吴磊　王国喜

摘要：文章描述了66kV电容器组中电容器的故障情况，通过对电容器解剖分析，结合各项数据、熔断器运行状况、保护定值的整定等方面对电容器损坏的原因进行了分析、论证，确定了故障发生的原因。

关键词：电容器组；设备故障；继电保护；熔断器；单台电容器；保护定值整定 文献标识码：A

中图分类号：TM531 文章编号：1009-2374（2016）12-0120-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.056

1 概述

某变电站使用的1组66kV并联补偿电容器组运行至2009年5月期间，多次发生故障。在进行故障调查，并对电容器单元进行解剖后，对导致电容器损坏的可能性原因进行了分析。

2 电容器组的基本参数

2.1 电容器组型号

TBB22-66-28056/334-Y

2.2 连接方式

每个串联段2串7+7并，H型接线，采用桥差不平衡电流保护。定值（二次）2A，CT变比30/5。

2.3 电容器单台型号

BAMR20-334-1W，出厂时间为2000年12月和2001年1月，内部元件采用12串6并。

2.4 熔断器型号

BRW-20/26A

3 故障和处理情况

3.1 第一次

2006年6月运行中保护动作，A相8台电容器容量变化。购买14台新电容器供更换和备品。

3.2 第二次

2008年12月运行中保护动作，A相7台容量变化。购买7台新电容器进行更换。

3.3 第三次

2009年4月29日，试验所预试发现B向4台损坏。用户用备品更换。

3.4 故障统计

三次共計损坏19台电容器单元。

4 故障的调查情况

1#解剖品：编号144，2000年12月出厂，铭牌容量2.67μF，全击穿。

2#解剖品：编号142，2000年12月出厂，铭牌容量2.66μF，实测容量3.6μF，大面积击穿+R角击穿。

5 故障分析

5.1 根据继电保护的设置和动作情况分析

结合前述内容，电容器组采用H型接线的桥差不平衡电流保护。保护定值为2A（二次），变比为30/5，一次为12A（考虑灵敏度1.2和可靠性系数1.1之后实际值为12*1.1*1.2=15.84A）。根据此值计算，保护动作的时候需要有2台电容器切除运行，即有2根熔断器动作，如下：

=1.74≈2个

式中：M为每相并联单元数：14；N为每相串联单元数：2；IEX为电容器组额定相电流：234A；I0为不平衡电流：15.84A。

当有2个熔丝熔断的时候，剩余完好的电容器单元过电压为：

=1.08V

式中：M为每相并联单元数：14；N为每相串联单元数：2；kN为完好元件过电压倍数：1.1；k为切除单元数：2。

电容器相关标准对于电容器单元的过电压承受能力要求为：1.05Un可以长期运行，1.1Un每24小时可以运行8小时。

这里暂不考虑过电压运行时间的问题，2根熔断器熔断保护动作的情况才是在继电保护设置的时候需要进一步考虑的。主要原因是：

第一，任何保护都有盲区，对于H型接线的桥差不平衡电流保护来讲，保护臂之间容量同时变化就是这种保护的盲区。对于2个熔断器熔断保护才动作，通常是这两根熔丝在一个臂上的一个串联段里，这个时候出口的电流才最大，保护才会动作。假如这2根熔断器存在于不同的臂或者不同的串联段上，保护是否能可靠动作就不得而知了。这与保护的可靠性和灵敏性，电容器组保护的初始不平衡值都有关系。

第二，已经有一个熔断器熔断了，由于保护没有动作，电容器组将带故障一直运行，直到第二根熔丝熔断，这种运行状态是比较危险的。如果熔断器是正常开断可能没有问题，可一旦熔断器是异常开断的，由于弹簧将尾线摆动的位置和剩下的熔断器套管情况不确定，很有可能危害电容器组的运行。

第三，故障在小的时候发现和解决有利于缩小故障范围，降低故障影响，消除不良隐患。设置成2根熔丝熔断的话，对于3相来讲，则最多可能有6根熔断器熔断，6台电容器损坏。每台电容器故障之间如果间距一段时间的话，对于故障调查非常不利。可能会大量出现类似这种到了预防性试验的时候才发现大量电容器损坏，至于何时损坏都未知的情况。

所以保护整定按照2根熔丝动作，这有可能将故障扩大化。建议保护整定按照1根熔丝动作取值。

5.2 根据解剖的情况分析

电容器元件的击穿位置主要存在于：

第一，电场强度分布不均匀的区域，如R角、折边、引线片处。由于本身电场强度分布不均匀，如果再有过电压作用的话便会迅速发生严重的局部放电，最终将薄膜击穿。因此这些位置的击穿通常是由于电击穿，击穿点相对较小，击穿的层数多。

第二，电场强度分布均匀的区域，如元件的大面。在元件的大面上，由于极板平整，场强分布比较均匀，因此相对于其他部位，该处的过电压耐受水平比较高。发生在这个位置的击穿主要是热击穿和电击穿的混合作用。击穿点不仅有电击穿的特点，也会发生大击穿面积、层数较少的热击穿点。

由于薄膜的个别位置存在一定的电弱点，虽然出厂的时候经过了试验，可是伴随运行和发热，电弱点继续老化，并最终改变了局放性能，发生击穿。这种现象主要发生在电容器运行的1～3年期间，过了这个期间之后绝缘介质便处于稳定的状态，除非受到运行环境剧变的影响，否则绝缘性能不会发生突变。

温度是影响绝缘性能的最主要因素，由于介质损耗的存在运行中介质温度升高。绝缘介质具有负温度系数，即温度上升时电阻将变小，这又使得电流进一步增大，损耗温升也增大。因此电容器的发热量必须小于或等于散热量，否则根据电容器绝缘介质聚丙烯薄膜的8℃理论，电容器的温升每升高8℃，其寿命将降低一半。

式中：L1为T1温度下的预计寿命；L2为T2温度下的预计寿命。总结解剖的两台电容器和2006年解剖的一台电容器，击穿点不仅有在大面上的，也有在R角的。击穿点不仅有击穿点小、击穿厚度多的形状；也有烧穿面积大、层数少的形状，因此根据前述的击穿点的外形很難分析出电容器元件击穿的原因。

可是由于大面积炭化、烧坏的击穿点的现象，则可以推测：（1）薄膜存在一定的老化现象，这样才会在电压可能不高的条件下，在一定范围之内发生绝缘介质分解、炭化、击穿，而不是在一个点上；（2）击穿短路点阻抗很大，电流也很大，并且电容器单元在发生元件击穿之后仍持续运行较长时间，这样才会产生很大的热量将薄膜和铝箔烧毁。

2009年现场的调查没有发现异常情况，电容器组所在的房间情况良好。底部有百叶窗进风口，也有风机的排风口。但是在2006年故障时观察到的却是由于周围道路施工，电容器单元表面附着很厚的灰尘。

由于电容器单元主要依靠上表面进行散热，当时这么厚的灰尘很可能影响电容单元的散热。

现在虽然周围的道路已经修好，电容器室内已经没有这么多灰尘了，可是电容器在那段期间可能已经受到影响，并且状况持续的时间越长，影响就可能越严重。

5.3 根据熔断器的情况分析

熔断器除了能起到在电容器单元内部损坏之后隔离和保护的作用以外，一旦其性能不良还可能会扩大故障。根据熔断器厂家的建议，熔断器的使用寿命最好不要超过5年。根据喷逐式熔断器的结构和特点，熔断器熔断和灭弧的主要过程和机理为：熔丝熔断开始时，熔丝融化成颗粒，在颗粒之间存在电弧。由于电容器回路中均为容性电流，不容易灭弧，所以电容器专用的熔断器采用喷逐+拉开的办法共同灭弧。喷逐主要靠套管内壁涂层在高温高压下的产气，拉开主要靠尾线弹簧提供的拉力。

熔断器使用年限太长，内壁涂层就会变质，尾线的弹簧可能因为生锈而失去拉力。一旦熔丝在纸质保护套管受潮而性能也发生变化，不仅可能表现为熔丝的熔断曲线变化，也表现为熔断时不能正常的灭弧。

熔断曲线的变化意味着熔丝不能准确熔断，将导致故障电容器承受过多能量而加速损坏最终全击穿短路，而完好的电容器不能正确的被隔离，在故障中由于过电压而导致损坏。对于10kV电容器组将导致单相短路接地、熔丝群爆、多台电容器损坏；对于2个串联段的66kV电容器则也会表现为熔丝群爆、多台电容器损坏，甚至桥差保护的电流互感器低压避雷器爆炸、互感器损坏。

熔断器不能正常的灭弧意味着熔丝的断口短时持续存在电弧，电容器则承受着电弧产生的高频过电压，加速损坏。根据反映的情况，电容器组的B相4台损坏电容器是在预试的时候发现的。有1根熔断器熔断，对应的电容器已经全击穿。熔断器的额定电流（开断容性小电流）取电容器单元额定电流的1.5倍，通常电容器单元内部击穿一半串联段的时候会达到这个值，即电容器内部元件击穿半数以上时熔断器就应开始熔断。这从另外一个侧面可以说明，熔断器的特性需要被注意了。

除了熔断器年久会导致性能变化，安装不当同样也会使得熔断器不能正常工作。

6 结语

根据运行经验，电容器如果原材料、工艺等方面有缺陷的话，电容器很难经过严格的出厂试验，即便通过试验运行1～3年也会大量发生损坏。而该站电容器单元是大量生产的常规电容器型号，其设计、工艺等方面都已经非常完善。电容器组2001年投运，至2006年第一次发生故障的时候已经5年，可以认为由于工艺、原材料和制造等方面造成电容器大量损坏的可能性不大。

电容器都有一定的偶然故障率，该故障的起点可能是某台电容器的偶然故障，也有可能是电容器单元曾经在电站周围修路过程中散热不良绝缘老化。结合上面的分析，可知电容器的大量损坏很可能是继电保护、熔断器年限过长这些因素综合造成的。

参考文献

[1] 梁义明，史明彪.66kV高压并联电容器故障分析[J].电力电容器与无功补偿，2009，30（2）.

[2] 李胜川，高殿滢.一起66kV电容器故障的分析及预防措施[J].电力电容器与无功补偿，2009，30（3）.

作者简介：吴磊（1980-），男，江苏无锡人，日新电机（无锡）有限公司副科长，助理工程师，研究方向：高压并联电容器成套装置的参数计算和设计。

（责任编辑：秦逊玉）