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電力電容器的作用及典型故障分析

  • 時間:2022-03-17 12:50:48
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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,分為左右兩個臂(現(xiàn)場稱為A臂與B臂),每個臂由40只電容器單元(單只電力電容器),通過每兩只并聯(lián)后再逐對串聯(lián)組成。

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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個電容串聯(lián)段組成,每個串聯(lián)段由19個電容元件單元并聯(lián)組成。其中,每個電容串聯(lián)段有一個并聯(lián)電阻R1,整個電容有一個并聯(lián)電阻R2,起到內(nèi)部故障放電保護作用;并且,每個電容元件單元都單獨串聯(lián)一個內(nèi)熔絲,該內(nèi)熔絲作用非常大,在電容元件單元單個被過電壓等其它因素擊穿時,對應(yīng)的內(nèi)熔絲會同步熔斷,將故障電容元件單元進行隔離,防止電容器內(nèi)部故障持續(xù)擴大。

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圖2  電力電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

二、電力電容器內(nèi)部故障對繼電保護的動作影響

圖1中所示的T2電流互感器,為不平衡電流互感器,理想情況時流過T2的電流為零,當電容器內(nèi)部單個元件故障擊穿時,會導(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,當橋臂值不一致時,會有不平衡電流流過T2電流互感器,該電流達到一定值時,保護裝置會出現(xiàn)告警與跳閘出口動作,該換流站保護整定的定值如下圖3所示。

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圖3  電容器不平衡電流保護整定值

可見,如果一個電容器內(nèi)部電容單元元件有1至2個擊穿,且熔絲即時熔斷,對整個保護系統(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)不平衡電流保護直接出口跳閘,每次現(xiàn)場檢查均發(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)了跳閘的根本原因為該電容器內(nèi)部的電容元件被擊穿時,熔絲未及時熔斷,導(dǎo)致整個串聯(lián)段(19個串聯(lián)電容元件)短路,如下圖4所示。

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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個串聯(lián)段變成了4個串聯(lián)段;現(xiàn)場解剖也證實了這一點,內(nèi)部存在一個串聯(lián)段短路,且短路的串聯(lián)段中存在兩個相鄰電容器元件擊穿,擊穿點均在元件表面,僅一個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刻故障錄波如下圖5所示,跳閘時刻,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)段的兩個相鄰電容元件連續(xù)擊穿引起。第一次擊穿時,持續(xù)時間約2ms,熔絲熔斷;第二次擊穿時,持續(xù)時間約4ms,熔絲未熔斷,保護出口跳閘。

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圖5  跳閘時刻故障錄波

電容內(nèi)部單個元件表面擊穿時會產(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)計參數(shù)和故障時刻錄波曲線,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)計參數(shù),保證電容器運行時的可靠性。