一起220kV变电站10kV并联电容器故障分析

一起220kV变电站10kV并联电容器故障分析

韩一霈许刘峰

韩一霈许刘峰

(平顶山供电公司，河南平顶山，467000)

摘要：某220kV变电站10kV并联电容器装置运行一段时间后多次发生差压保护跳闸的情况，检查后发现共有8台电容器故障。本文以此次故障情况为例，从电容器装置产品质量、操作过电压、系统电压升高、合闸涌流、谐波等方面对电容器装置可能出现的故障原因进行分析。并根据分析结果提出相应对策，确保变电站无功补偿电容器安全、可靠运行。

关键字：并联电容器，无功补偿，故障分析，对策。

FaultAnalysison10kVShuntCapacitorInstallationat220kVSubstation

HanYipeiXuLiufeng

(Pingdingshanpowersupplycompany,PingdingshanHenan，467000)

Abstract：TheshuntcapacitorofA220kVtransformersubstationoccursdifferentialvoltageprotectiontripseveraltimesafteraperiodofoperation,Atotalofeightfaultsfoundafterchecking.Thispapertakeanexampleofthismalfunction,analyzingthepossiblereasonsforfailureofcapacitorrunningfromtheaspectsofproductquality,operatingvoltage,thesystemvoltageincreases,inrushcurrent,harmonics,etc.Andproposedcountermeasuresbasedonanalysisresults,toensurethatthesubstationreactivepowercompensationcapacitorsafe,reliableoperating.

Keywords：shuntcapacitors,reactivepowercompensation,malfunctionanalysis,countermeasure.

0.前言

无功补偿装置在电力系统中处在非常关键的位置，起着提高系统功率因素、改善电能质量、降低供电损耗等重要作用。变电站10kV或者35kV系统安装并联电容器组是目前电网中应用最广泛的无功补偿形式[1]。但电容器组运行中时有故障发生，严重影响设备、人员安全和供电可靠性。本文以某220kV变电站发生的一起10kV电容器组故障为例，分析故障的成因，并提出相应对策和处理方案。

1.故障经过及变电站概况

1.1故障发生情况

某220kV变电站（以下简称M站）#1主变10kV侧安装有3组并联电容器装置，2014年1月初次送电，之前一直运行状况良好，同年11月，该3组并联电容器组多次发生差压保护跳闸，检查后发现共有8台电容器故障。

1.2变电站主接线

该站220kV主接线为双母线接线；110kV为双母线接线；10kV不出线，仅带站用变及无功补偿装置，采用单元接线；380V站用电系统采用单母分段接线，2台站用变电源分别取自10kVⅠ段和Ⅱ段母线。变电站10kV主接线图如图1所示：

1.3电容器配置情况

M站现有1台180MVA主变压器，配备3组8016kvar电容器，无功补偿率为13.3%，满足《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》中规定的10%~25%补偿率要求[2]。具体参数如下：

表1

经过校验，此电容器组额定参数满足系统正常方式下的运行要求[3]。

2.故障原因初步分析

通过了解，近几年此类故障发生较为频繁。结合以往经验及本次故障情况，列出以下可能原因并具体分析：

2.1本体及相关附件原因

当电容器组存在缺台运行、内部放电现象时，将造成整组电容器工作不正常，进而导致故障；电容器运输过程中如果受到碰撞、挤压等外部因素致使外壳变形将造成电容量下降，长期积累也会引起故障；运行过程中若存在渗漏油现象，水分及杂质进入造成绝缘下降，将引起事故；接线掌接触不良，长期运行后设备发热引发故障等[5]。

根据M站运维人员的日常巡视工作记录显示，故障发生前一周，电容器运行状态良好，无明显运行缺陷。因此故障非本体及相关附件原因造成。

2.2母线电压偏高

当电容器长期工作于超过额定电压的状态时，将发热严重，造成介质击穿，损坏电容器[6]。分析故障发生时间非负荷高峰，当投入的无功补偿容量过大时，10kV系统易出现容性负荷或无功倒送情况，使母线电压升高。

根据M站运维人员提供数据，故障发生时母线电压正常。排除此原因引起故障的可能。

2.3运行环境影响

低温时，电容器内部可能发生局部放电；高温时，会加速电容器的热老化；或外部附着较多杂物时，会造成爬电比距降低；这些因素可能引起事故。

环境因素已在设备选取时进行过充分论证，因此排除此原因引起故障的可能性。

2.4合闸涌流

根据文献[4]可知，电容器组投入的瞬间会产生合闸涌流，其数值极大，当大于额定电流的20倍时，易造成电容器介质击穿。一般采用装设串联电抗器可以限制合闸涌流。

由于本站3组电容器均串联5%电抗器，对合闸涌流有良好的抑制作用，因此非此原因引起故障。

2.5谐波

对于工频，一般来说系统的感抗比容抗小的多，因而不会发生谐振。但对于高频率的谐波分量，系统阻抗随之发生变化，频率越高，阻抗值越小，在一定的参数条件下将会发生谐振。谐波分量发生谐振时将被放大若干倍，产生很大的过电流，造成电容击穿，毁坏电容器。

由于此原因引发此类问题较多，在下一章对此进行详细论述。

3.谐波可能性分析

考虑到本站3组并联电容器组电抗率为5%，对合闸涌流及5次以上的高次谐波有很好的抑制作用，但对3次上谐波则无法有效抑制，甚至具有有一定放大作用[7]。如果系统中存在3次谐波源，谐波经放大后可能导致电容器组承受严重的过电流、过电压，电容器内部元件击穿、内熔丝熔断、电容值变小，造成差压保护跳闸。

3.1是否满足谐振条件

根据实测数据，M站的10kV母线短路容量为：最大短路容量；最小短路容量。

根据《并联电容器装置设计规范》GB50227-2008，验算发生谐振的电容器容量计算公式为：

通过表2数据可以看出，电容器投入容量不在谐振点范围，这在M站设计时也进行过相应论证。

但分析可知，投入2组电容时补偿容量和最小运行方式下的谐振点容量较为接近，投入3组电容时补偿容量和最大运行方式下的谐振点容量较为接近。从运行角度分析，最大运方时确实有投入3组电容器的必要。此种运行方式下，若系统中含有较大谐波源，存在谐波经放大导致故障的可能。

3.2谐波源分析

谐波源是发生谐波谐振损坏电容器的充要条件，若系统中本身不存在3次谐波，则不可能发生谐振。

分析该站10kV为单元接线，Ⅰ母、Ⅱ母均已投入运行，各带1台站用变，不带出线，故障电容器组接在10kVⅠ母，10kVⅡ母上有外接电源引入。虽然站用变低压侧为三角形接线，可以阻止对称的3次谐波侵入，但谐波往往是不对称的，因此如果外接电源存在谐波源，且站用变低压侧并列运行时，存在高次谐波可以通过站用电通道反窜入10kV系统的可能。

同样，主变10kV侧虽然为三角形接线，也存在3次谐波由高压侧侵入的可能。而220kV及110kV系统中如果接有整流器、电弧炉、大功率电机等设备，可能会向系统中输入高次谐波。

3.3分析结果

综上所述，当系统中谐波含量较大时，存在谐波经放大导致故障的可能。

4.分析及结论

M站设计阶段曾对一期接入负荷情况进行过调查分析，一期接入负荷中无重大谐波源。2014年1月M站送电运行，夏季负荷高峰期也未出现故障情况，至11月第一次出现故障。但同年10月-11月，M站110kV侧有新的线路接入，10kVⅡ母引入外接电源的线路负荷结构也发生较大变化。

后经专业人员验证，故障时M站10kV系统中3次谐波含量确实超标，符合前边的推论。

因此，原因应为10月之后系统中有新的3次谐波源注入，导致谐波含量超标，引发跳闸事故。

5.相应对策

1、控制并联补偿电容器组投入容量，避开可能产生谐波的容量范围，同时注意避免过量补偿情况，不得向电网倒送无功[8]。

2、更换故障电容器，远期考虑将10kV电容器组电抗率5%串联电抗器全部更换为电抗率12%电抗器。12%电抗器可以有效抑制3次及以上谐波，避免此类故障再次发生，确保设备安全运行。

3、根据《电能质量—公用电网谐波》GB/T14549相关规定，加强对电网谐波的治理，遵循谁污染谁治理、多层治理分级协调的原则，减小谐波对电网的影响；加强可能影响电网电能质量水平的大容量非线性负荷的接入系统审查；加强大容量非线性用户投运后的评估和定期监测；加强对电能质量超标用户的考核力度；结合电压监测仪数据采集平台的建设，加强中低压电网谐波监测[9-10]。

参考文献：

[1]陈薪羽，马维勇.一起220kV变电站并联电容器装置故障分析.电力电容器与无功补偿.2013

[2]DL/T5242-2010，35kV～220kV变电站无功补偿装置设计技术规定；

[3]GB50227-2008，并联电容器装置设计规范；

[4]；GB/T14549-2008，电能质量—公用电网谐波；

[5]王英，陈文明，周军.高压电力电容损坏故障及分析处理.内蒙古石油化工.2013；

[6]刘明业.10kV并联电容器组运行维护分析.三角洲?电力科技.2014；

[7]余秦军，汪茂盛，曾云.电容器事故的谐波分析.电力电容器与无功补偿.2013；

[8]叶嘉仔.10kV电容器故障运行维护分析.企业技术开发.2012；

[9]周挺，李雪松.变电站并联电容器装置的电抗率配置.华东电气.2011；

[10]李胜川，高殿滢.一起66kV电容器故障的分析及预防措施.电力电容器与无功补偿.2009；

作者简介：

韩一霈（1988.3-），男，河南平顶山人，河海大学电气工程专业硕士研究生毕业。单位：国网平顶山供电公司，从事工作：变电一次设计。

许刘峰（1986.02-），男，河南平顶山人，河海大学电气工程专业硕士研究生毕业。单位：国网平顶山供电公司，从事工作：线损管理、电网节能降损研究！