10 kV母线电容器组故障原因分析及改进措施

曾繁伟

(广东电网公司珠海供电局，广东 珠海 519000)

10 kV母线电容器组故障原因分析及改进措施

曾繁伟

(广东电网公司珠海供电局，广东 珠海 519000)

阐述了某变电站10 kV母线并联电容器组故障后的处理方法，分析了该变电站并联电容器组在运行过程中频繁故障的原因，并采取了相应的改进措施，降低了并联电容器组的故障率，确保了并联电容器组的安全稳定运行。

电容器组；外熔断器；内熔丝；中性点不平衡电流

0 引言

某220 kV变电站主变低压侧10 kVⅢ段母线只安装4组电容器组，没有10 kV出线负荷。电容器组采用双星型接线，每组电容器组前串联1台干式铁芯电抗器，4组电容器组的运行编号分别为1，2，3，4。2012-10-25至2013-06-24，该变电站共发生6次电容器组中性点不平衡电流保护动作跳闸事件。其中，1次为电容器组外熔断器熔断导致中性点不平衡电流保护动作跳闸，其余5次均为单台电容器内熔丝熔断导致中性点不平衡电流保护动作跳闸。

1 电容器故障的处理方法

上述4组电容器组的额定电流均为420.7 A，电容器组的额定电压为11/3kV。通过查阅4组电容器组故障后的检修记录得知，这4组电容器组的单只电容器故障后，由于没有同样规格的电容器备品，通常是拆除故障相的单只电容器而不是更换；为使电容器组的三相电容保持平衡，同时也拆除其他正常两相相同数量的电容器。其中，由于之前的故障，3号电容器组每相已拆除2台电容器，4号电容器组每相已拆除1台电容器。

为分析这4组电容器组频繁发生故障的原因，2013-06-30，测量已处理好故障并已投入运行的3，4号电容器组的电压及电流值。测量的电压和电流数据如表1所示。

表1 3，4号电容器组的电压及电流值

由表1可知，3号电容器组的实测电流远小于电容器组的额定电流，这是因为该电容器组每相缺2台电容器运行；4号电容器组由于每相缺1台电容器，实测电流也小于额定电流。

2 电容器故障原因分析

为进一步分析该变电站10 kV母线并联电容器组频繁发生故障的原因，2013-07-04对故障电容器进行了解体检查，发现故障电容器内的极板已经击穿，内熔丝已熔断。通过对电容器的解体、现场设备的状况及现场运行情况的综合分析，初步判断造成电容器频繁故障的原因主要有以下几点。

2.1 外熔断器问题

2.1.1 外熔断器自身存在缺陷

(1) 该变电站10 kV母线并联电容器组的外熔断器型号为：BRW-10/100、额定电压为10 kV、额定电流为100 A。目前，额定电流在80 A及以上的该型号熔断器，还没有既能通过温升试验又能通过小电流开断试验的完整的型式试验报告。

(2) 由于户外电容器组长期受到日晒雨淋，外熔断器容易被腐蚀，寿命相对缩短，不能满足电容器的使用要求。该变电站电容器组自2004年投产至今，已运行10多年了。由于日常运行及维护过程中没对运行正常的外熔断器进行定期检查或更换，加上外熔断器本身存在的缺陷，使得电容器组存在很大的安全隐患。

2.1.2 气温对外熔断器的影响

外熔断器熔断主要由熔体温度决定。并联电容器组及外熔断器一旦投入运行就处于满负荷状态；特别是在夏季，持续的高温，加上外熔断器部分熔体散热较差，导致外熔断器熔体的温度较高，易造成误动。同时，由于外熔断器熔体长期受到弹簧拉力的拉伸作用，其误动的可能性也将增大。

2.1.3 外熔断器和内熔丝的动作配合问题

电容器组的保护通常采用“内熔丝+继电保护+外熔断器”方式，在这种保护方式下，电容器内部元件发生故障时首先由内熔丝来切除，而外熔断器仅作为电容器内部引线之间短路、电容器套管闪络击穿，以及电容器内部元件串联段发生击穿短路(内熔丝保护失效)的后备保护。继电保护通常采用中性点不平衡电流保护，在2组星形接线的电容器组中性连线上，安装1组零序电流互感器。正常情况下，每组电容器容抗相等，中性线上无零序电流；当有电容器发生故障时，即出现中性点不平衡电流，在电流值达到定值时，即跳开电容器组对应的开关。

该变电站的电容器内部元件发生故障时，由于备品不足，为使电容器组的三相电容保持平衡，只能拆除其他正常两相相同数量的电容器。随着被拆除电容器的增多，并联电容器组的总电容减小，由表1可知，电容器组的工作电流也减小。在这种运行情况下，外熔断器由于开断小容性电流的性能低，不起保护作用；只有在内熔丝失效，电容器故障发展成贯穿性短路时，外熔断器才起作用，开断工频容性大电流，从而迅速切除故障电容器。此时外熔断器作为内熔丝的后备保护，必须具备耐爆性能和开断容性大电流性能。但实际情况是，外熔断器开断大故障电流性能也不理想，保护效果不佳，而且在内熔丝完全失效前，流经外熔断器的电流可能会持续减小，进而增大外熔断器拒动的可能性。

2.1.4 外熔断器开断性能不良

外熔断器可以快速切除单个电容器的大电流故障，但由于外熔断器本身的灭弧结构过于简单，导致外熔断器开断性能不良的缺陷难以克服。外熔断器开断时若有重击穿还会形成较高的过电压，对与其串接的电容器单元造成破坏性的打击。从此次故障电容器的解剖情况可知：电容器解体前外观无异常，解体后内部未见闪络放电痕迹，绝缘油清澈无异常，电容器内部4个串联段中3个串联段电容正常(约108 μF)，1个串联段电容为0，该故障串联段中内熔丝全部熔断，且元件中均存在击穿点。一般而言，电容器元件的绝缘强度是存在差异的，不会同时击穿；只有在电容器过电压很高的情况下，某个串联段的元件才有可能同时击穿。

2.1.5 其他因素

除了外熔断器本身的质量问题外，安装方法不正确等因素也容易造成外熔断器熔丝受损、弹簧角度不到位。这不仅可能使外熔断器误动，还存在外熔断器开断不良的可能。如果这样的外熔断器发生动作，因其动作产生的过电压就会损坏电容器。

2.2 电容器组缺台运行

电容器组的额定电抗率为6 %。从厂家资料得知：电容器组缺2台单只电容器后，其电抗率为4.5 %；电容器组缺1台单只电容器后，其电抗率为5.25 %，这在运行过程中可能会造成谐波放大。从现场运行情况分析得知，10 kVⅢ段母线没有配置可以抑制3次谐波的12 %的电容器组，所以电容器组对3次谐波无抑制作用，甚至有可能放大3次谐波。现场测得的电压显示A，C相中3次谐波电流含量最高，如果电容器组缺台运行，电抗率会进一步下降，谐波放大的风险也将进一步加大，从而导致电容器组出现过负荷，大量增加的运行电流易使熔断器熔断。电容器组缺台运行的电抗率可按下式计算：

式(1)中：K′为缺台后的电抗率；K=6 %为电容器组的额定电抗率；Xc′=1/(M-n)ω C为缺台后的容抗；Xc=1/Mω C为电容器组的额定容抗；XL为串联电抗器的感抗；M为电容器组每组的并联电容器台数；n为缺台数量。根据式(1)，计算结果如表2所示。

表2 电容器组缺台后的电抗率变化 %

由表2可知，电容器组缺台运行，电抗率下降；缺的台数越多，电抗率就越低，甚至可能失去抑制3次谐波的功能，进而导致谐波放大的可能性增大。另外，电容器组缺台运行后，如果没有对电容器组的2个星重新进行配平，电容器组将达不到稳定运行的要求，还有可能造成电容器带缺陷运行，从而导致故障扩大。因此，电容器组在运行过程中应避免缺台运行。

2.3 中性点不平衡电流保护整定值过高

查阅电容器组不平衡电流保护整定值发现，电容器组中性点不平衡保护整定值为0.2 A。根据中性点不平衡保护整定的原则，当二次不平衡电流达到0.2 A时，健全元件过电压达到1.7倍，会导致熔丝熔断。因此，0.2 A的中性点不平衡保护整定值偏大，不能在事故发生初期及时动作切除故障电容器，会造成内部故障进一步扩大。

3 改进措施

(1) 严禁电容器组缺台运行，补全缺少的电容器。查阅现场10 kV并联电容器试验报告得知，在预防性试验时，3号电容器组的A3，B3，C3为空，4号电容器组的A5，B5退出运行，C5为空。如果在此状态下将电容器组投入运行，会导致电抗器电抗与电容器组不匹配，电抗器起不到抑制谐波的作用，最糟糕时甚至会使谐波放大，造成电容器组故障扩大。为确保电容器组的安全运行，对3号电容器组的A3，B3，C3补充了相同规格的电容器；将4号电容器组的A5，B5重新接入；同时对C5也补充了相同规格的电容器。

(2) 重新调整电容器组不平衡度及不平衡电流保护整定值。按照《不平衡保护整定导则》中要求的电容器不平衡度(双星形接线中每个星的相间电容偏差要求小于1.003)重新配平电容器组，并按整定导则中提供的中性点不平衡保护二次动作值，重新设定保护装置的整定值。电容器厂家说明书规定，健全元件过电压不得超过1.5倍的额定电压值，按此过电压倍数计算二次不平衡电流值应为0.1 A，故将不平衡电流保护定值整定为0.1 A。

(3) 加强对单台电容器的检查及维护。由于电容器组已多次发生单元损坏和外熔断器熔断的故障，每次故障产生的过电压都有可能对电容器组中的其他电容产生损伤，今后一段时间内将会是电容器故障的高发期。因此，必须加强对电容器组的预防性试验，包括测试电容、极对壳绝缘等，并逐台进行极间耐压试验，确保电容器单元处于完好状态。同时，在运行过程中发现电容器异常时及时进行更换，并同时配平电容器组。

(4) 选择性能更好、寿命更长的外熔断器，同时更换运行时间较长的电容器组的外熔断器。外熔断器属于易耗品，应结合电容器检修周期定期进行检查及更换，特别是熔体受伤或不合格的熔断器。因此，对该站上述4组电容器组的外熔断器全部进行了更换，并将电容器组的外熔断器纳入日常维护项目中，定期进行检查及更换。

该变电站实施上述改进措施后，从2013年8月至今，4组电容器组未再发生故障。

2015-06-09。

曾繁伟(1976-)，男，工程师，主要从事变电运行管理工作，email：13923382383@139.com。