高壓電容器損壞故障分析

隨著我國電力電容器制造技術(shù)與設(shè)計水平的不斷提高，高壓電容器的故障率也在不斷降低。除電容器本身缺陷外，電網(wǎng)過電壓、電網(wǎng)諧波引起的過電流、電容器失壓、斷路器操作引起的過電壓與運行溫度都會嚴重影響電容器的正常運行。
高壓電容器是目前電力系統(tǒng)使用最多的配件之一，隨著我國電力電容器制造技術(shù)與設(shè)計水平的不斷提高，高壓電容器的故障率也在不斷降低。但由于影響電容器穩(wěn)定運行的因素較多，除電容器本身缺陷外，電網(wǎng)過電壓、電網(wǎng)諧波引起的過電流、電容器失壓、斷路器操作引起的過電壓與運行溫度都會嚴重影響電容器的正常運行，甚至引發(fā)電容器爆炸起火等惡性事故的發(fā)生。本文通過對高壓電容器損壞故障進行分析，對高壓電容器的保護措施提出了一些簡單的意見與看法。
高壓電容器損壞故障分析
電容器運行電壓過高
高壓電容器運行電壓可以反映出變電所母線系統(tǒng)電壓的狀況，并直接影響電容器的壽命和出力功能。高壓電容器內(nèi)部在運行中的有功功率損耗主要由介質(zhì)損失和導體電阻損失兩部分組成，而其中的介質(zhì)損失占高壓電容器總有功功率損耗的98%以上。高壓電容器介質(zhì)損耗會直接影響電容器的運行溫度，可用下式表示：
Pr= Qctgδ=ωCU2tgδ·10-3
式中Pr為高壓電容器的有功功率損耗；Qc為高壓電容器的無功功率；tgδ為高壓電容器的介質(zhì)損失角正切值；ω為電網(wǎng)角頻率；C為高壓電容器的電容率；U為高壓電容器的運行電壓。
由公式可知，高壓電容器有功功率損耗與無功功率同高壓電容器運行電壓的平方成正比；隨著運行電壓的增高，高壓電容器的有功功率損耗會迅速增加，進而溫度升高的速度也會增加，游離增大，導致電容器的絕緣壽命降低。另外，因高壓電容器連續(xù)運行的過電壓一般定為額定電壓的1.10倍，當電容器長時間處于過電壓下運行時，會導致電容器產(chǎn)生過電流而損壞；所以，高壓電容器組建需要安設(shè)完善的過電壓保護裝置。
電網(wǎng)高次諧波引起的過電流
當電網(wǎng)中的諧波電流流入電容器，就會疊加在高壓電容器的基波電流上，使其運行電流增大，同時也會使高壓電容器基波電壓上的峰電壓有效值增大。如果電容器容抗與系統(tǒng)感抗相匹配，會對高次諧波產(chǎn)生放大作用而產(chǎn)生過電流和過電壓，引起電容器內(nèi)部絕緣介質(zhì)局部放電，使電容器產(chǎn)生鼓肚、熔絲群爆等故障。
電容器所接母線失壓
如果電容器在運行中突然失去電壓，可能會導致變電所電源側(cè)瞬時跳閘或主變壓器斷開。若電容器在電源合閘或備用電源自動投入使用時未被移除，可能會導致電容器帶負荷產(chǎn)生過電壓而損壞。另外，當變電所失去電壓恢復時不拆除電容器，可能會產(chǎn)生諧振過電壓，使變壓器或電容器損壞。因此，電容器應(yīng)設(shè)置失壓保護裝置，保證電容器在所接母線失壓后可靠動作，又可在母線電壓恢復正常后可靠接入。
 斷路器操作產(chǎn)生的過電壓
電容器斷路器多采用真空斷路器，當斷路器合閘時，斷路器觸頭可能會發(fā)生彈跳現(xiàn)象而產(chǎn)生過電壓。雖然由此產(chǎn)生的過電壓峰值較低，對電容器的影響也不大，但由于電容器年投切次數(shù)在千次以上，且斷路器斷開時可能引發(fā)擊穿電容器的過電壓，因此，必須采取有效的保護措施來限制斷路器操作產(chǎn)生的過電壓。
運行溫度過高
由于溫度升高10℃，電容器容量下降速度就會加快一倍；如果電容器長期處于高電場與高溫下運行，會引起絕緣介質(zhì)老化和介質(zhì)損失增大，進而導致電容器內(nèi)部快速升溫而發(fā)熱，是電容器壽命降低，甚至導致電容器產(chǎn)生熱擊穿而損壞。按規(guī)程規(guī)定，如果環(huán)境溫度超過30℃，電容器外殼溫度超過50℃，應(yīng)開啟通風裝置降溫，當環(huán)境溫度超過40℃時，應(yīng)立即停止電容器運行。因此，為防止電容器因運行溫度過高而損壞，應(yīng)設(shè)置溫度監(jiān)控裝置隨時監(jiān)控制電容器的運行溫度，并采用強制通風裝置改善電容器的散熱條件，使電容器產(chǎn)生的熱量以對流和輻射的方式散發(fā)出來。
高壓電容器組保護措施研究
高壓電容器過電壓保護
利用電容器與電抗器串聯(lián)，因容抗壓降與感抗壓降相位相反，將測量電壓互感器裝于母線上。當電容器電壓高于母線電壓時，有：
Udz = Kv（1-）Ue
式中Udz為動作電壓；Kv為過電壓系數(shù)；為感抗與容抗之比；Ue為電容器額定電壓。
過電壓是威脅電容器安全穩(wěn)定運行的最大因素，為防止電容器運行電壓過高，應(yīng)合理配置電容器過電壓保護裝置。當電容器端電壓高于1.10倍額定電壓時，該保護裝置產(chǎn)生預動作信號，當運行電壓超過1.20倍額定電壓5s~10s時，產(chǎn)生動作信號跳閘以切斷過電壓繼續(xù)對電容器產(chǎn)生損壞，當電壓恢復正常后投切以保證電容器繼續(xù)進入電路工作。
高壓電容器高次諧波保護措施
由于電網(wǎng)諧波可以產(chǎn)生損壞電容器的過電壓與過電流，為防止諧波損壞電容器，應(yīng)對電容器使用地區(qū)的電網(wǎng)諧波諧波進行測試并找出諧波源，然后根據(jù)諧波源產(chǎn)生的原因采取相應(yīng)的措施，以降低諧波源的高次諧波分量。目前降低電網(wǎng)高次諧波最有效的辦法是在電容器回路中串聯(lián)適當參數(shù)的電抗器或阻尼式限流器。在電抗器參數(shù)選擇時，采用容抗與感抗相匹配的諧振點為原則，以抑制5次及以上諧波。此外，電抗器還能有效抑制電容器因合閘而產(chǎn)生的過電壓，減小斷路器斷開時所產(chǎn)生的過電壓。
斷路器操作過電壓保護措施
斷路器開關(guān)質(zhì)量的好壞，與氧化鋅避雷器動作特性的好壞密切相關(guān)。為防止斷路器開合產(chǎn)生過電壓，必須提高斷路器觸頭的分閘速度、提高觸頭介質(zhì)恢復強度。因此，斷路器的真空開關(guān)出頭一定要選用銅鉻合金觸頭。考慮到電容器投切操作頻繁，真空開關(guān)難免產(chǎn)生能夠擊穿電容器的操作過電壓，所以必須安裝無間隙氧化鋅避雷器來限制斷路器產(chǎn)生的過電壓。

隨著我國高壓配電網(wǎng)無功補償需求的增大，作為電力系統(tǒng)中最常用的無功補償設(shè)備電容器的使用率也大量增加。合理配置電容器保護裝置，保證電容器安全運行越顯重要。在具體設(shè)計高壓電容器保護裝置時，不僅要從高壓電容器可能發(fā)生的故障出發(fā)，還需充分考慮到單個電容器內(nèi)熔絲與電容器組內(nèi)熔絲保護特性、電容器使用溫度限上與熔絲熔斷時間、電容器耐爆時間之間的配合，從而保證電容器保護裝置能夠有效保證電容器安全穩(wěn)定運行。