一起构架式并联电容器故障分析及处理策略探讨

　1 故障概况
　　330 kV某变电站35 kV3号电容器组在2013年9月21日运行中电压差动保护动作，电容器组35 kV进线62开关紧急跳闸使故障电容器快速从系统中切除。3号电容器组为室外敞开构架形式，故障前电容器组为双星形不接地运行方式，一组电容由84个电容单元构成，每相由28个电容单元串并联组成，其中每12个电容单元三并四串后再与另一串三并四串电容组并联组成一相。电容单元型号为：BAM12-334-1W，额定电压为12 kV投运日期为2007年8月，生产厂家为西安西电电力电容器有限责任公司。电容器组的外部保护为电流平衡保护与电压差动保护，内部保护为熔断器保护。本次故障中电流平衡保护未动作，其故障信号由35 kV3号电容器组C相电压差动保护装置发出，动作电压为 0.93 V，电压差动保护装置设定电压动作定值为0.8 V ，显然此次故障电压差已超过保护动作定值，经检查确认保护装置信息正确。
　　2 故障检查情况
　　2.1 试验情况。故障电容器的接线原理图1所示，电容器组各电容单元经外观检查无漏油、鼓包、变形、开裂等异常现象，外观良好，历次试验数据纵横比较均无明显变化趋势，对3号电容器组进行了电容量、电感直流电阻，电感量、绝缘电阻测试工作，测试数据均在《输变电设备状态检修试验规程》和《电力设备预防性试验规程》规定合格范围内。本次测试中电容量标准负偏差最大绝对值为3.63，负偏差最小绝对值为0.65，无正偏差数据，对A、B、C相电容单元电容量测试数据与其他两相及历次试验数据纵横比较，发现C相第22号电容单元电容量标准偏差较其他单元有明显负变化趋势，测试数据中A、B相数据均无明异常，现将故障C相各单元电容量标称值、本次测试值及标准偏差数据列表如下（见表1）。
　　2.2电容单元解体检查情况。对电容量标准负偏差绝对值较明显的22号电容单元进行了解体检查如图2所示，其内部由多个电容元件、熔丝、放电电阻、油纸绝缘、绝缘附件等构成，对电容元件从上向下逐个检查发现第二片电容元件熔丝完全熔断，图中白色方框区域为损坏电容元件，该熔丝的可靠熔断快速切除了故障电容元件，从而有效避免故障进一步扩大化。对损坏电容元件进一步解体检查，该元件由两张铝箔极板中间夹多层聚丙烯薄膜绕卷压平而成，展开铝箔和聚丙烯薄膜发现内部几层膜上有明显的电击穿点，该击穿点损坏了两极板间的绝缘性能，击穿电流使该元件熔丝快速熔断。
　　3 故障原因分析及处理
　　3.1 电容器故障原因分析
　　本电容器电压差动保护是通过检测同相电容两串联段上的电压作比较。设备正常运行时，电容两段的容抗大小相等，各自所承受的电压相等，因此其电压差约等于零。而当C相22号电容单元中电容元件击穿损坏导致整个电容器单元的总电容量偏小，使故障段的电容容抗发生变化，由于电容分压中电压和电容量呈反比关系，电容单元电容变小导致故障段电容承受的电压变大，使两段承受电压不再相等而产生一个电压差ΔU，当ΔU超过保护定值时保护装置动作发出跳闸指令使开关断开。
　　故障电容单元内部接线为15并3串方式，对电容单元内部三组电容元件进行了电容量测试，测试数据分别为81.801μF、86.964μF、85.246μF，明显看出第一组数据偏低很多，由内部接线方式可以估算出一个电容元件损坏引起整个电容单元标准偏差的大小，一个电容原件平均电容量为5.79μF，则15个元件并联后电容量为86.85μF，其三串元件的总电容量值为28.95μF，若去除损坏元件后单元总电容值为28.26μF，则电容标准偏差为-2.4%，这是理论计算所得数据，但实际测试时综合考虑各误差影响后计算的标准偏差会超过-3%，因此当电容器单元标准偏差趋向或超过-3%时应引起重视。
　　本次故障中导致62开关动作的原因是由于22号电容单元中电容元件损坏导致的，那么是什么原因导致电容单元内部出现击穿损坏的呢？一般情况下电容器装置内部故障是由于制造工艺、质量缺陷、绝缘老化、过电压等原因，使其中一个或几个内部元件击穿引起的。电容器在生产过程中油纸绝缘、油膜绝缘、绝缘附件、绝缘漆等在没有严格的真空干燥和浸渍处理情况下，导致其内部存在微量的水份和气体存在，在长期运行中电容内部温度慢慢升高使电容元件内部析出气体，由于ε油膜>ε气体，那么在同一电场作用下E油膜　　根据以上测得的C相电容器单元电容量数据以及一次系统电压、电感感抗值进行计算验证22号电容单元内部元件击穿导致保护装置动（计算中电感及电容的电阻影响不大则忽略不计），将图1进一步简化后得到图3所示。
　　图3 330 kV某变电站3号电容器组简化接线原理图
　　根据测得的数据计算得：
　　C1=44.12μF C2=43.68μF
　　C3=58.93μF C4=58.96μF
　　电容器组上的电压：
　　（1）
　　带入数据得：UC=25242.82V
　　则放电电压互感器二次侧电压差为：
　　（2）
　　其中K=110 （3）
　　带入数据得：
　　ΔU12=9.7640 V
ΔU34=0.0584 V
　　压差保护的定值ΔU=0.8V，由于ΔU34<ΔU<ΔU12则压差保护应可靠动作，因此造成62开关跳闸动作，理论保护动作与实际开关跳闸情况相符合。
　　3.2 电容器组故障处理
　　对C相偏差较大的22号电容器单元进行了更换处理，其22号电容器单元匹配标称值为29.77μF，实测电容值为29.73μF，标准偏差为-0.13%，符合规程规定值。更换后对C相放电电压互感器的二次电压差进行理论验证计算：
　　C1实测=44.12μF C2实测'=43.97μF
　　C3实测=58.93μF C4实测=58.96μF
　　UC=25242.82V
　　则放电电压互感器二次侧电压为：
　　（4）
　　其中 K=110 （5）
　　带入数据得：
　　ΔU12'=0.3908 V
　　ΔU34'=0.0584 V
　　由于ΔU34'<ΔU12'<ΔU，理论计算电容器组合闸供电后保护不动作，可以正常投运，将C相22号电容器单元更换后进行供电，供电后未见异常现象，到目前为止运行正常。
　　4 小结
　　本次并联电容器故障中测得电容器单元电容量标准偏差符合《输变电设备状态检修试验 规程》规定值（单台电容器电容量与额定标定值的标准偏差应在-5%～+10%）。但是不符合在《DLT 840-2003 高压并联电容器使用技术条件》中规定：单台电容器的实测电容值与额定值之差不超过额定值的-3%～+5%。应该以《DLT 840-2003 高压并联电容器使用技术条件》中的电容量标准偏差合格要求依据，判定22号电容单元超出合格范围，应立即处理。
　　5 结束语
　　对于电容单元由于制造工艺及质量问题导致的内部故障只能进行更换处理，那么对于其他电容器应如何防范发生此类问题，建议采取以下几点措施，进一步提高电容器健康、稳定运行水平。
　　（1）应选择性能优良，质量安全可靠的高原型电容器，建造时严格把关制造工艺工序，验收时应落实各项验收大纲规定的细则要求。
　　（2）电容器组在日常巡视中若发现电容外壳膨胀变形、套管渗漏油、内部有异常放电声等不良工况时应立即停电进行详细检查，待检查无异常，故障处理完毕并且试验合格后方可投入运行。
　　（3）定期检测计算每个电容单元电容量的标准偏差，对于试验值接近标准偏差范围值时应加强跟踪监测，对于试验值超过准偏差范围值时立即应进行处理，以免扩大故障范围。
　　（4）在电容器故障诊断时当本单位执行的规程要求与电容器技术文件或出厂要求规定值不一致时，应按严格要求执行，合理正确诊断设备故障点，避免误判造成事故。
　　参考文献
　　[1]DLT 840-2003.高压并联电容器使用技术条件[S].
　　.
　　[3]吴万军.并联电容器组故障分析及保护配置[J].电力学报，2001（16）：2.
　　作者简介：冶海平（1984-），男，助理工程师，从事高压试验工作。