并联电容器组中电容器击穿的特征分析

并联电容器组中电容器击穿的特征分析

王芳芳 潘琪杰

廊坊供电公司 河北廊坊 065000

【摘要】并联电容器组是现代交流电力系统的主要无功补偿装置。由于产品制造原因或

设计、运行、维护不当造成严重的电容器损坏事故，会给电网带来巨大的损失。因此，研究电容器的故障特性以完善电容器的保护措施是十分有必要的。

【关键字】并联电容器组；击穿特征

1.电力电容器的作用分析

电力电容器的作用都有：移相、耦合、降压、滤波等，常用于高低压系统并联补偿无功功率、并联交流高压断路器断口、电机启动、电压分压等。电力系统的负荷如电动机.电焊机.感应电炉等用电设备，除了消耗有功功率外，还要“吸收”无功功率。另外电力系统的变压器等也需要无功功率，假如所有无功电力都由发电机供应的话，不但不经济，而且电压质量低劣，影响用户使用。电力电容器在正弦交流电路中能“发”出无功功率，假如把电容器并接在负荷（电动机），或输电设备（变压器）上运行，那么，复核或输电设备需要的无功功率，正好由电容器供应。电容器的功用就是无功补偿。通过无功就地补偿，可减少线路能量损耗；减少线路电压降，改善电压质量；提高系统供电能力。

运行方式：（1）允许运行电压并联电容器装置应在额定电压下运行，一般不宜超过额定电压的1.05倍，最高运行电压不用超过额定电压的1.1倍。母线超过1.1倍额定电压时，电容器应停用。（2）允许运行电流正常运行时，电容器应在额定电流下运行，最大运行电流不得超过额定电流的1.3倍，三相电流差不超过5%。（3）允许运行温度正常运行时，其周围额定环境温度为+40℃～-25℃，电容器的外壳温度应不超过55℃。电力电容器分为串联电容器和并联电容器，它们都改善电力系统的电压质量和提高输电线路的输电能力，是电力系统的重要设备。

2.电容器击穿的分类及原因分析

2.1电容器击穿的分类

电击穿：当固体电介质承受的电压超过一定的数值时，就使其中有相当大的电流通过，使电介质丧失绝缘性能。电压的波形和频率对电介质的击穿也有明显的影响。大部分的电介质材料，在直流电压作用下的击穿场强比交流电压作用下的击穿场强要高。随着频率的提高，局部放电的破坏过程加剧，并且热效应增加，会导致击穿场强进一步降低。

热击穿：当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗产生的热量超过热的扩散时，电介质中的热平衡就被破坏，温度不断上升，最终造成电介质永久性的热破坏。显然，热击穿除了与所加的电压大小、类型、频率和介质的电导、损耗有关外，还与材料的热传导、热辐射以及材料的形状、散热情况、周围媒质温度等等一系列因素有关。

局部放电：因为电介质本身是不均匀的，在电场作用下，会在电介质的局部发生放电现象。

2.2电容器击穿的原因

由于电力电容器长期处于运载状态，经常会受到电网中各种非正常因素引起的过电流对电容器的冲击；当系统中电压、电流超越电容器的额定值时，将导致电容器内部介质损耗增加，造成过热加速绝缘老化，严重时会造成击穿。综合近年来变电站电容器被击穿的案例分析，主要原因有以下几种:

（1）制造工艺不良，使用中绝缘损坏下降，造成电容器内部原件击穿;

（2）电容器密封不良和漏油;

（3）操作不当，带电荷合闸;

（4）电容器组的布置和接线方式存在缺陷。

3. 并联电容器组中电容器击穿的特征——电容器一串电容元件击穿的特征量

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，电力电容器内部电介质的工作场强很高，电容器的过负荷、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，发生击穿的等效电路见图1。图 1中，Ca=184.8 μF，为一相中7只并联电容器的等效，Cg=105.6μF，为一只电容器内部一串电容元件的等效，Cb=35.2μF，为一只电容器内部 3 串串联电容元件的等效。

图1一相中一只电容器内部一串击穿的等效电路

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。因此，一串电容元件上击穿电压νg为νg=UCb/ (Cg+ Cb)计算得Vg＝2245 V。

击穿后Cg上电压迅速降低，电压Vr可近似为0。

Cg上击穿局部放电量，Qr＝0.303C。

Cg上击穿局部放电时电极间（Ca两端）的电压变化ΔU=Cb（Vg-Vr）/(Ca+ Cb)，计算得ΔU＝359 V。

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数尖峰波形， 利用等腰三角形近似等效局部放电电流波形，根据公式Qr=1/2irmΔt可计算放电电流的峰值irm，放电电流峰值与放电时间关系见表1。

表1 放电电流峰值与放电时间关系

3.并联电容器组中电容器击穿的故障

电力电容器在低压配电系统中作为无功功率补偿装置的主要电器件而得到广泛应用，但由于电容器长期处于运载状态，经常会受到电网中各种非正常因素引起的过电流对电容器的冲击；当系统中电压、电流超越电容器的额定电流值时，将导致电容器内部介质耗损增加，产生过热而加速绝缘老化、降低使用寿命，严重时可能使介质击穿，并发重大事故。

3.1过程

某日上午9时，某公司35KV变电站内6KV电容器补偿装置由于高压熔丝被熔断5根（不是一次熔断，而是自9月以来依次被熔断，一直没有备件更换）。变电站值班人员将电容器退出运行，断开断路器手车柜，合上接地刀闸；断开电容器进线柜隔离开关，合上接地刀闸。由电工对已坏的熔断器进行更换，10时熔断器更换完毕，操作人员按倒闸操作顺序依次断开接地刀闸，合上隔离开关，断开手车柜接地刀，并将手车摇至工作位置。该变电站系无人值班设计，操作人员在后台机上对电容器断路器进行遥合，在合闸的一瞬间，只听电容器室一声巨响，而断路器并没有跳闸，此时电容器三相电流依次为UA=196.8A，UB=126A，UC=195.6A（该电容器组容量为3000Kvar，单只容量为200Kvar，为星形接法，串联电抗器为180Kvar）。值班人员当即到电容器室检查，发现A相电容器有一只电容器鼓肚，保险熔断；B相有三只电容器鼓肚变形，保险熔断；C相有一只电容器鼓肚变形，保险熔断。值班人员随即断开断路器，并将手车摇至实验位，合上接地刀。

3.2事故分析

当日技术人员对现场情况进行分析初步认为，这是一起由于操作过电压引起的电容器击穿鼓肚事故。首先对断路器进行继电保护测试，结果表明保护及开关均能保证动作；其次如果是由于断路器触头弹跳引起过电压，则断路器出口及电容器进线侧所装的过电压吸收装置也应该动作保证，从而断路器跳闸。另外又对现场损坏的电容器进行分析发现，所损坏的5只电容器均是被更换了保险又重新投运的电容器，判断此次事故是（1）由于电容器质量造成。这是因为电容器在运行时内部发生击穿，引起熔丝熔断，重新更换熔丝后投运时，其余各台电容器对已击穿的电容器进行放电，放电能量大，脉冲功率高，使得电容器油迅速汽化，引起鼓肚、漏油，熔丝再一次被熔断。（2）有可能为谐振过电压引起。由于电容器组上并联有硅整流或其他非线性设备（在本次事故中，我认为是电源侧输入谐波源），非线性设备产生的畸变的电流、电压叠加在电容器的基波上，如果电容器容抗和系统感抗相匹配构成谐振，谐波的频率fn等于或接近电容器固有频率fo，这样致使电容器过电流和过电压，严重时引起电容器内部绝缘介质局部放电，导致电容器鼓肚损坏。另外，高次谐波频率高使得容抗下降，电流增加，电容量增加，熔丝熔断。

3.3经验教训

在电容器运行过程中发生高压熔丝熔断，应立即退出运行，对电容器进行绝缘耐压试验，如果发生绝缘下降或击穿必须立即进行更换。

4.结束语

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。

参考文献：

[1]刘生辉.并联电力电容器过电压分析与仿真研究[D]，华南理工大学，2015.

[2]王友功.电力电容器的绝缘击穿[J]，电力电容器，2017.