10 kV成套并聯電容器無功補償柜故障分析

施文豐

(中國五環工程有限公司,湖北 武漢 430223)

由于并聯電容器能夠提高電力系統的功率因數、穩定系統電壓、降低系統能耗,被廣泛應用在各級變配電站內[1]。因為10 kV成套并聯電容器無功補償柜(以下簡稱成套柜)防護等級高,故障發生時電弧被限制在柜內,對運行人員來說更為安全可靠,從而被廣泛應用在各類工商業末端變配電所內。但噴射式熔斷器[2,3]在成套柜內的不當使用、成套柜安裝調試不到位、運行管理不當,會造成故障的擴大。

1 電力系統及成套柜故障概況

某化工廠電力系統概況如下:全廠設置1座110 kV總降壓站;2回110 kV架空線路分別引自供電公司2個不同的變電站;110 kV系統采用雙母線接線(母聯正常分位);設有2臺110 kV/10.5 kV 40 MVA主變;10 kV系統采用單母線分段接線(母聯正常分位);每段10 kV母線設成套電容補償柜1組(4 800 kvar),每組補償柜分為4個分支,容量分別為600 kvar、1 200 kvar、1 500 kvar、1 500 kvar,各分支均采用真空接觸器進行投切,采用熔斷器進行保護;10 kV系統采用消弧線圈接地系統。該廠電力系統簡圖和成套柜簡圖見圖1和圖2。

圖1 電力系統簡圖

圖2 無功補償簡圖(單套)

2023年某日,該化工廠110 kV總降壓站內II段10 kV開關柜(10 kV電容器饋線柜)的過流保護I段動作,斷路器跳閘,全廠10 kV系統發生短時電壓波動;該起電氣故障導致部分工藝生產裝置停車。

2 故障分析

故障發生后,經現場勘察、試驗發現:① II段成套柜內的第2～4分支的噴射式熔斷器均熔斷(見圖3),1 200 kvar分支的電抗器a相下端連接電容器的接線柱燒融、燒斷(見圖4),1 200 kvar分支的a相電容器中性點側接線柱燒黑,a相電容器漏液(見圖5);② II段10 kV開關柜(10 kV電容器饋線柜),過流I段動作,斷路器跳閘成功,動作電流8.875 A,電流互感器變比300/1 A,折算為一次值2 662.5 A。總降壓站內專用故障錄波裝置啟動,錄得2#110 kV主變10 kV側二次最大故障電流1.737 A,故障持續時間約158 ms,故障前、后電流為0.4～0.5 A,電流互感器變比2 000/1 A,折算一次電流增量約為2 600 A左右。2#主變110 kV側電壓由59.5 V跌至41.95 V(相電壓,二次值),跌幅29.5%。消弧線圈控制器上查得單相接地記錄5次,其中4次單相接地故障的記錄為該起故障時刻的前1 min之內;另外1次單相接地故障記錄距該起故障時刻45 d。小電流選線裝置未查到相關故障記錄。電容器各分支保護裝置無動作記錄(分支繼電保護未投用)。檢查還發現成套柜柜內一次回路的部分螺栓存在松動情況(用手可以直接擰動)。對成套柜柜內元件進行耐壓試驗、電容器電容量測試等試驗[4],結果顯示:除第2、3、4分支的熔斷器熔斷、第2分支的電抗器損壞、第2分支a相電容器損壞外,其余一、二次元件均正常。

圖3 熔斷器熔斷

圖4 電抗器接線柱燒斷

圖5 電容器漏液、接線柱燒黑

結合微機綜保動作記錄、消弧線圈控制器和專用故障錄波記錄,判斷故障原因為第2分支的電抗器與電容器接線柱處,見圖6中“f”點處和圖4,由于螺栓未緊固,運行后持續發熱,引起彈簧墊圈失效,導致螺栓松弛,接觸電阻進一步變大,發熱更為嚴重,當熱積累到一定程度時,發生絕緣的熱崩潰,導致該處發生單相接地故障;接地后,a相電容器對地直接放電,同時消弧線圈進行了補償,系統恢復正常;a相電容器對地直接放電引起其部分內熔絲[5]熔斷;間隔幾秒后,電抗器與電容器接線柱處再次發生單相接地,如此反復幾次后,“f”處被a相電容器直接對地放電電流和系統單相接地短路電流燒熔、燒斷;a相電容器經多次對地弧光短路沖擊,中性點側的接線柱燒黑,內部發生了嚴重擊穿,發生漏液,繼而引起a相的噴射式熔斷器2FUa熔斷,噴射產生的弧光和噴射物引起成套柜內母線三相短路,電弧光朝第3、4分支側漂移,導致第3、4分支的熔斷器也同步發生熔斷;本次三相短路造成整個10 kV系統晃電,后由10 kV開關柜的過流I段動作,斷路器跳閘成功,故障被切除。

圖6 故障示意

綜上所述,本起故障的直接原因為:成套柜的安裝調試人員在做耐壓試驗后,恢復柜內一次接線的過程中,對相關的連接螺栓未完全緊固,導致通電后接線柱發熱,熱積累誘發單相接地短路。故障擴大的原因為:安裝調試單位對各電容器分支的保護裝置未按規范進行整定和調試,成套柜的電壓不平衡保護[6]形同虛設,在發生單相接地引發a相電容器內部熔絲部分熔斷,放電線圈二次側有較大不平衡電壓時,電容器分支的電壓不平衡保護未能及時切除該分支,導致a相電容器內部進一步擊穿;電容器成套柜內設置的噴射式熔斷器2FUa在熔斷時噴射,使單相故障進一步擴大為了三相短路故障。組織方面的間接原因為:成套柜在送電前,未按相關規程的要求確認一、二次回路的完整性及繼電保護的設置是否正確;在運行過程中,運行維護人員巡檢不到位,未能及時發現單相接地故障及成套柜內的發熱隱患。

3 故障處理

故障原因分析完成后,采取了如下方式對故障進行了處理:對成套柜內損壞的電抗器、電容器更換為同規格型號的新產品;將成套柜內所有噴射式熔斷器均更換為限流式熔斷器[2];一次耐壓試壓完后,對全部一、二次回路接線柱和端子重新緊固一遍;按設計要求將繼電保護定值輸入各分支的繼電保護裝置內,進行保護傳動試驗。所有試驗合格后,重新對成套柜驗收送電,送電后運行正常。

4 相關的防范措施

防范措施包括:① 嚴格按照GB/T 11024.3—2019要求,在成套柜采購訂貨過程中,若采用真空接觸器進行投切電容器,則要求成套廠商使用限流式熔斷器,不應在柜內使用噴射式熔斷器;若采用真空斷路器進行投切,則電容器應采用內熔絲進行保護,成套柜內的所有元件按滿足系統動、熱穩定的要求來配置;② 耐壓試驗完成后,在恢復一次接線的過程中做好相關接線的緊固工作;繼電保護調試后,確保相關的繼電保護功能投用;③ 有條件的地方,宜在每臺成套柜內設置在線測溫裝置,加強電容器、電抗器及內部接線的溫度監測;④ 對消弧線圈接地系統,做好消弧線圈控制器與小電流選線裝置之間的配合,如小電流選線裝置利用消弧線圈補償后的殘余電流的有功分量或高次諧波,以提高選線準確率[7],方便在發生單相接地故障時,運行值班人員能較快找出故障點。

組織措施為加強設備投運前的一、二次回路、繼電保護裝置的檢查和確認,但在運行過程中加強巡檢,及時發現隱患和缺陷。