摘要：并联电容器组是交流电力系统输配电环节的主要无功补偿装置，变电站中电容器内部元件击穿的故障也是电容器组故障比例最高。以常用的10kV并联电容器为研究对象，分析了电容器组在运行过程中内部元件击穿一串、二串情况的击穿放电量，故障相电容器的电压暂态变化量。电阻值越大，则击穿峰值电流越小，随着电阻值的增加，击穿电流峰值下降减缓。最后，验证了理论分析的正确性，为电容器击穿的实时监测和快速定位提供参考。
关键词：并联电容器组；电容元件击穿；放电量；放电电流；故障记录
0引言
根据并联电容器组的结构形式，电力系统中电容器可分为分体框架式和集合式，分体框架式电容器组由于更换损坏电容器方便、散热效果好，在世界各国电力工业中应用最为普遍。在我国的电力电网所使用的电容器组大部分为分体框架式，这种联接方式大多数采单星形或双星形的中性点不接地接法。单台电容器的额定电流约为52A，8只电容器并联的相电流高达416A，当某台电容器发生贯穿性损坏时，其他两相的电容器过电流为额定电流的√3倍，为保护余下完好相的电容器，应快速切除故障电容器，避免故障相的扩大。
1并联电容器组中电容器击穿的特征分析
1.1并联电容器组的电气接线
选取典型220kV变电站的电容器组进行研究。电能从变电站高压侧输送进来，通过三绕组主变压器将电能送往110kV侧和10kV侧。主变压器的型号为SFSZ－180000/220，联结方式为额定容量180MV•A。10kV侧每段母线上有10回出线和4组无功补偿并联电容器组，每组容量为8016kvar，由24只电容器接成双星型中性点不接地方式。电容器组自10kV三相母线后，主要以真空断路器S每相接入的串联电抗器Ls、并联电容器C、中性线电流互感器CT组成。
1.2电容器击穿的特征量
高压并联电容器作为无功补偿设备，常常运行于额定容量或以上，内部电介质的工作场强很高，过负荷、内部温度过高及过电压等因素极易导致电容器的电介质击穿。设A相8只电容器中某一只电容器发生1串贯穿性击穿。电容器的内部元件击穿发生在电压最大值附近，即U为击穿前瞬间电压，约等于相电压峰值。在放电过程中，电容器的电压最大，电容器上的工频电流接近零，可认为I1与Ir相等。放电处可等效为电阻，则电容元件击穿的局部放电电流波形近似为双指峰尖峰波形，利用等腰三角形近似等效局部放电电流波形，根据公式可计算放电电流的峰值Irm。
2电容器击穿的EMTP仿真计算
2.1电容器击穿的EMTP仿真模型
EMTP是电磁暂态分析软件，它可作为电网稳态和暂态的仿真分析及电力系统谐波分析的工具，可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统。仿真参照变电站的实际设备参数及输电线路工况，建立的电容元件击穿仿真模型见图3。仿真模型中的主要参数设置如下：U为电源，电压有效值为174.8kV，频率为50Hz；变压器为YN，yn0，d11接线的三绕组变压器，变比为220∶115∶10.5，变压器额定容量为180MV•A，中、低压侧额定容量分别为180MV•A和90MV•A，中压侧中性点直接接地；10kV母线电压为10.5kV，变电站一段10kV母线上的负荷用6条恒定负荷的支路来等效，其中支路的功率因数取0.9；考虑电容内部元件的击穿时刻，在相电压峰值附近，仿真中设定击穿发生在9.8ms。
2.2电容器击穿一串时的仿真计算
使用仿真模型对C相电容器击穿进行仿真计算。由于电容上正弦交流电流的相位超前于电容两端的电压相位90度，击穿时击穿相的电流近似为0。在仿真计算中，设定C相在9.8ms时，电容两端电压接近相电压峰值，击穿过程模拟为控制开关合上，电容的一串元件击穿处用小电阻及小电感串联支路进行等效。主要观测的量有击穿电容所在支路的电流、三相电容电路的电压与电流。图3为击穿过程中击穿电容支路上的电流波形，图5是三相电容上的电压波形，电压正峰值波形分别为B、C、A相电容器上的，C相电容上的电压出现快速的电压降落，电压降为392V。在仿真计算中，击穿放电电流为高频量，考虑外导线及引线的电感，可得击穿电容器支路的击穿电流峰值受电阻值影响很大。
3仿真结果与监测记录的数据对比分析
为监测电容器组的故障过程，在故障频繁的几组电容器组上安装高压并联电容器在线监测置，可以及时记录电容器组中多种故障数据，包括各电容器支路上的电流、相电压等。监测装置记录的C相某一电容器内部电容元件击穿的故障录波电容器内部发生了两次击穿。电容器C8电流有效值由55.2A上升到83.4A，并联电容器在线监测装置显示其故障并报警，其他各台电容器电流大小没有明显变化，电容器组在此工作状态维持了大约75min后，电容器C8电流有效值再次增大到134.4A，其他各台电容器电流大小基本不变，电容器组在这种状态持续约200ms后，从系统中切除电容器组。电容器组故障发生后，经检测，故障电容器C8的电容值变值为53.6uF。由各电容器支路的故障电流记录及故障后检测结果可推知：C8第一次电流增大为其内部四串中的一串电容元件击穿的表现，第二次电流增大为其内部余下三串的一串电容元件击穿的表现。此时中性线不平衡保护检测到不平衡电流，约经过保护整定值220ms后，电容器组继电保护动作，使该电容器组的真空断路器在740ms开断电容器组。
从故障波形记录可见，电容器内部击穿一串电容元件时，所在电容支路击穿前电流约为0，随后有一高频放电振荡维持约2ms。放电的前沿非常陡，第一峰值达到1050A左右。在击穿电流峰值、振荡频率、过渡时间方面，前述的理论及仿真分析与故障波形记录非常吻合。
4结论
根据应用广泛的电容器组中全膜电容器为研究对象，对电容器内部元件击穿的电气特征进行理论分析与仿真计算，得到击穿时的电压、电流、放电量和击穿电流峰值等特征参数。仿真模型的等效电路在选择合适参数时，与实际电容器运行的故障波形记录很相似，证明前述的内部元件击穿的理论分析合理，仿真计算正确。分析电容器的击穿故障特征，可为电容器的实时监测、快速保护、保护定值设置和故障快速定位提供有价值的参考。
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论文作者:陈璐,董龑,梁永新,张丹青
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
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