高壓并聯電力電容器內部熔絲隔離試驗方法優化研究

陳令英，許光可，商攀峰，李 星，李文磊

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司高密市供電公司，山東 高密 261500）

0 引言

并聯電容器是電力系統中的重要設備。電容器一般并聯在變電站母線上，可吸收系統的容性無功功率，提供感性無功功率，從而改變系統運行的功率因數。電力電容器組通過就地補償或集中補償的方式來減少線路無功功率的傳輸，調節線路的無功電流。電容器組的投入可以顯著抬升線路的電壓水平，減少電壓及功率損耗，提高了線路的輸電能力。電容器的故障也成為可能影響系統電壓調節和經濟運行的重要因素，而電容器故障常伴隨著不可逆的損壞甚至電容器爆炸，往往給電網帶來較大的損失。電容器故障的主要原因之一就是內部元件的擊穿及其后續發展。內部元件故障的原因包括［1?5］：1）生產制造工藝不良，電容器內部元件有缺陷，引起元件擊穿。2）電容器外殼與套管之間密封不良，一是安裝運行過程中潮氣或雨水可能會進入電容器內部，導致元件絕緣性能下降；二是引起漏油使油量減少，最終導致元件擊穿。3）由于內部電暈、局部放電等原因，引起的細微的機械震蕩、發熱和電化學作用，加速了電容器內部的絕緣老化分解，造成內部元件擊穿，甚至引起電容器爆炸。

作為避免電容器故障的措施之一，電容器內部元件往往會配置內部熔絲。電容器內部熔絲的作用是在電容器內部元件擊穿時，將故障元件隔離開來，防止故障進一步擴大，從而有效延長電容器的使用壽命。目前，我國生產的絕大部分高壓并聯電容器，其內部的每個元件上都串聯內部熔絲［6］，這種電容器在實際運行中，即使有個別元件發生擊穿，與該元件串聯的熔絲就會迅速動作，將擊穿元件切除，而其他正常元件不受影響，整臺電容器仍可繼續運行。電容器在出廠試驗和安裝入網前，為了驗證內部熔絲能否正常發揮作用，需要進行內熔絲隔離試驗。目前，國內外普遍接受的電容器內熔絲隔離試驗的元件破環方法有熱擊穿法、機械穿刺元件法、電擊穿元件法等。

分析了內部熔絲隔離試驗的電工原理及試驗前后的電阻、電容等參數變化，對以上幾種方法進行了比較，提出成套試驗裝置及方法，并進行了驗證。解決了電容器內熔絲隔離試驗安全性低的問題，為試驗開展提供了自動化的解決方案。

1 試驗原理

1.1 等值電路

內熔絲隔離試驗的等值電路如圖1所示。

圖1 內熔絲動作時等值電路

當電容元件被破壞時，該電容元件儲存的電能被釋放為熱能，電流通過元件熔絲的電阻Rr、被隔離元件的熔絲電阻RgL、擊穿元件的電阻Rh，根據能量守恒定律和歐姆定律，能量轉換過程為［7］

式中：Ug為本故障段電壓；Us為擊穿后剩余電壓。

因為元件采取規格相同的熔絲，RgL與Rr的值大小相同。而流經RgL的電流IgL與流經Rr的電流ir不同，假設該組元件共有n個，則IgL=（n?1）·ir，由此可得，通過歐姆效應使兩種熔絲導體的溫升不同，熔絲阻值的變化量也會有很大不同。

1.2 熔絲電阻的變化過程

被隔離元件的內熔絲流經大電流時，經歷固體加熱到熔點、開始熔化、熔化結束、液體加熱到汽化點、開始汽化的瞬態過程。這個過程，熔絲電阻率、比作用量、比熱能與熔絲狀態密切相關，相變時會發生大幅變化［4］，比如汽化時熔絲電阻率與室溫下的熔絲電阻率之比為14.9，爆炸時熔絲電阻率與室溫下的熔絲電阻率之比為350［7?8］。熔絲的電阻率與通過熔絲的電流密度之間的關系為

式中：ρi、ρmax分別為熔化后初始電阻率和汽化完成時電阻率；βi為加熱效率；W為能量密度；g、gmax分別為熔絲比作用量和熔絲熔化完成瞬時比作用量；j為電流密度。

由式（2）可得，熔絲的實時電阻率隨電流密度j的增大快速地增加。由于熔絲比作用量在固態、液態、汽化相變時驟然增加，熔絲在經歷瞬間的相變過程時，電阻率和阻值也是驟然增加。

需要注意的是，在實際運行中，故障元件擊穿時被注入的能量可能不僅如此。實際運行中，故障元件擊穿時被注入的能量，除故障元件所處故障段中并聯的完好元件的儲能Q1外，還會包含所在故障電容器其他完好串聯段的儲能Q2，甚至與故障電容器相連的完好電容器也會疊加注入附加能量Q3。在極端條件下，比如斷路器開斷、切除故障電容器組時，會產生重燃過電壓［9?11］，上述3 部分完好元件的過儲能可能會向故障元件及隔離熔絲釋放，這部分超常能量會使故障元件的熔絲加速熔斷、汽化，同時與故障元件相鄰的完好元件，在釋放能量的過程中，其熔絲消耗的能量超過熔絲臨界能量時也會被熔斷，即發生熔絲群爆現象［12?14］，給電網帶來更大損失。因此，為了避免這種情況，內熔絲需合理整定，確保整體電容量變化不超過單元件的電容量。

1.3 內熔絲熔斷后電容的變化

電容器內部電氣接線如圖2 所示。設故障電容器單元內一個串聯段的故障元件數為x，則故障段電容量為

圖2 內部熔絲電容器接線

式中：CN為電容器的額定電容量；Cy為單個元件電容量；x為故障元件數，x=0，1，2，…，n?1；n為該段元件總數；m為電容器內部串聯段數。可見故障段電容量隨故障元件數線性減少。

故障電容器電容量為

可見，若x為1，考慮實際情況中m和n的大小，電容器電容量變化一般小于單個元件電容量。設在理想情況下，即所在運行系統為無窮大，故障后電容器組的中性點無偏移，故障電容器的端子間電壓保持不變。

由于在交流電壓下，電容器內串聯段間的電壓與電容成反比，所以當內熔絲隔離后，故障段的電容Cg減小，承受的電壓會升高，而完好串聯段的承受的電壓會降低。

故障元件所在故障段的電壓為

式中：UN為電容器額定電壓，故障前后保持不變；Uy為單個元件的額定電壓。

完好段的電壓為

由式（5）、式（6）可得，隨著故障元件內熔絲的熔斷，故障元件所在的故障段電容量減小，且故障元件的數量的增加而線性減小；而故障段的電壓Ug增大，完好段的電壓Uh降低，電壓的變化是非線性的。

2 試驗方法比較

2.1 現行方法

由以上分析可知，熔絲動作時電壓、電流的變化可由計算得知，在試驗過程中需要對電壓、電流的監測來證明熔絲確已斷開。目前GB/T 11024.4—2019《標稱電壓1kV 以上交流電力系統用并聯電容器第4 部分：內部熔絲》規定了內熔絲隔離試驗需要在0.9UN的下限電壓和2.2UN的上限電壓上進行，并沒有規定如何對元件進行準確的人為破壞。目前國內外普遍接受的電容器內熔絲隔離試驗的元件破壞方法有以下幾種［15?21］：

1）熱擊穿法。將電容器放在100～150 ℃的烘箱中預熱，然后施加下限交流試驗電壓下獲得第一次元件擊穿。該種方法理論上是加速內部元件的熱老化，試驗時間不確定的程度高，可能會達到幾個小時。而且高溫會導致電容器內部液壓大，容易導致液體滲出損壞電容器。本方法試驗未知因素多，成功率低。

2）機械穿刺元件法。施加電壓的同時，將釘子通過事先在外殼鉆好的孔內打入元件，造成元件擊穿。若施加的是交流電壓，需控制在接近電壓峰值的瞬間進行刺穿；這種方法可實現快速破壞，是最適合檢驗檢測機構開展的方法［16?17］。但不能保證每次僅有一個元件被破壞，且安全性差，無法保證電容器不會爆炸且釘子不會爆炸性射出。

3）電擊穿元件法，采取一些方式使目標元件更容易被擊穿，比如將膜—紙—膜結構的元件割下10 cm2，用兩層薄紙替代；或者在某個元件上加裝一根易熔的金屬絲，用附件插片插到介質層間等［21］。這種方法需要對電容器進行專業改造，且合理確定施加擊穿電壓，不適合除制造廠外的檢驗檢測機構使用。

無論哪種方式，都尚未形成一套完整成熟、可直接推廣的試驗技術。國內外相關標準如IEC 60871?4和GB/T 11024.4，也未對該試驗的試驗方法作出統一規定。上述的幾種試驗方法，在以上標準附錄中也被列為可接受的選項供試驗人員自行選擇。

據調研，國內電容器生產廠家和中國電科院等檢測機構普遍采取機械穿刺法進行試驗，但操作方式具有較大的危險性，操作實際中難度較大。采取直流電壓法，同時對元件串聯段進行機械穿刺，但在具體的操作過程中有較大的難度，且存在一定的危險性，具體表現為：試驗前需要對電容器兩極施加1.27倍或3.11倍的額定電壓，通常達到幾十千伏；在此同時，需要將釘子通過在外殼上預先打好的洞打進電容器內部元件內，造成元件破壞，觸發內熔絲動作，將損壞元件隔離，不至于影響其他元件，此時操作人員有一定的觸電或遭遇爆炸的風險。

2.2 當前機械穿刺法缺點分析

參照相關國家、行業標準，使用高壓電橋測量電容器初始電容。將待試電容器外殼鉆孔，人工接線后，使用高壓直流電源對電容器施加規定的直流電壓，使用工具（絕緣棍等）將鋼釘敲打入孔內，此時對操作人員有較高風險，安全性差，不能保證電容器不會爆炸且釘子不會爆炸性射出。敲擊的過程需要有經驗的人員執行，防止觸電。

斷開直流電源，隨后采用高壓電橋進行電容量復測，最后使用試驗變壓器對電容器進行耐壓試驗，觀察有無擊穿閃絡。整個試驗過程需要多種設備，多次切換交直流電源，多次切換測量設備，操作復雜，危險程度高。此種情況下需要有某種裝置可以取代人工進行試驗，將整個過程自動化執行，并大大降低操作人員的人身安全風險。

3 成套裝置與方法的優化與驗證

3.1 方法優化

設計一種電力電容器內熔絲隔離試驗自動化程度高的解決方案，包括高壓直流電源、高壓交流電源、自動切換線裝置、機械穿刺模塊與試驗臺、測量模塊和控制模塊，以及配套的試驗控制軟件。其中，高壓直流電源可穩定提供0～150 kV的直流電壓，高壓交流電源可穩定提供0～100 kV的交流電壓；自動切換線裝置可實現對兩種電壓源的自動切換，通過遠程控制，無須人工拆接線；機械穿刺模塊與試驗臺利用氣動裝置實現遠程控制穿刺；測量模塊實現電壓測量和電容測量；控制模塊配合控制軟件系統，實現整套裝置的遠程自動操作。通過遠程控制，有效提升電力電容器內熔絲隔離試驗的操作規范性、安全性，提升試驗效率，為當前該試驗的具體操作提供有價值的參考。

該方案硬件部分由控制模塊、測量模塊、高壓交流電源、高壓直流電源、切換線裝置、機械穿刺模塊與試驗臺組成，如圖3 所示。其中，測量模塊包括高壓電橋和電壓測量裝置。測量結果在顯示控制模塊計算和顯示，并通過顯示控制模塊遠程控制高壓電源及其切換線裝置，高壓電橋，機械穿刺模塊與試驗臺。裝置的控制與數據傳輸如圖4所示。

圖3 電容器內熔絲隔離試驗整套裝置組成

圖4 試驗裝置控制與數據傳輸

3.2 方法實施與驗證

表1 被試品主要技術參數

具體步驟為：

1）根據圖紙確定擊穿點，將預處理好的電容器放置在機械穿刺模塊與試驗臺的絕緣板上，將鋼釘放置并固定，對準外殼的其中一個孔，氣泵投入工作為機械穿刺模塊提供氣源。將被試電容器與測量模塊，高壓電源及其切換線裝置用高壓線路連接，將內部各控制回路連接。接線完成后，控制終端控制高壓電橋對電容器進行電容初測，系統自動獲取測量結果。

2）控制終端控制高壓直流電源和切換線裝置，對被試電容器施加3.11倍額定電壓（24.50 kV），電壓測量裝置顯示電壓穩定后，控制終端與機械穿刺模塊利用氣動釘槍將鋼釘打入電容器內部，觸發內熔絲動作。控制終端控制切換線裝置斷開高壓直流電源，切入高壓電橋，對電容量進行復測，自動記錄復測值，并與初測值比較。控制終端控制切換線裝置，斷開高壓電橋，切入高壓直流電源，對被試品施加1.27倍額定電壓（6.86 kV），重復此步驟。

3）控制終端控制切換線裝置，斷開高壓電橋，切入高壓交流電源，電壓測量裝置內置的電力電子模塊切換至交流擋位。對熔絲斷口施加2.15 倍額定電壓10 s，無擊穿和閃絡。

試驗數據如表2 所示。兩次擊穿后的電容變化量小于0.66 μF，證明內部熔絲正確動作，有效將擊穿元件進行了隔離，非故障段電壓明顯降低。同時，本試驗有效驗證了本文提出的優化后的試驗方法及裝置。

表2 驗證試驗數據

4 結語

通過等值電路分析，隨著隔離熔絲相繼熔斷，故障段電容量線性減小，故障段電壓非線性增大，非故障段電壓降低。通過對比分析，采取機械穿刺法對預處理的電容器進行破壞是一種簡便的方式。提出了成套的基于機械穿刺法的試驗裝置及方法，集成各電壓源、測量設備和動作設備，通過遠程操作，有效降低試驗操作的安全風險。利用提出的方法和裝置，對電容器樣品進行了內熔絲隔離試驗，驗證了理論推算，證明了裝置可經一次接線即可完成試驗，顯著提升試驗效率，并通過遠程操作，有效降低了試驗操作的安全風險。

當前的內熔絲隔離試驗是通過直接破壞元件的方式，無法模擬實際運行中由熱累積、局部放電等原因導致的元件故障，還不能全面驗證上述情況下內熔絲的隔離作用。下一步，建立溫度場仿真模型，研究內熔絲邊界能量設定，探索多種物理場下內熔絲隔離作用的驗證方法。