10 kV成套并联电容器无功补偿柜故障分析

施文丰

(中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223)

由于并联电容器能够提高电力系统的功率因数、稳定系统电压、降低系统能耗,被广泛应用在各级变配电站内[1]。因为10 kV成套并联电容器无功补偿柜(以下简称成套柜)防护等级高,故障发生时电弧被限制在柜内,对运行人员来说更为安全可靠,从而被广泛应用在各类工商业末端变配电所内。但喷射式熔断器[2,3]在成套柜内的不当使用、成套柜安装调试不到位、运行管理不当,会造成故障的扩大。

1 电力系统及成套柜故障概况

某化工厂电力系统概况如下:全厂设置1座110 kV总降压站;2回110 kV架空线路分别引自供电公司2个不同的变电站;110 kV系统采用双母线接线(母联正常分位);设有2台110 kV/10.5 kV 40 MVA主变;10 kV系统采用单母线分段接线(母联正常分位);每段10 kV母线设成套电容补偿柜1组(4 800 kvar),每组补偿柜分为4个分支,容量分别为600 kvar、1 200 kvar、1 500 kvar、1 500 kvar,各分支均采用真空接触器进行投切,采用熔断器进行保护;10 kV系统采用消弧线圈接地系统。该厂电力系统简图和成套柜简图见图1和图2。

图1 电力系统简图

图2 无功补偿简图(单套)

2023年某日,该化工厂110 kV总降压站内II段10 kV开关柜(10 kV电容器馈线柜)的过流保护I段动作,断路器跳闸,全厂10 kV系统发生短时电压波动;该起电气故障导致部分工艺生产装置停车。

2 故障分析

故障发生后,经现场勘察、试验发现:① II段成套柜内的第2～4分支的喷射式熔断器均熔断(见图3),1 200 kvar分支的电抗器a相下端连接电容器的接线柱烧融、烧断(见图4),1 200 kvar分支的a相电容器中性点侧接线柱烧黑,a相电容器漏液(见图5);② II段10 kV开关柜(10 kV电容器馈线柜),过流I段动作,断路器跳闸成功,动作电流8.875 A,电流互感器变比300/1 A,折算为一次值2 662.5 A。总降压站内专用故障录波装置启动,录得2#110 kV主变10 kV侧二次最大故障电流1.737 A,故障持续时间约158 ms,故障前、后电流为0.4～0.5 A,电流互感器变比2 000/1 A,折算一次电流增量约为2 600 A左右。2#主变110 kV侧电压由59.5 V跌至41.95 V(相电压,二次值),跌幅29.5%。消弧线圈控制器上查得单相接地记录5次,其中4次单相接地故障的记录为该起故障时刻的前1 min之内;另外1次单相接地故障记录距该起故障时刻45 d。小电流选线装置未查到相关故障记录。电容器各分支保护装置无动作记录(分支继电保护未投用)。检查还发现成套柜柜内一次回路的部分螺栓存在松动情况(用手可以直接拧动)。对成套柜柜内元件进行耐压试验、电容器电容量测试等试验[4],结果显示:除第2、3、4分支的熔断器熔断、第2分支的电抗器损坏、第2分支a相电容器损坏外,其余一、二次元件均正常。

图3 熔断器熔断

图4 电抗器接线柱烧断

图5 电容器漏液、接线柱烧黑

结合微机综保动作记录、消弧线圈控制器和专用故障录波记录,判断故障原因为第2分支的电抗器与电容器接线柱处,见图6中“f”点处和图4,由于螺栓未紧固,运行后持续发热,引起弹簧垫圈失效,导致螺栓松弛,接触电阻进一步变大,发热更为严重,当热积累到一定程度时,发生绝缘的热崩溃,导致该处发生单相接地故障;接地后,a相电容器对地直接放电,同时消弧线圈进行了补偿,系统恢复正常;a相电容器对地直接放电引起其部分内熔丝[5]熔断;间隔几秒后,电抗器与电容器接线柱处再次发生单相接地,如此反复几次后,“f”处被a相电容器直接对地放电电流和系统单相接地短路电流烧熔、烧断;a相电容器经多次对地弧光短路冲击,中性点侧的接线柱烧黑,内部发生了严重击穿,发生漏液,继而引起a相的喷射式熔断器2FUa熔断,喷射产生的弧光和喷射物引起成套柜内母线三相短路,电弧光朝第3、4分支侧漂移,导致第3、4分支的熔断器也同步发生熔断;本次三相短路造成整个10 kV系统晃电,后由10 kV开关柜的过流I段动作,断路器跳闸成功,故障被切除。

图6 故障示意

综上所述,本起故障的直接原因为:成套柜的安装调试人员在做耐压试验后,恢复柜内一次接线的过程中,对相关的连接螺栓未完全紧固,导致通电后接线柱发热,热积累诱发单相接地短路。故障扩大的原因为:安装调试单位对各电容器分支的保护装置未按规范进行整定和调试,成套柜的电压不平衡保护[6]形同虚设,在发生单相接地引发a相电容器内部熔丝部分熔断,放电线圈二次侧有较大不平衡电压时,电容器分支的电压不平衡保护未能及时切除该分支,导致a相电容器内部进一步击穿;电容器成套柜内设置的喷射式熔断器2FUa在熔断时喷射,使单相故障进一步扩大为了三相短路故障。组织方面的间接原因为:成套柜在送电前,未按相关规程的要求确认一、二次回路的完整性及继电保护的设置是否正确;在运行过程中,运行维护人员巡检不到位,未能及时发现单相接地故障及成套柜内的发热隐患。

3 故障处理

故障原因分析完成后,采取了如下方式对故障进行了处理:对成套柜内损坏的电抗器、电容器更换为同规格型号的新产品;将成套柜内所有喷射式熔断器均更换为限流式熔断器[2];一次耐压试压完后,对全部一、二次回路接线柱和端子重新紧固一遍;按设计要求将继电保护定值输入各分支的继电保护装置内,进行保护传动试验。所有试验合格后,重新对成套柜验收送电,送电后运行正常。

4 相关的防范措施

防范措施包括:① 严格按照GB/T 11024.3—2019要求,在成套柜采购订货过程中,若采用真空接触器进行投切电容器,则要求成套厂商使用限流式熔断器,不应在柜内使用喷射式熔断器;若采用真空断路器进行投切,则电容器应采用内熔丝进行保护,成套柜内的所有元件按满足系统动、热稳定的要求来配置;② 耐压试验完成后,在恢复一次接线的过程中做好相关接线的紧固工作;继电保护调试后,确保相关的继电保护功能投用;③ 有条件的地方,宜在每台成套柜内设置在线测温装置,加强电容器、电抗器及内部接线的温度监测;④ 对消弧线圈接地系统,做好消弧线圈控制器与小电流选线装置之间的配合,如小电流选线装置利用消弧线圈补偿后的残余电流的有功分量或高次谐波,以提高选线准确率[7],方便在发生单相接地故障时,运行值班人员能较快找出故障点。

组织措施为加强设备投运前的一、二次回路、继电保护装置的检查和确认,但在运行过程中加强巡检,及时发现隐患和缺陷。