連接示意圖

2.2第二次過流跳閘事故分析

第二次跳閘事故時，5次濾波器本體TA錄波如圖7所示。TA變比為100 A/5 A。為控制建設成本，濾波器本體TA僅配置A，C兩相。A相、C相電流的幅值大致在3.5 A左右，且電流超前電壓，呈容性。線電壓的幅值在138 V左右。將電流和電壓折算到一次，一次電流有效值為49.5 A；一次線電壓有效值為34.15 kV。根據實測電壓和電流，基波每相阻抗值約為398.4Ω。在濾波器的LC回路中，如果將每相的最后一個電容器短接，則每相由電抗器和3個串聯電容器組成。理論上計算出其回路的等值基波阻抗約為392.3 Ω，與實測值比較接近。

圖7　5次濾波器故障電流和電壓波形

基于事件過程可推斷，對第二次故障，投入該組濾波器時，濾波器每相串聯電容器組的最后一個電容器已被擊穿。在投入的時間內，最后一個電容器因擊穿短路，且短路部分完全流過約50 A的電流，導致電容器局部過熱起火。

3　仿真與分析

為驗證以上故障分析的正確性與有效性，基于仿真軟件PSCAD/EMTDC和實際設備參數搭建等值單機系統仿真模型。其中，5次濾波器的仿真模型如圖8所示。

圖8　仿真分析模型圖

3.1第一次過流事故仿真

將3個串聯電抗器的出線端短接，相當于將三相電容器組突然短接。仿真電壓電流軌跡波形如圖9所示。故障電流峰值約1090 A，而實測故障電流有效值為707 A，等效峰值為1000 A，2者基本一致。差別主要因仿真采用的是直接短路，而實際為經電弧短路，導致仿真電流偏高。同時，仿真電流波形相位滯后于線電壓，與實測波形基本一致。

3.2第二次過流事故仿真

將每相的最后一個電容器短接，則每相由1個電抗器和3個串聯電容器組成，仿真電流軌跡如圖10所示。仿真電流幅值在72.9 A左右，折算有效值約51.5 A，這與實測的49.5 A很接近。仿真和理論推斷的結果基本一致。

圖9　仿真電壓電流軌跡圖

圖10　仿真電流軌跡圖

4　結束語

故有必要積累相關的運行分析數據和事故處理案例，以提高事故分析處理與運行維護能力。

文中介紹了一起濾波電容器組的事故分析與處理建議。該事故第一次短路故障時，因串聯電容器組的第一個電容器套管對其外殼污閃放電，造成電容器組進線端與外框之間間歇性放電，最后一個電容器因與電抗器進線端直接電氣相連，過電壓而被擊穿。第一次故障跳閘，雖電容器表面無異樣，但最后一個電容器內部已被擊穿，故第二次投入該濾波器時，最后一個電容器因已被擊穿而導致局部過熱起火并殃及臨近設備。其他3個串聯電容也因過壓而受損。基于PSCAD/ EMTDC和實際系統的參數搭建了暫態仿真模型，對事故發生過程的分析進行仿真模擬驗證。仿真軌跡和數值基本與實際暫態故障錄波一致，從而驗證了文中事故分析的有效性和正確性。

從設備運行維護角度，針對該事故，建議將電容器組的鉗位電極線改接到1/2位置，從而使電容器組的整體電位分布更合理。并加強對設備的巡視，縮短清污間隔，減少污穢放電事故的概率。該事故啟示，對類似事故，當發生過流跳閘等故障，雖設備表面無異樣，也要經過基本的電氣測量確認電氣參數無異后，方可繼續投運設備，防止造成事故擴大。電力電容器和濾波器是實現電力無功補償的主要電氣設備，不僅可以補償無功功率，提高系統的功率因數，降低系統損耗，且能夠調節系統運行電壓，對電網安全經濟運行具有重要的意義。

參考文獻：

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高鵬（1980），男，江蘇徐州人，高級工程師，從事電力系統分析和電力電子技術應用的研究與工程應用工作；

于旭東（1985），男，江蘇鎮江人，工程師，從事電力系統分析和輸配電設計的研究與工程應用工作。

An Atypical Filter Ccapacitor Accident Analysis

GAO Peng1, YU Xudong2
(1. Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China; 2. DAQO Group Co. Ltd., Yangzhong 212211, China)

Abstract：Filter is one of the most important reactive compensation and harmonic filtering equipment in power system. So it is very important to accumulate experience of its operation, accident analysis and maintenance. Based on the actual transient fault record waveforms of protection devices, the analysis and calculation for an atypical power filter capacitor accident is given in the paper. The simulation model for verification is built in the electromagnetic simulation tool of PSCAD/EMTDC using the actual system primary equipment parameters. The analysis and studies for this accident case are verified by the corresponding transient simulation and calculation. The simulation curves and data are almost the same with those in the actual transient fault recorded by the protection devices. Hence, the effectiveness and correctness of the analysis progress are verified and confirmed. Finally, some constructive suggestions on rectification and maintenance for this accident case are given.

Key words：power capacitor; filter; accident analysis; over-current; trip; PSCAD/EMTDC

作者簡介：

收稿日期：2015-11-21；修回日期：2015-12-30

中圖分類號：TM862；TM531.4

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）02-0089-04