廖斌，梁晨，陳松，馮春林，黃楚秋

（桂林電力電容器有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

在交流電力系統(tǒng)中大部分負(fù)荷呈感性，為提高負(fù)荷的功率因數(shù)，需要對無功功率進行補償。并聯(lián)電容器裝置是變電站中最重要和應(yīng)用最廣泛的一種無功補償裝置，并聯(lián)電容器裝置故障會影響電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性及電能質(zhì)量。因此，確保并聯(lián)電容器裝置安全可靠穩(wěn)定運行對提高電壓質(zhì)量和變電站經(jīng)濟運行有著重要意義[1－5]。

本文通過某220 kV 變電站發(fā)生的一起35 kV并聯(lián)電容器裝置故障，分析查找出相關(guān)原因，并提出了相應(yīng)的措施和建議，為現(xiàn)場運維人員提供借鑒，對電容器的安全運行提供保障。

1 故障事件簡介

1.1 故障過程描述

變電站主接線圖見圖1，該變電站共兩臺主變。每臺主變的35 kV 母線側(cè)分別配置3 組戶外35 kV并聯(lián)電容器裝置，其中1 號～3 號并聯(lián)電容器裝置（TBB35-10008/417-ACW）并接于1 號主變35 kVⅠ段母線側(cè)，4 號～6 號并聯(lián)電容器裝置（TBB35-10008/417-ACW）并接于2 號主變35 kVⅡ段母線側(cè)。由于該站為一個擴建站，第1 期工程1 號～3 號并聯(lián)電容器裝置為A 廠家的產(chǎn)品，第2 期擴建工程4 號～6 號并聯(lián)電容器裝置為B 廠家的產(chǎn)品。

圖1 變電站主接線圖Fig.1 Primary wiring diagram of substation

2017 年5 月25 日，該站對擴建工程4 號～6 號3 組戶外35 kV 并聯(lián)電容器裝置投入試運行（即該站擴建工程電容器裝置試運行的第1 天）。在試投運6 號并聯(lián)電容器裝置拉閘的過程中發(fā)生故障?，F(xiàn)場按4 號-6 號-5 號的順序依次開始試投運3 組并聯(lián)電容器裝置。18：10 剛開始試投運4 號并聯(lián)電容器裝置的時候，由于差壓保護動作，開關(guān)跳閘，裝置退出投運（由于安裝公司在連接4 號電容器裝置A 相放電線圈二次繞組的連接線時，將引致距a1 端子約170 mm 處的連接線內(nèi)部芯線斷開（停電后查到），故試投運4 號并聯(lián)電容器裝置時，保護動作，投運未成功。）。18：20 試投運6 號并聯(lián)電容器裝置。18：23 試投運5 號并聯(lián)電容器裝置。18：50 對6 號并聯(lián)電容器裝置手動跳閘時，C、B 兩相電容器單元發(fā)生爆炸，有5 臺電容器套管炸斷，保護動作。同時5 號并聯(lián)電容器裝置因6 號并聯(lián)電容器裝置發(fā)生爆炸手動跳閘，退出試運行。

1.2 并聯(lián)電容器裝置基本配置情況

4 號～6 號3 組并聯(lián)電容器裝置設(shè)備配置如下：

并聯(lián)電容器裝置型號：TBB35-10008/417-ACW，電容器組串并聯(lián)數(shù)4 串2 并，保護方式為電壓差動保護，電容器裝置額定相電壓22 kV，額定電流151.64 A。

并聯(lián)電容器型號：BAM11/2-417-1W，內(nèi)部元件串并聯(lián)數(shù)16 并3 串，內(nèi)熔絲，內(nèi)放電電阻。

接地隔離開關(guān)型號：GW4-40.5DⅠW/1250A。

氧化鋅避雷器型號：YH5WR-51/134，2 ms 方波電流600 A。

干式空心串聯(lián)電抗器型號：CKCKL-35-167/35-5，電抗率5%，三相平裝。

高壓開關(guān)設(shè)備：額定電壓40.5 kV，額定電流400 A。

戶內(nèi)高壓真空斷路器裝置型號：VTK-40.5，額定電壓40.5 kV，額定電流2 500 A。

2 故障情況調(diào)查

2.1 6號并聯(lián)電容器裝置故障現(xiàn)場情況的初步了解

現(xiàn)場電容器裝置所有裸露母線及連接部位均加裝了熱縮護套（除電容器組母線金具處外）。觀察電容器裝置的一次接線及放電線圈的二次接線均未發(fā)現(xiàn)接線異常。

現(xiàn)場檢查A、B、C 三相框架，均未發(fā)現(xiàn)有對周圍放電閃絡(luò)的痕跡。

進入6 號并聯(lián)電容器裝置圍欄后檢查發(fā)現(xiàn)，B、C 兩相共有5 臺電容器套管折斷，其中B 相編號2電容器下套管折斷且底部轉(zhuǎn)角炸裂、編號7 電容器下套管折斷且大面轉(zhuǎn)角炸裂，見圖2-4。

圖2 B相編號2電容器下套管折斷Fig.2 Breakage of the lower bushing of No.2 capacitor in phase B

圖3 B相編號2電容器底部轉(zhuǎn)角炸裂Fig.3 Crack at the bottom corner of No.2 capacitor in phase B

圖4 B相編號7電容器下套管折斷且大面轉(zhuǎn)角炸裂Fig.4 Breakage and large crack at the bottom corner of bushing of No.2 capacitor in phase B

2.2 6號并聯(lián)電容器裝置現(xiàn)場檢測情況

現(xiàn)場的電容器編號見表1。

表1 6號并聯(lián)電容器裝置現(xiàn)場電容器編號情況Table 1 Numbering of on-site shunt capacitor of No.6 shunt capacitor

本次故障中6 號并聯(lián)電容器裝置24 臺電容器進行現(xiàn)場檢測，檢測結(jié)果見表2。

從表2 中可知：

表2 6號并聯(lián)電容器裝置電容器檢測結(jié)果情況Table 2 Detection result of capacitor of No.6 shunt capacitor device

1）A 相電容器組的外觀檢測正常，電容值測試正常。

2）B、C 兩相電容器組共有12 臺電容器單元電容值出現(xiàn)異常，其中有8 臺電容器單元的電容值為0，4 臺電容器單元的電容值變小。

3）B、C 兩相每一串均有電容器損壞。

4）電容器B 相呈開路狀態(tài)。

現(xiàn)場沒有進行電容器極對殼絕緣測試。

現(xiàn)場還對開關(guān)柜、電抗器、放電線圈、避雷器等主要配設(shè)備進行了初步的試驗。除開關(guān)柜發(fā)現(xiàn)電容器側(cè)B、C 相有放電痕跡外，沒有發(fā)現(xiàn)其他試驗數(shù)據(jù)異常。

2.3 4號和5號并聯(lián)電容器裝置檢測情況

A、B、C 相電容器組的外觀檢測正常，電容值測試正常。

現(xiàn)場檢查A、B、C 三相框架，均未發(fā)現(xiàn)有對地閃絡(luò)的痕跡。

A、B、C 三相避雷器的計數(shù)器均顯示值為0。

現(xiàn)場還對開關(guān)柜、串聯(lián)電抗器、放電線圈、避雷器等主要配設(shè)備進行了初步的試驗，沒有發(fā)現(xiàn)其他試驗數(shù)據(jù)異常。

2.4 不平衡電壓整定值

現(xiàn)場4 號～6 號三組并聯(lián)電容器裝置“不平衡電壓整定值”均設(shè)定為9 V、延時為0.5 s；廠家推薦的相電壓差動保護整定值為2.6 V，延時0.2 s（初始值為0.6 V）。

2.5 開關(guān)柜上保護動作記錄情況

現(xiàn)場檢查到6 號開關(guān)柜上保護無動作記錄。

2.6 電容器裝置避雷器動作記錄情況

4 號和5 號并聯(lián)電容器裝置A、B、C 三相避雷器的計數(shù)器均顯示值為0。

6 號并聯(lián)電容器裝置A、B、C 三相避雷器的計數(shù)器均顯示值為1。

3 故障原因分析

3.1 系統(tǒng)及電容器裝置運行正常

3.1.1 4 號并聯(lián)電容器裝置運行工況

2017 年5 月25 日18：11：15.996，4 號電容器裝置投入0.5 s 跳閘。

跳閘前Ua=20.8 kV、Ub=20.8 kV、Uc=20.8 kV，2 號主變35 kV 側(cè)母線相電壓（有效值）正常。

Ia=166.56 A、Ib=163.36 A、Ic=161.76 A，4 號電容器裝置電流（有效值）正常。

4 號并聯(lián)電容器裝置帶電期間，A 相不平衡保護持續(xù)有31 V（有效值）信號。

4 號并聯(lián)電容器裝置跳閘后，電流過零熄滅，沒有復(fù)燃或重?fù)舸瑪嗦菲鏖_斷性能正常；詳見圖5。

圖5 4號并聯(lián)電容器裝置斷路器正常開斷情況波形圖Fig.5 Normal interruption wave diagram of circuit breaker of No.4 of shunt capacitor

4 號并聯(lián)電容器裝置錄波圖表明，試運行時2 號主變35 kV 側(cè)母線相電壓（有效值）正常。

4 號并聯(lián)電容器裝置電流（有效值）錄波圖表明，試運行時2 號主變35 kV 側(cè)母線背景諧波正常。

3.1.2 5 號并聯(lián)電容器裝置運行工況

2017 年5 月25 日18：25：25，5 號并聯(lián)電容器裝置手動投入運行。

2017 年5 月25 日18：49：38，5 號并聯(lián)電容器裝置手動跳閘。

3.1.3 6 號并聯(lián)電容器裝置運行工況

2017 年5 月25 日18：21：56，6 號并聯(lián)電容器裝置手動投入運行。

2017 年5 月25 日18：50，6 號并聯(lián)電容器裝置手動跳閘。

6 號并聯(lián)電容器裝置投入試運行約30 min，保護沒有動作，說明6 號并聯(lián)電容器裝置在手動切除前，內(nèi)部正常無故障。

3.2 整定值設(shè)置過大

按內(nèi)熔絲電容器裝置的差壓保護整定值應(yīng)為2.6 V，延時0.2 s（初始值為0.6 V），而現(xiàn)場的“不平衡電壓整定值”設(shè)定為9 V，延時為0.5 s，顯然整定值設(shè)置過大，保護存在拒動的可能[6－7]。

3.3 6號并聯(lián)電容器裝置斷路器分閘后發(fā)生重?fù)舸霈F(xiàn)操作沖擊

2017 年5 月25 日18：49：58.731，斷路器A、B相發(fā)生重?fù)舸?，分?jǐn)嗟挠|頭間重新出現(xiàn)大小相等、方向相反的電流[峰值約900-1100A（約4-5 倍電容器組額定電流（峰值）、頻率約200 Hz]；35 kV 母線電壓幅值開始出現(xiàn)大幅波動、波形畸變，相電壓（瞬時值）最大達到43.28 kV，詳見圖6。

圖6 6號并聯(lián)電容器裝置斷路器A、B相發(fā)生重?fù)舸┣闆r波形圖Fig.6 Re-strike waveform diagram in phase A and B of circuit breaker of No.6 shunt capacitor device

2017 年5 月25 日18：49：58.752，電容器裝置手動跳閘位置為1 后20 ms，斷路器C 相分?jǐn)嗟挠|頭間出現(xiàn)電流峰值約1 980 A（約9 倍電容器組額定電流（峰值）），C 相開始出現(xiàn)差壓保護信號（可能C相電容器故障開始），詳見圖7。

圖7 6號并聯(lián)電容器裝置斷路器C相出現(xiàn)電流峰值情況波形圖Fig.7 Waveform diagram of peak current in phase C of circuit breaker of No.6 shunt capacitor device

2017 年5 月25 日18：49：58.753，斷路器C 相差壓保護信號峰值約51.5 V，隨后B 相開始出現(xiàn)差壓保護信號（可能B 相電容器故障開始），詳見圖8。

圖8 6號并聯(lián)電容器裝置斷路器C相差壓保護信號峰值情況波形圖Fig.8 Waveform diagram of differential voltage protection signal in phase C of circuit breaker of No.6 shunt capacitor device

3.4 6號并聯(lián)電容器裝置故障符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對斷路器重?fù)舸┎僮鬟^電壓的描述

GB/T 311.2—2013《絕緣配合 第2 部分：使用導(dǎo)則》第4.3.4.3 條：投切無功負(fù)荷時，某些類型的中壓斷路器會產(chǎn)生多次瞬態(tài)電流分?jǐn)?，如不采取適當(dāng)保護措施可產(chǎn)生高達6.0 p.u.的過電壓。

GB/T 311.2—2013 第4.3.3.6 條：切斷容性電流（切除空載線路、電纜或電容器組）時引起斷路器的重?fù)舸┛僧a(chǎn)生特別危險的過電壓，必須使用無重?fù)舸┑臄嗦菲?。而且電容器組，特別是不接地電容器組投入時，對相間過電壓的估算必須非常慎重。

GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》第5.3.1 條：用于并聯(lián)電容器裝置的斷路器選型，應(yīng)采用真空斷路器或SF6斷路器等適合于電容器組投切的設(shè)備。對于10 kV 及以下并聯(lián)電容器裝置，宜選用真空斷路器或真空接觸器；對于35 kV 及以上并聯(lián)電容器裝置，宜選用SF6斷路器或負(fù)荷開關(guān)。所選用斷路器/負(fù)荷開關(guān)技術(shù)性能除應(yīng)符合斷路器/負(fù)荷開關(guān)共用技術(shù)要求外，尚應(yīng)滿足下列特殊要求：

1）應(yīng)具備頻繁操作的性能。

2）合、分時觸頭彈跳不應(yīng)大于限定值。

3）投切開關(guān)容性電流能力應(yīng)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《高壓交流斷路器》GB/T 1984 中C2 級斷路器要求。

4）應(yīng)能承受電容器組的關(guān)合涌流和工頻短路電流，以及電容器高頻涌流的聯(lián)合作用[8-12]。

3.5 6號并聯(lián)電容器裝置在斷路器跳閘發(fā)生重?fù)舸┖髽O短時間內(nèi)出現(xiàn)電容器大面積損壞

6 號并聯(lián)電容器裝置手動跳閘發(fā)生重?fù)舸┖?5 ms，電容器組C 相開始出現(xiàn)不平衡信號，此時C相電容器開始破壞。隨后，B 相開始出現(xiàn)不平衡信號，B 相電容器開始破壞。直至三相故障電流消失，僅6～10 ms 時間，B、C 兩相電容器組共有12 臺電容器單元電容值出現(xiàn)異常，其中有8 臺電容器單元的電容值為0，4 臺電容器單元的電容值變小。

GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》條文說明指出：3～110 kV 為不接地系統(tǒng)，接于此系統(tǒng)中的電容器組的中性點均未接地。因此，電容器組投切斷路器由于同期、彈跳、滅弧等性能的變化出現(xiàn)的重?fù)舸娙萜鹘M的電源側(cè)（高壓端）對地可能出現(xiàn)超過設(shè)備對地絕緣水平的過電壓。如在電抗率K=0 時的理論最大值為5.87 倍相電壓。而且，隨K值增大，過電壓呈上升趨勢；在電源側(cè)有接地故障時產(chǎn)生的單相重?fù)舸┻^電壓遠(yuǎn)高于無接地情況。當(dāng)開斷電容器組時斷路器發(fā)生兩相重?fù)舸?，則電容器極間過電壓可達2.87 倍及以上，超過了電容器的相應(yīng)絕緣水平。

傳統(tǒng)的相對地避雷器不能保護電容器的極間絕緣。而且，由于多種因素影響，相對地避雷器在運行中多次發(fā)生事故。電容器的操作過電壓保護與工程設(shè)計密切相關(guān)，針對性強，是迫切需要解決的一項應(yīng)用課題[13-16]。因此，大專院校和科研單位，對使用避雷器抑制電容器組操作過電壓進行了研究，力圖找到既安全又可靠的避雷器接線方式，想突破傳統(tǒng)方式的局限性，專家們有了一些共識，但仍有分歧。

4 結(jié)語

通過本次電容器裝置故障的分析，提出以下建議和措施：

1）采用無重?fù)舸嗦菲?。必須使用無重?fù)舸┑臄嗦菲?。真空斷路器在出廠前應(yīng)通過容性負(fù)荷30次連續(xù)投切無重?fù)舸├蠠挋z驗，以降低斷路器的重燃率。由于斷路器產(chǎn)生的操作過電壓導(dǎo)致6 號并聯(lián)電容器裝置爆炸，要求斷路器生產(chǎn)廠家重新更換了一臺合格的同型號技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的真空斷路器，并提供投切電容器組的型式試驗報告、電老煉試驗報告及采取防止電容器組分閘重?fù)舸┑募夹g(shù)措施。

2）更換全部電容器單元。由于6 號并聯(lián)電容器裝置經(jīng)歷了本次故障，所有電容器單元可能承受了較大的、較復(fù)雜的過電壓、過電流沖擊，電容器的極對殼、極間絕緣可能受到嚴(yán)重的損傷，極有可能在今后的運行中出現(xiàn)早期損壞。本次故障恢復(fù)時已將6 號并聯(lián)電容器裝置的電容器單元全部更換成新的合格的同型號技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的并聯(lián)電容器。

3）重新進行預(yù)防性試驗。對4 號～6 號并聯(lián)電容器裝置的放電線圈、電抗器、避雷器重新進行預(yù)防性試驗。

4）調(diào)整電容器裝置保護整定值。電容器組差壓保護整定值過高，對于內(nèi)熔絲電容器組內(nèi)部故障極限情況，保護將處于拒動狀態(tài)?？梢钥紤]在串聯(lián)電抗器上加裝過電壓阻尼裝置，抑制操作過電壓的危害。