摘要：本文介绍了某换流站交流滤波器单只电容损坏故障的处理及分析，包括如何分析交流滤波器保护动作原理排除保护误动情况，准确定位故障电容，以及通过研究并联电容特性对后续运维提出一些建议。
关键词；交流滤波器；电容；交流滤波器保护；故障分析
1 引言
在高压直流输电系统中，换流站中的核心元件换流器，可以被看做是无功消耗源和谐波源。交、直流转换的时候，换流器会消耗大量的感性无功，并且产生大量特征谐波注入到交、直流系统中。就十二脉动整流而言，特征谐波在交流侧有11、13、23、25 次，直流侧有12、24、36 次。由于谐波过大，将会引起发电机和电容器过热、使得换流器控制不稳定、干扰通信系统，以及可能引起电网中的局部振荡过电压等不良影响。同时，无功功率的不平衡将导致交流系统的电压偏离额定值运行。因此在换流器的网侧加装交流滤波器，用以限制交流谐波兼无功补偿；在直流侧加装直流滤波器用以限制直流谐波。其中并联电容就是交流滤波器的重要组成部分，其运行情况及性能直接关系到交流滤波器的好坏，关系到高压直流输电系统的安全稳定运行。
2 故障概述
2018年01月11日16时05分，某站后台报交流滤波器保护一、二套装置报警出现，16时07分，交流滤波器保护第一套、第二套保护跳闸出现，出口跳闸出现，现场检查为5631断路器B相不平衡3段保护动作。
后台OWS（运行人员工作站）显示5631断路器于15点59分05秒合上，交流滤波器保护AFP31第一套和第二套于16点07分53秒均出现保护跳闸报文，并且保护出口后5631断路器于16点07分53秒为分位且保护装置恢复正常；现场检查AFP31一、二套保护均出现B相不平衡III段保护动作报告且装置跳闸红灯亮起，操作箱显示为分位。
3 单只电容损坏的故障处理及分析
3.1 排除保护误动的分析
查看故障录波器发现5631 ACF高端C1不平衡B相出现不平衡电流，二次高值为0.6748A。已知不平衡III段保护动作方程为：
（1）
（2）
式中符号含义如下：
：交流滤波器的不平衡电流；
：交流滤波器的穿越电流；
：不平衡起动整定值，已固化在装置中，不需用户整定；
：不平衡系数保护定值；
不平衡保护的保护逻辑图如下：
图1
由于不平衡启动定值已固化为0.04A，故满足动作方程（1），已知穿越电流为0.27A，则0.6748A/0.27A等于2.4992，远大于不平衡系数保护定值1.24，故满足动作方程（2）；查看故障录波发现保护动作变位时间点与故障电流产生时间相差103ms，而不平衡III段延时定值为0.1S，故保护正确动作。
3.2 单只故障电容的定位
排除了保护误动的可能性，结合故障现象怀疑现场5631交流滤波器组B相存在电容器损坏，该站立即申请调度将把5631滤波器转至检修状态。直流检修班对5631交流滤波器组B相桥臂电容、单只电容进行测量，发现5631交流滤波器组B相高压端左侧桥臂（即C1-3）第一层第二只电容器电容值为39.3μF（正常电容值约为46.7μF），明显偏小，确定为该只电容器故障（测量值如图1所示，对比发现）。从图2知，其中C1-1、C1-3分别都是由36只小电容串联而成在测量定位过程中，原本采取的1/2测量排除法，发现电容值几乎没有变化，无法准确定位故障点，后来分析为单只电容故障，反应到桥臂电容的变化量很小，而电容表的精度能达到小数点后两位，无法反应出故障桥臂电容，而故障点的电压等级是500kV，电容值很小的变化反应到电流值上就会被放大，从而不平衡CT监测到了电流的变化，正确动作。也间接证明了不平衡保护的灵敏度，即能很好的反应单只电容故障，避免事故范围的扩大，符合定值整定的原则。
图2
表1
3.3 故障电容的更换
直流检修班对5631交流滤波器组B相高压端左侧桥臂第一层第二只电容器进行了更换，并进行了测量。桥臂电容为1.32μF、单只电容为为46.9μF，均正常。故障处理完毕。
4 对电容故障的深入原因分析
4.1 电容器结构原理
下图6即为并联电容器单只电容的示意图，左为原理示意图，右为结构示意图。
图3
4.2 电容器的击穿损坏机理
4.2.1液体介质的老化机理
电容器用绝缘油，包括苄基甲苯和二芳基乙烷等，都是芳香族化合物，都含有不饱和健——苯环。苯环上不饱和H 原子可以吸收局部放电产生的H 原子，也可以吸收自由基。不饱和H 原子的数量对绝缘油的性能起至关重要作用，它与油分子中总H 原子数之比，称为芳香度。所以油的芳香度高低，是衡量油性能好坏的一个重要指标。绝缘油在电、热或电荷热的联合作用下，会产生自由基R。实际上油生产过程，是一个可逆的化学反应过程，也很难避免自由基的存在。自由基是带有孤单电子的原子基团，具有很大的化学活性。近代科学证实，许多化学反应都是借助自由基的活性来完成的。自由基在一定条件下会与苯环上的不饱和健发生化学反应，自由基之间也可能发生缩聚反应，使油的性能下降，这就是老化。自由基与苯环上的不饱和健发生化学反应的结果是分子量增大，出现大分子，可能伴有粘度增加；自由基之间发生缩聚反应的结果也是产生大分子，但油样的微水会增加。自由基也可能使油分子裂解，产生小分子物质。油的老化表现是油样损耗增大，但不一定伴随着短时工频耐压的下降，这与实际情况一致。由于对绝缘油生物降解的要求，现在电容器所用的绝缘油的化学稳定性和电化学稳定性都不可能和三氯联苯（PCB）相提并论，所以容易受到自由基侵害。抑制或阻止自由基对绝缘油分子的侵害，是解决电容器绝缘老化的关键。
4.2.2聚丙烯薄膜的老化机理
聚丙烯薄膜几乎是目前制造油浸高压并联电力电容器和油浸高压滤波电容器的唯一固体材料。在复合介质电容器生产为主时期为了解决电容器芯子的浸透性，都采用单面或双面粗化膜，用以保证膜与铝箔之间浸透绝缘油。现在在制造全膜电容器中已经都采用双面粗化膜。与绝缘油的老化表现不同的是，膜的老化表现为击穿电压的下降，而不是损耗的增加。显而易见，因为膜老化产生的小分子物质会溶解在油中，不会影响膜的损耗，膜的解取向也不会使损耗明显增加。膜的老化主要有以下三个方面的因素。
4.2.2.1热的作用
研究表明，温度超过一定数值时，聚丙烯薄膜会发生解取向。我们知道，电工用聚丙烯薄膜是经过双向拉伸的，经过双向拉伸后，聚丙烯分子才具有一定的规整度，薄膜也才具有足够的介电强度，这是它与一般包装薄膜的根本区别。解取向就意味着电工膜又回到了包装膜，其介电强度当然是很低的。由于HVDC系统的谐波含量较大，局部热的作用加大，膜的老化问题相对突出。
4.2.2.2杂质的作用
杂质对膜老化起到了加速作用。电容器行业有一句格言，叫”清洁就是质量”。清洁就是减少杂质的数量，可见杂质对电容器质量影响很大。电容器中的杂质一般都近似球状物和柱状物。由于膜具有静电吸附作用和极间净化作用，杂质粒子在电场作用下会积聚在膜的表面，在杂质表面高场强作用下，聚丙烯分子裂解或发生解取向，导致膜的老化。
4.2.2.3自由基的作用
油中自由基的存在，加上聚丙烯分子链中存在大量的不饱和健，使聚丙烯分子链变得比较脆弱。自由基与聚丙烯分子链中的不饱和健发生化学反应后，导致聚丙烯分子裂解或发生解取向，使膜发生老化。
4.3 如何解决电容器的绝缘老化问题
分析HVDC用交流电容器的绝缘老化机理，用以解决其的绝缘老化问题。可从以下三方面着手。
4.3.1 加强生产过程的洁净度控制
“清洁就是质量”永远是电容器行业的一个不变信条，控制洁净度就是减少杂质粒子进入电容器内部，这不仅可以减小电容器的损耗，减小电容器中热的影响，还可以减缓绝缘，特别是膜的老化进程。洁净度控制应涵盖电容器生产的全过程。
4.3.2 选用芳香度大的油
从前文看出，选择芳香度大的油，可以使油层上的电场强度降低，延缓油的老化进程，而且可以吸附油中的自由基，抑制自由基的数量增长。适当的油处理工艺是抑制自由基活性的有效办法，应该注意研究油处理工艺。
4.3.3 抑制自由基的活性
实际上，电容器中电、热、杂质等因素在工程中是无法完全排除的，不管采取什么措施，都只能是程度上的差别。因此，自由基在电容器中是客观存在的。自由基的数量决定着绝缘的老化进程，而自由基的数量很大程度上由自由基的活性决定。所以抑制自由基的活性对延缓绝缘老化有着至关重要的作用。采用什么方法是有效的呢？我们先分析膜纸复合电容器为什么没出现严重的绝缘老化现象。我们知道，膜纸复合电容器与全膜电容器的区别除场强高点外，就是那层电容器纸。前文分析表明，绝缘严重老化与设计场强没有直接的关系，因此可以肯定，电容器纸可以起到抑制自由基活性的作用。由于电容器纸主要是由纤维素组成的，而纤维素是极性介质，在电场作用下产生极化，带有较强的极化电荷，加上电容器纸的网状结构，所以很容易吸附自由基，抑制自由基的活性。因此要抑制自由基的活性，就必须在油中加入类似纤维素的极性网状物质。
5 结论
通过故障的处理分析，我们可以得知保护正确动作，对以单只电容故障的情况整定可以很好的避免故障进一步扩大，更有利于设备的健康稳定运行；同时针对单只故障电容的定位的问题，1/2排除法并不能准确定位，应该采用逐个测量的办法；通过对单只电容损坏原因的深入分析，虽然厂家改进工艺很重要，作为运维人员我们的出厂监造也很重要，同时要保证备品备件的充足，对于单只电容在备品库中的存储，我们要注意保持清洁，要将电容的进出线两端短接，防止强电场的变化对单只电容备品的损坏。
参考文献：
[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2009；
[2]伊敏换流站RCS-976A交流滤波器保护说明；
[3]伊敏换流站运行规程—运行方式及相关规定（2017）；
[4]伊敏换流站运行规程— 设备概况（2017）；
[5]国家电网公司.换流站运行[M].北京：中国电力出版社，2012
作者简介：
李延钊（1989-），男，汉族，河南新乡，国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司伊敏换流站，助理工程师，现从事换流站直流设备检修专业工作。
孙焕婷（1988-），女，汉族，黑龙江绥化，国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司伊敏换流站，助理工程师，现从事换流站直流设备检修专业工作。
论文作者:李延钊,孙焕婷
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：电容论文; 电容器论文; 滤波器论文; 自由基论文; 故障论文; 不平衡论文; 不饱和论文; 《电力设备》2018年第34期论文;