電力電容器常見故障分析及預防研究*

王肅朝，白宏偉，劉玉超

(國網隴南供電公司，甘肅 隴南 746000)

0 引 言

隨著我國基礎設施建設加速，電力系統容量快速增長，電網中感性電荷急劇增長，無功功率需求持續上升。電力電容器作為電力系統中重要的無功補償設備，具有結構簡單、運行穩定、使用靈活等特點，在電力系統中應用日益廣泛。在電力系統長期運行中，受電力電容器生產質量、補償回路設計和系統諧波污染等因素影響，容易產生電力電容器故障[1]，威脅電力系統長周期穩定運行，甚至引發大面積停電事故，嚴重威脅生命財產安全。從電力電容器常見故障來看，主要體現為內部電容元件擊穿、熔絲熔斷、內部短路故障、外部放電故障等[2]，故障原因多樣，給電力電容器故障預防和維修造成一定的困難。筆者結合電力電容器常見故障現象，深入研究了電力電容器故障原因，并針對性提出了電力電容器常見故障預防措施，以期降低電力電容器故障發生風險，提高電力系統運行可靠性。

1 電力電容器常見故障機理研究

電力電容器是用于電力系統和電工設備的電容器，由任意在兩塊金屬導體、中間絕緣介質隔開[3]。電容器的大小取決于幾何尺寸和極板間絕緣介質特性決定[4]，常見的電力電容器主要由殼體、電容器芯子、絕緣介質和進出線結構組成[5]，殼體多為薄鋼板或不銹鋼板，出線套管焊接在殼體上，電容器芯子由聚丙烯薄膜和鋁箔卷制形成極板，殼體內充滿絕緣油作為絕緣和散熱介質。在電力系統中，電力電容器作為全密封設備，其故障類型主要包括內部電容元件擊穿、熔絲熔斷、外部放電故障和內部短路故障等，詳見表1所列。

表1 電力電容器典型故障形成機理及風險

1.1 內部電容元件擊穿

電容元件擊穿主要是由于絕緣受潮、介質老化、生產質量和運行環境等原因導致[6]。當電容器內無內熔絲，則當電容器內單個電容元件出現擊穿現象時，相鄰電容元件可能出現短路現象，不再分擔電容器工作電壓，導致電容器內部串聯回路電容元件承受的工作電壓增大，并造成整個電容器故障[7]，當電容器內部存在內熔絲時，可在故障電容元件故障時及時隔離。根據電容元件擊穿故障發生機理，可分為熱擊穿、電擊穿和局部放電擊穿等原因導致[8]，其中，熱擊穿形成機理主要為電容元件發熱量過高，導致絕緣介質劣化、分解并引起電容元件擊穿。電擊穿主要是受過電壓、高次諧波等因素影響，基板之間形成較高的電場場強，當場強達到擊穿條件時發生電容元件擊穿現象。局部放電擊穿故障主要是電容器場強較高且達到擊穿場強時出現的局部擊穿現象，并引發絕緣介質劣化、老化[9]。在三種電容元件擊穿故障中，熱擊穿故障特點是在電容器運行過程中發生且發生延續時間較長；電擊穿特點是場強高、作用時間短，主要與場強和電場均勻程度相關；局部放電擊穿特點為非連續性，即由非貫穿性局部故障逐漸演變為貫穿性擊穿故障[10]。

1.2 熔絲熔斷故障

熔絲保護是電力電容器主要保護措施之一，熔絲保護對電容器的安全穩定運行起到重要作用。當前，根據電容器熔絲保護方式可分為外熔絲保護和內熔絲保護兩種，其中，內、外熔絲保護均可實現電容器電容元件保護、隔離作用。但在電容器投切操作中，由于電容器投切頻繁、熔絲選型不當、熔絲接觸不良等原因，可能造成非故障狀態下熔絲異常熔斷，從而造成電容器誤動。同時，熔絲選型不當，可能當電容器達到熔絲條件未能起到相應的熔斷保護作用，并可能引發嚴重事故。根據《低壓并聯電容器裝置使用技術條件》(DL/T842-2003)規范要求，熔斷器額定工作電流應按單組電容器額定電流2～3倍選型，以滿足熔絲熔斷保護要求[11]。

1.3 外部放電故障

電容器外部放電故障是指電容器殼體發生外部放電現象。外部放電故障主要由于外部因素引起，受電容器運行環境影響顯著，一般可通過日常巡檢、繼電保護等方式及時發現和處理，其故障危害程度相對較低。

1.4 內部短路故障

電容器內部短路故障主要是電容器長期運行中絕緣介質老化、過電壓、生產質量缺陷等原因引起的電容器極板對外殼短路或極板間短路現象。

綜上所述，電力電容器故障形成受多方面因素影響，需結合故障現象具體分析故障原因，并采取相應的控制和預防措施。

2 電力電容器常見故障現象及原因分析

2.1 電力電容器鼓肚變形現象及原因

電容器鼓肚變形是最為常見的故障之一，其形成原因是電容器內部場強過高并發生局部放電或內部擊穿故障時，絕緣介質劣化并分解產生大量氣體，導致電容器內部壓力增大，造成電容器殼體變形，如圖1所示，形成明顯的鼓肚變形現象[12]。一旦出現殼體變形故障，一般不能采取修復措施，只能通過更換方式解決。電容器鼓肚變形問題形成主要由于電容器產品質量缺陷，如極板質量差、浸漬液非吸氣性電容器油、凈化處理不合格原因等造成電容器生產質量不合格。當存在質量缺陷的電容器在高場強狀態下持續運行時，極易發生內部擊穿、鼓肚變形故障。因此，加強電力電容器采購質量把關是保障電容器穩定運行的重要措施。

圖1 電力電容器鼓肚變形 圖2 電容器絕緣介質滲漏

2.2 漏油故障現象及原因

由于電力電容器為全密封、高場強電力裝置，當電容器密封性出現故障時，會造成絕緣油界面下降和絕緣水平下降問題，并可能因外部環境潮濕、空氣進入而造成電容元件受潮，引發內部電容元件擊穿放電現象，嚴重時可能引發電容器爆炸事故。電容器漏油故障高發于油箱焊縫、套管等部位，如圖2所示，其主要原因是電容器殼體焊接工藝不良、廠家密封實驗未嚴格按實驗要求進行檢驗等原因導致[13]。同時，除焊接原因外，螺栓、螺蓋焊接機械強度低、易脫焊、母線連接線螺桿受力拉扯焊口、搬運過程中提拉套管等都可能造成電容器焊縫開裂，進而引發漏油問題。輕微滲漏問題可采用環氧樹脂和錫焊補焊解決，嚴重滲漏應停止投入使用。

2.3 電容器溫升異常現象及原因

電容器溫升異常主要是由于環境通風條件較差或長期過電流運行，導致電容器長期在較高溫度下運行，導致電容器過流發熱、加速老化等故障。根據電容器使用壽命與運行溫度“8°”規則，當電容器運行溫度超出設計運行溫度時，其使用壽命縮短至設計使用壽命1/2。在日常巡檢中，可通過熱成像儀檢測發熱部位，如圖3所示，并對易發熱部位進行重點監測、處理。改善電容器運行環境通風條件，減少異常溫升問題發生。

圖3 電力電容器紅外線測溫 圖4 電容器套管閃絡放電短路

2.4 套管表面閃絡放電故障現象及原因

電容器成套裝置一般布置較為緊湊，運行狀態下周圍場強較高，易吸附空氣中帶電顆粒、灰塵，導致套管表面灰塵密度大，表面泄露電流增大，并在系統電壓和電網諧波作用下，套管瓷瓶易出現局部沿面電弧放電現象，并產生放電異響，嚴重時可能產生對地短路故障，如圖4所示。針對該故障，應定期清理套管表面灰塵，防止灰塵集聚過多引發閃絡放電問題。

2.5 電容器異響現象及原因

在電力系統中，電容器屬于靜止無功補償電氣設備，正常運行狀態下應靜止無聲運行。當電容器出現異響時，其主要原因可能是由于電容器內部存在局部放電現象導致，應立即停止運行并檢查維修。

2.6 電容器爆炸現象及原因

電容器爆炸主要原因是由于極間游離放電造成極間擊穿短路，并聯運行的電容器對故障電容器持續充放電且超過故障電容器殼體承受能力時，可能造成電容器爆炸噴油現象，并引發爆炸火災事故，如圖5所示。針對電容器爆炸事故，一般可通過合理選型并安裝保護熔絲預防和控制。當電容器發生擊穿短路時，通過熔絲熔斷電源，能夠避免爆炸事故發生，并能夠防止因故障電容器爆炸而連鎖影響相鄰電容器。

圖5 電容器爆炸現場 圖6 因接觸不良導致電容柜接頭熔斷

同時，由于全膜電容器和紙膜電容器極間擊穿短路特性存在一定差異，紙膜和全紙復合介質電容元件發生局部放電現象后，絕緣紙在擊穿放電高溫作用下碳化，并能夠維持擊穿放電故障持續發生，由此產生大量氣體，如未設置熔絲保護，可能導致電容器油箱爆裂故障。而全膜電容器薄膜受擊穿高溫熔化，兩個電極形成接觸短路，從而避免了電弧放電和氣體爆炸現象發生，因此，在電容器選型時，應優先選擇防爆全膜電容器。

2.7 接觸不良發熱故障現象及原因

在電力系統中，電容器投入使用后長期處于滿負荷運行狀態，且由于運行過程中回路電流較大，當電容器接頭接觸不良時可能出現電阻增加、接觸部位異常發熱現象，當接觸部位發熱量過大時可能造成接觸連接線熔斷，如圖6所示，接觸不良主要集中在線夾與導線接觸部位、接頭部位、連接部位等，其主要原因是安裝質量差、接頭松動、連接部位氧化等。

3 電容器常見故障預防措施研究

針對電力電容器常見故障，應在加強電容器生產和安裝調試質量的基礎上，優化電容器運行操作方式、合理調節運行環境溫度，并借助信息技術實現電容器運行狀態實時監控，動態收集電容器運行狀態數據，預防和控制常見故障發生。

3.1 電容器設備安裝質量控制

電力電容器生產質量缺陷是造成電容器故障的重要原因，如焊接質量缺陷、密封實驗不到位等，可能導致不合格電容器投入使用并引發電力系統故障，甚至可能造成嚴重爆炸火災事故。為確保電力電容器長周期穩定運行，應采用安裝質量控制措施：①加強電容器出廠質量檢驗，嚴格落實出廠質量檢驗程序和要求，防止存在質量缺陷的電容器投入使用；②電容器現場安裝時，應遵循“分組、分相”原則，確保“相與相”、“段與段”電容匹配，如圖7所示；③安裝過程質量控制，嚴禁接線時用力過猛、過大造成瓷套焊接部位損傷、裂縫、滲漏等問題。如出現少量滲漏時，可適當減輕負載或降低環境溫度，并使用環氧樹脂和錫焊補焊處理，當出現嚴重滲漏問題時，應向上匯報并停止使用、檢查處理；④電容器安裝完成后，檢查接觸部位連接有無松動、過度振動、溫度變化大、腐蝕氣體等情況，確保電容器設備安裝無誤后方可正式投入使用。

圖7 電容器“分組、分相”安裝

3.2 優化電容器操作

在電容器運行操作中，非正常操作可能造成電容器過電流而出現熱擊穿、局部放電等故障。為預防和控制電容器故障發生，電力系統操作人員應嚴格按操作規程操作電容器:①電容器停送電時，電容器組應遵循“先斷后合”的操作原則，負載出線應按“先合后斷”的操作順序，嚴禁違規操作；②電容器恢復運行時，必須確保電容器放電時間，待電容器組充分放電后方可合閘操作，避免電容器頻繁投切。合閘操作時，如發現保護裝置動作，則應在查明故障電容器、故障原因并處理后方可投用，防止因錯誤投用而造成事故；③為降低高次諧波對電容器組造成不利影響，應根據電力系統負載合理選擇電抗率，降低電容器組合閘涌流與過電壓，確保電容器成套裝置長周期穩定運行。

3.3 重視電容器日常巡檢

加強日常巡檢，應結合電容器設備運行特點，重點加強電容器設備滲漏、變形、灰塵集聚、外部放電、異響等故障現象的檢查、記錄、反饋。為確保日常巡檢工作效能，及時發現電容器設備故障、異常溫升等故障癥狀，為故障預判、分析和處置提供可靠依據。

3.4 加強電容器運行環境溫度控制

針對室內運行的電容器設備，應加強室內通風設備，具備條件時可增設環境溫度在線監控設備，及時發現電容器設備環境溫度異常。室外運行電容器設備環境溫度控制時，應搭設設備遮擋設施，避免陽光直射電容器組，防止因局部照射造成溫度、密度差異而產生擊穿故障。

3.5 開發利用設備運行狀態在線監測系統

為全面掌握電容器設備運行狀態，動態感知電容器設備故障風險，及時預警電容器設備故障，應借助信息技術開發電容器設備狀態在線監測系統，通過收集電容器設備溫度傳感器和設備運行狀態傳感器、電壓電流監測儀表等設備設施狀態信息，如圖8所示。

圖8 電容器溫度在線監測系統示意圖

合理設置設備故障警戒值，當電容器組狀態參數達到警戒值時，應及時排查故障原因并排除故障。借助在線監測系統，長期在線監測系統電容器負載、溫度數據，建立電力電容器運行狀態參數與故障類型之間的數學模型，為電力電容器維修、檢修提供依據。

4 結 語

通過對電力電容器典型故障類型及形成機理進行研究，探討了電力電容器常見故障現象，分析了常見故障原因和預防控制措施，并從電容器安裝質量控制、優化電容器操作、重視電容器日常巡檢、加強電容器運行環境溫度控制和開發利用設備運行狀態在線監測系統等方面提出建議措施，以期降低電容器故障發生率，確保電力設備長周期穩定運行。