66kV電容器組中單臺電容器多次故障的原因分析

吳磊　王國喜

摘要：文章描述了66kV電容器組中電容器的故障情況，通過對電容器解剖分析，結合各項數據、熔斷器運行狀況、保護定值的整定等方面對電容器損壞的原因進行了分析、論證，確定了故障發生的原因。

關鍵詞：電容器組；設備故障；繼電保護；熔斷器；單臺電容器；保護定值整定 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM531 文章編號：1009-2374（2016）12-0120-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.056

1 概述

某變電站使用的1組66kV并聯補償電容器組運行至2009年5月期間，多次發生故障。在進行故障調查，并對電容器單元進行解剖后，對導致電容器損壞的可能性原因進行了分析。

2 電容器組的基本參數

2.1 電容器組型號

TBB22-66-28056/334-Y

2.2 連接方式

每個串聯段2串7+7并，H型接線，采用橋差不平衡電流保護。定值（二次）2A，CT變比30/5。

2.3 電容器單臺型號

BAMR20-334-1W，出廠時間為2000年12月和2001年1月，內部元件采用12串6并。

2.4 熔斷器型號

BRW-20/26A

3 故障和處理情況

3.1 第一次

2006年6月運行中保護動作，A相8臺電容器容量變化。購買14臺新電容器供更換和備品。

3.2 第二次

2008年12月運行中保護動作，A相7臺容量變化。購買7臺新電容器進行更換。

3.3 第三次

2009年4月29日，試驗所預試發現B向4臺損壞。用戶用備品更換。

3.4 故障統計

三次共計損壞19臺電容器單元。

4 故障的調查情況

1#解剖品：編號144，2000年12月出廠，銘牌容量2.67μF，全擊穿。

2#解剖品：編號142，2000年12月出廠，銘牌容量2.66μF，實測容量3.6μF，大面積擊穿+R角擊穿。

5 故障分析

5.1 根據繼電保護的設置和動作情況分析

結合前述內容，電容器組采用H型接線的橋差不平衡電流保護。保護定值為2A（二次），變比為30/5，一次為12A（考慮靈敏度1.2和可靠性系數1.1之后實際值為12*1.1*1.2=15.84A）。根據此值計算，保護動作的時候需要有2臺電容器切除運行，即有2根熔斷器動作，如下：

=1.74≈2個

式中：M為每相并聯單元數：14；N為每相串聯單元數：2；IEX為電容器組額定相電流：234A；I0為不平衡電流：15.84A。

當有2個熔絲熔斷的時候，剩余完好的電容器單元過電壓為：

=1.08V

式中：M為每相并聯單元數：14；N為每相串聯單元數：2；kN為完好元件過電壓倍數：1.1；k為切除單元數：2。

電容器相關標準對于電容器單元的過電壓承受能力要求為：1.05Un可以長期運行，1.1Un每24小時可以運行8小時。

這里暫不考慮過電壓運行時間的問題，2根熔斷器熔斷保護動作的情況才是在繼電保護設置的時候需要進一步考慮的。主要原因是：

第一，任何保護都有盲區，對于H型接線的橋差不平衡電流保護來講，保護臂之間容量同時變化就是這種保護的盲區。對于2個熔斷器熔斷保護才動作，通常是這兩根熔絲在一個臂上的一個串聯段里，這個時候出口的電流才最大，保護才會動作。假如這2根熔斷器存在于不同的臂或者不同的串聯段上，保護是否能可靠動作就不得而知了。這與保護的可靠性和靈敏性，電容器組保護的初始不平衡值都有關系。

第二，已經有一個熔斷器熔斷了，由于保護沒有動作，電容器組將帶故障一直運行，直到第二根熔絲熔斷，這種運行狀態是比較危險的。如果熔斷器是正常開斷可能沒有問題，可一旦熔斷器是異常開斷的，由于彈簧將尾線擺動的位置和剩下的熔斷器套管情況不確定，很有可能危害電容器組的運行。

第三，故障在小的時候發現和解決有利于縮小故障范圍，降低故障影響，消除不良隱患。設置成2根熔絲熔斷的話，對于3相來講，則最多可能有6根熔斷器熔斷，6臺電容器損壞。每臺電容器故障之間如果間距一段時間的話，對于故障調查非常不利。可能會大量出現類似這種到了預防性試驗的時候才發現大量電容器損壞，至于何時損壞都未知的情況。

所以保護整定按照2根熔絲動作，這有可能將故障擴大化。建議保護整定按照1根熔絲動作取值。

5.2 根據解剖的情況分析

電容器元件的擊穿位置主要存在于：

第一，電場強度分布不均勻的區域，如R角、折邊、引線片處。由于本身電場強度分布不均勻，如果再有過電壓作用的話便會迅速發生嚴重的局部放電，最終將薄膜擊穿。因此這些位置的擊穿通常是由于電擊穿，擊穿點相對較小，擊穿的層數多。

第二，電場強度分布均勻的區域，如元件的大面。在元件的大面上，由于極板平整，場強分布比較均勻，因此相對于其他部位，該處的過電壓耐受水平比較高。發生在這個位置的擊穿主要是熱擊穿和電擊穿的混合作用。擊穿點不僅有電擊穿的特點，也會發生大擊穿面積、層數較少的熱擊穿點。

由于薄膜的個別位置存在一定的電弱點，雖然出廠的時候經過了試驗，可是伴隨運行和發熱，電弱點繼續老化，并最終改變了局放性能，發生擊穿。這種現象主要發生在電容器運行的1～3年期間，過了這個期間之后絕緣介質便處于穩定的狀態，除非受到運行環境劇變的影響，否則絕緣性能不會發生突變。

溫度是影響絕緣性能的最主要因素，由于介質損耗的存在運行中介質溫度升高。絕緣介質具有負溫度系數，即溫度上升時電阻將變小，這又使得電流進一步增大，損耗溫升也增大。因此電容器的發熱量必須小于或等于散熱量，否則根據電容器絕緣介質聚丙烯薄膜的8℃理論，電容器的溫升每升高8℃，其壽命將降低一半。

式中：L1為T1溫度下的預計壽命；L2為T2溫度下的預計壽命。總結解剖的兩臺電容器和2006年解剖的一臺電容器，擊穿點不僅有在大面上的，也有在R角的。擊穿點不僅有擊穿點小、擊穿厚度多的形狀；也有燒穿面積大、層數少的形狀，因此根據前述的擊穿點的外形很難分析出電容器元件擊穿的原因。

可是由于大面積炭化、燒壞的擊穿點的現象，則可以推測：（1）薄膜存在一定的老化現象，這樣才會在電壓可能不高的條件下，在一定范圍之內發生絕緣介質分解、炭化、擊穿，而不是在一個點上；（2）擊穿短路點阻抗很大，電流也很大，并且電容器單元在發生元件擊穿之后仍持續運行較長時間，這樣才會產生很大的熱量將薄膜和鋁箔燒毀。

2009年現場的調查沒有發現異常情況，電容器組所在的房間情況良好。底部有百葉窗進風口，也有風機的排風口。但是在2006年故障時觀察到的卻是由于周圍道路施工，電容器單元表面附著很厚的灰塵。

由于電容器單元主要依靠上表面進行散熱，當時這么厚的灰塵很可能影響電容單元的散熱。

現在雖然周圍的道路已經修好，電容器室內已經沒有這么多灰塵了，可是電容器在那段期間可能已經受到影響，并且狀況持續的時間越長，影響就可能越嚴重。

5.3 根據熔斷器的情況分析

熔斷器除了能起到在電容器單元內部損壞之后隔離和保護的作用以外，一旦其性能不良還可能會擴大故障。根據熔斷器廠家的建議，熔斷器的使用壽命最好不要超過5年。根據噴逐式熔斷器的結構和特點，熔斷器熔斷和滅弧的主要過程和機理為：熔絲熔斷開始時，熔絲融化成顆粒，在顆粒之間存在電弧。由于電容器回路中均為容性電流，不容易滅弧，所以電容器專用的熔斷器采用噴逐+拉開的辦法共同滅弧。噴逐主要靠套管內壁涂層在高溫高壓下的產氣，拉開主要靠尾線彈簧提供的拉力。

熔斷器使用年限太長，內壁涂層就會變質，尾線的彈簧可能因為生銹而失去拉力。一旦熔絲在紙質保護套管受潮而性能也發生變化，不僅可能表現為熔絲的熔斷曲線變化，也表現為熔斷時不能正常的滅弧。

熔斷曲線的變化意味著熔絲不能準確熔斷，將導致故障電容器承受過多能量而加速損壞最終全擊穿短路，而完好的電容器不能正確的被隔離，在故障中由于過電壓而導致損壞。對于10kV電容器組將導致單相短路接地、熔絲群爆、多臺電容器損壞；對于2個串聯段的66kV電容器則也會表現為熔絲群爆、多臺電容器損壞，甚至橋差保護的電流互感器低壓避雷器爆炸、互感器損壞。

熔斷器不能正常的滅弧意味著熔絲的斷口短時持續存在電弧，電容器則承受著電弧產生的高頻過電壓，加速損壞。根據反映的情況，電容器組的B相4臺損壞電容器是在預試的時候發現的。有1根熔斷器熔斷，對應的電容器已經全擊穿。熔斷器的額定電流（開斷容性小電流）取電容器單元額定電流的1.5倍，通常電容器單元內部擊穿一半串聯段的時候會達到這個值，即電容器內部元件擊穿半數以上時熔斷器就應開始熔斷。這從另外一個側面可以說明，熔斷器的特性需要被注意了。

除了熔斷器年久會導致性能變化，安裝不當同樣也會使得熔斷器不能正常工作。

6 結語

根據運行經驗，電容器如果原材料、工藝等方面有缺陷的話，電容器很難經過嚴格的出廠試驗，即便通過試驗運行1～3年也會大量發生損壞。而該站電容器單元是大量生產的常規電容器型號，其設計、工藝等方面都已經非常完善。電容器組2001年投運，至2006年第一次發生故障的時候已經5年，可以認為由于工藝、原材料和制造等方面造成電容器大量損壞的可能性不大。

電容器都有一定的偶然故障率，該故障的起點可能是某臺電容器的偶然故障，也有可能是電容器單元曾經在電站周圍修路過程中散熱不良絕緣老化。結合上面的分析，可知電容器的大量損壞很可能是繼電保護、熔斷器年限過長這些因素綜合造成的。

參考文獻

[1] 梁義明，史明彪.66kV高壓并聯電容器故障分析[J].電力電容器與無功補償，2009，30（2）.

[2] 李勝川，高殿瀅.一起66kV電容器故障的分析及預防措施[J].電力電容器與無功補償，2009，30（3）.

作者簡介：吳磊（1980-），男，江蘇無錫人，日新電機（無錫）有限公司副科長，助理工程師，研究方向：高壓并聯電容器成套裝置的參數計算和設計。

（責任編輯：秦遜玉）