電力電容器的作用及典型故障分析

非柔性直流輸電系統(tǒng)中，兩端換流站都配有大量的交流濾波器，其作用主要為補(bǔ)償無功功率和濾除諧波。以某±800kV換流站為例，其直流輸電容量為5000MVA，站內(nèi)配有15組交流濾波器，每組交流濾波器主要由電力電容器組成。

電力電容器常見故障為本體發(fā)熱、本體漏油以及內(nèi)部放電擊穿。本文就電力電容器內(nèi)部放電典型故障進(jìn)行分析。

一、電力電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

交流濾波器一般由高壓塔和低壓塔兩座電容器塔構(gòu)成，每座塔由一定數(shù)量的電力電容器串并聯(lián)組成（因設(shè)計(jì)要求，采用不同的連接方式）。如下圖1所示，該換流站內(nèi)交流濾波器高壓塔稱為上橋臂，分為左右兩個(gè)臂（現(xiàn)場(chǎng)稱為A臂與B臂），每個(gè)臂由40只電容器單元（單只電力電容器），通過每?jī)芍徊⒙?lián)后再逐對(duì)串聯(lián)組成。

圖1  交流濾波器電容器塔結(jié)構(gòu)

單只電力電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2所示，單只電容器由5個(gè)電容串聯(lián)段組成，每個(gè)串聯(lián)段由19個(gè)電容元件單元并聯(lián)組成。其中，每個(gè)電容串聯(lián)段有一個(gè)并聯(lián)電阻R1，整個(gè)電容有一個(gè)并聯(lián)電阻R2，起到內(nèi)部故障放電保護(hù)作用；并且，每個(gè)電容元件單元都單獨(dú)串聯(lián)一個(gè)內(nèi)熔絲，該內(nèi)熔絲作用非常大，在電容元件單元單個(gè)被過電壓等其它因素?fù)舸r(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)熔絲會(huì)同步熔斷，將故障電容元件單元進(jìn)行隔離，防止電容器內(nèi)部故障持續(xù)擴(kuò)大。

圖2  電力電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

二、電力電容器內(nèi)部故障對(duì)繼電保護(hù)的動(dòng)作影響

圖1中所示的T2電流互感器，為不平衡電流互感器，理想情況時(shí)流過T2的電流為零，當(dāng)電容器內(nèi)部單個(gè)元件故障擊穿時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該只電容器電容值發(fā)生變化，從而使電容塔的橋臂電容值出現(xiàn)變化，當(dāng)橋臂值不一致時(shí)，會(huì)有不平衡電流流過T2電流互感器，該電流達(dá)到一定值時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)告警與跳閘出口動(dòng)作，該換流站保護(hù)整定的定值如下圖3所示。

圖3  電容器不平衡電流保護(hù)整定值

可見，如果一個(gè)電容器內(nèi)部電容單元元件有1至2個(gè)擊穿，且熔絲即時(shí)熔斷，對(duì)整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)是沒有影響的。

三、典型故障

該換流站交流濾波器電容器頻繁出現(xiàn)不平衡電流保護(hù)直接出口跳閘，每次現(xiàn)場(chǎng)檢查均發(fā)現(xiàn)有1只電容器的電容值變化特別大，后續(xù)經(jīng)過電容器解體分析，發(fā)現(xiàn)了跳閘的根本原因?yàn)樵撾娙萜鲀?nèi)部的電容元件被擊穿時(shí)，熔絲未及時(shí)熔斷，導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)段（19個(gè)串聯(lián)電容元件）短路，如下圖4所示。

圖4  電容器解剖情況

故障電容器比額定值偏大了約25%，理論分析為5個(gè)串聯(lián)段變成了4個(gè)串聯(lián)段；現(xiàn)場(chǎng)解剖也證實(shí)了這一點(diǎn)，內(nèi)部存在一個(gè)串聯(lián)段短路，且短路的串聯(lián)段中存在兩個(gè)相鄰電容器元件擊穿，擊穿點(diǎn)均在元件表面，僅一個(gè)擊穿電容器元件熔絲熔斷，另一擊穿電容器元件熔絲未熔斷，未熔斷的熔絲導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)段短路。

四、原因分析與總結(jié)

該換流站交流濾波器跳閘時(shí)刻故障錄波如下圖5所示，跳閘時(shí)刻，T2不平衡電流突然出現(xiàn)兩次高頻的大不平衡電流，可知兩次異常的高頻不平衡電流由電容器單元內(nèi)同一串聯(lián)段的兩個(gè)相鄰電容元件連續(xù)擊穿引起。第一次擊穿時(shí)，持續(xù)時(shí)間約2ms，熔絲熔斷；第二次擊穿時(shí)，持續(xù)時(shí)間約4ms，熔絲未熔斷，保護(hù)出口跳閘。

圖5  跳閘時(shí)刻故障錄波

電容內(nèi)部單個(gè)元件表面擊穿時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，由于電弧溫度高，引起相鄰電容器元件因燒灼而擊穿，雖第一次發(fā)生擊穿的電容器元件熔絲已熔斷，但依據(jù)內(nèi)熔絲設(shè)計(jì)參數(shù)和故障時(shí)刻錄波曲線，殘余放電能量不足以熔斷另一擊穿電容器元件熔絲，導(dǎo)致其所在串聯(lián)段短路，使整體容值陡增約25%，引起電容器組不平衡電流突增而發(fā)生跳閘事故。后續(xù)電力電容器制造方，需多方面考慮內(nèi)熔絲的熔斷基理，合理設(shè)計(jì)參數(shù)，保證電容器運(yùn)行時(shí)的可靠性。