广西建工集团冶金建设有限公司 广西柳州 545002
摘要：谐波环境下，如何准确的把握电容器的故障原因，已经成为了当前的工作难点。本文给出一种电容器故障分析方法，从稳态和暂态两方面对故障原因进行分析，为电容器故障分析提供借鉴。
关键词：谐波；电容器；故障；分析
1 引言
近年来，随着电网容量的不断增加，并联电容器组被广泛应用于10kV及35kV配电系统，补偿无功功率、提高功率因数、滤除谐波等。但是，当电容器组附近存在谐波时，谐波对并联电容器组的安全稳定运行造成一定的影响。特别是在暂态投切过程，可能会引起暂态过电压，击穿电容器，引起电容器故障。根据近几年来，就普查统计来看，大多数的补偿装置的保护仅设有电流速断、过负荷及电压不平衡保护，没有加装相关录波及其它保护。给电容器故障具体原因分析，带来了一定的困难。
2 并联电容器故障
并联电容器故障的主要原因一方面是由并联谐振引起，另一方面是由过电压引起电容器材料绝缘水平的降低，最后导致绝缘击穿使电容器损坏。《高压并联电容器》中对在谐波环境下，对电容器安全稳定运行有以下规定：
（1）谐波环境下的发热与无谐波环境下的发热之比小于等于1.35倍；
（2）电容器的过流能力须满足：流过电容器的总电流小于等于1.35的额定电流；
（3）电容器的稳态过压能力须满足：电容器的总电压有效值小于等于1.1倍的额定电压；
（4）电容器的电压峰值小于等于1.2倍的额定电压峰值；
（5）投切过程产生的暂态过电压第一各峰值电压不得大于
短时工频耐受电压方均根值，持续时间不大于0.5周波的过渡电压。
IEEE标准1036－11992[2]对电容器故障给出了较为详细的规定，如下：
（1）2.2UN持续时间为0.1s；
（2）2.0 UN持续时间为0.25s；
（3）1.7 UN持续时间为1.0s；
根据上述国标及IEEE标准，通过建立仿真模型，从稳态和暂态两方面对电容器故障进行定位分析。
3、电容器故障案例及相关参数
2015年4月份，某变电站33.3kV无功补偿装置投入时3次谐波支路瞬间发生故障，其中B、C相各有一只电容器爆炸，其余48只（B、C两相共装有熔断器52只）熔断器熔断，经检测B、C两相各有10只电容器被击穿。因该滤波支路只加装电流速断、过负荷速断及三相电压不平衡三种保护给故障定性分析带来了一定的难道，因此只能通过仿真分析研究，还原故障过程。
对该变电站进行建模仿真，相关参数如下：
1）1＃主变参数：
220kV侧：三相短路容量Sd（3）=5235.6MVA；单相短路容量：Sd（1）=3867MVA；
110kV侧：三相短路容量为990.26MVA
主变型号：
SFPSZ9－150000/150000/75000
短路电压：U12％＝13.57，U31%=24，U23％＝7.92；
短路损耗：Pk12＝506.9kW；Pk31=193.2kW；Pk23=159.8kW
2）滤波变压器参数：
型号：SFS7－38000
容量比：100/100/50
短路电压：U12＝7％；U31％＝10％；U23％＝17％电容器参数
3）断路器合分闸时间
A相合闸时间55ms，B相合闸时间55.4ms，C相合闸时间56.2ms；A相分闸时间46ms，B相分闸时间46ms，C相分闸时间45.5ms。
4、稳态仿真
4.1背景谐波测试
通过对该站进行背景谐波测试，电站主要的谐波源来源于110kV1＃、2＃磷炉及6.3kV其它厂用电。测试数据如表2和表3所示。
4.2稳态仿真图
图1稳态仿真模型
对该变电站进行谐波潮流建模仿真，仿真图如图1所示，因该厂滤波装置经滤波变压器接到110kV母线且主要谐波源存在于110kV系统。对110kV母线进行阻抗扫描，结果如图2所示。从阻抗扫描图来看，110kV系统的并联谐振点为2.5次
图1 110kV母线阻抗扫描
及4.5次谐波。并联谐振点偏离特征谐波较远，滤波器支路与系统间不会发生并联谐振，因此在稳态运行过程中，滤波器支路不会对3次及5次谐波放大。
因本次故障支路为3次支路，因此重点对3次支路进行分析。3次滤波支路的电容器接线方式为2串13并。单只电容器故障时，会引起系统并联谐振点偏移，通过仿真分析，当电容器支路总电容值由26.516uF降到14.0uF，即有近一半的电容器（6串）击穿时，才有可能与系统发生并联谐振。谐振阻抗扫描如图3所示。当从损坏的电容器故障分析来看，B、C相故障的电容器没有出现整串故障。因此，谐振点偏移引起3次支路电容器故障的可能性是可以排除的。
5、暂态仿真
5.1 交流电源作用下的LC振荡回路
因断路器在开断过程中，由于电弧的重燃与熄灭具有较大的随机性。如果当重燃发生时，电容器处于反复充电过程，使电容器两极端的电压成倍增加，从而可能使电容器击穿引起故障。
因此，本文通过暂态仿真，验算涌流及断路器重燃时，可能引起的过电压水平进行分析，为电容器故障分析提供数据支持。
5.2合闸涌流及断路器重燃仿真
上图中的次数含义为以2度为步长不同的初相角合闸的次数。
断路器的合闸涌流与母线电压初相角有关，本文针对涌流及断路器重燃引起的电容器暂态过电压水平进行仿真，仿真图如图4所示。仿真过程中利用snapshot及multiple run模块，以2度为步长，仿真在谐波工况下，不同的合闸初相相角下，计算3次滤波支路合闸及电弧重燃时，滤波电容两极端的电压水平如图5和图6所示。
通过仿真分析，投入3次滤波之路时，涌流使电容器串两极端承受的最大电压为58.312kV。因电容器接线方式为2串13并，电容器的额定电压为15.3kV。因此，单只电容器承受的电压峰值为29.158kV，为额定电压峰值的1.35倍。然而如果在分闸过程存在电弧重燃时，产生的过电压较高，将危及电容器的安全稳定运行。当断路器合闸后，因故障分闸过程中，B、C两相在半周波内发生电弧重燃时，电容器两极端承受的电压较大，其中在13次～26次段，B、C两相电容器承受的电压远远大于A相。此时B相电容器串两端的电压最大值为116.45kV，C相电容器串两端的电压最大值为103.98kV，A相电容器串两端的电压最大值为84.99kV，态和暂态仿真分析可知，分闸过程电弧重燃是引起这次电容器故障的主要原因之一。
6.结论及建议
参照一次接线图，电容器是通过电磁式PT一次线圈构成放电回路，PT铁磁谐振引起的过电压的可能性是存在的，因此应对PT进行伏安特性试验验算铁磁谐振的临界条件；又因33.3kV母线为不接地系统且经查实无接地故障发生，单相接地引起的弧光接地过电压击穿电容器的可能性可以排除；通过仿真可知断路器分闸过程中发生重燃时对电容器的反复充电引起的过电压较大。综合分析可知，断路器合闸于内部故障电容器支路，保护动作跳闸时，断路器重燃引起的过电压是造成本次故障的主要原因之一，建议更换重燃率更低类型的断路器。
参考文献：
[1] 解广润 电力系统过电压 水利电力出版社 1998
[2]盛小韦 谐波条件下并联电容器过电压保护的一种实现方法 电力电容器 2016
[3]朱胜龙 无功补偿装置断路器重燃过电压分析及其保护措施 安徽电力 2016.9
论文作者:蒋仑山
论文发表刊物:《基层建设》2018年第16期
论文发表时间:2018/7/16
标签：电容器论文; 过电压论文; 谐波论文; 电压论文; 故障论文; 支路论文; 谐振论文; 《基层建设》2018年第16期论文;