并联电容器补偿分析和在异常工况下的故障分析与处理1.doc

论文题名：并联电容器补偿分析和在异常工况下的故障分析与处理

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专     业：电力系统自动化
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并联电容器补偿分析和在异常工况下的故障分析与处理

[提要] 针对电容器补偿原理及方法对系统异常运行工况下电容器发生故障的原因进行分析，并提出处理对策。
关键词 电容器补偿 异常运行 故障分析 保护措施
并联电容器(以下简称电容器)是目前使最多的一种无功功率补偿装置。近年来，随着电网的高速发展，电容器及其无功补偿成套装置投入电网运行已越来越多，但运行经验表明，除电容器本身缺陷会引起事故外，系统不正常运行工况也会引起事故的发生。特别是电容器爆炸起火恶性事故的发生，将严重威胁着变电所的安全运行，这对目前无人值班变电所综合自动化提出了新的课题。本文针对电容补偿的原理及计算方法进行阐述和补偿系统在异常运行工况下lOkV电容器发生故障的原因进行分析，并提出对策。
一、电容补偿电路原理和计算
(一)补偿电路原理 ‘
交流电力系统需要电源供给两部分能量：一部分用于作功这部分电能将转换为机械能、光能、热能和化学能，称为有功功率；另一部分用来建立磁场，用于交换能量使用，它由电能转换为磁能，再由磁能转换为电能，周而复始，并没有消耗；称为无功功率。在电力系统中，除了负荷需要无功功率以外，线路的电抗和变压器的电抗也需要无功功率。

QC
S Q

S/ Q/
φ φ/
图 1一1 电力负荷的功率三几角
由上可知，电力负荷一部分是感性的，需要电源供给无功功率为Q，当加装容量Q的电容补偿装置以后，其功率三角形如图1—1所示，使由电源输出的无功功率减少为Q，功率因数由cosφ提高到cosφ/，视在功率S/也较原来S要小。
电容器的补偿作用可以用电流的关系来加以说明。电力负荷的总电流I可以分为有功电流IR和无功电流IL. 以端电压U为基准，有功电流IR与电压U的向量相同，无功电流IL比电压U落后90。，如图1—2所示。
当电容器接入电网时，流入电容器的电流Ic比电压U超前90。，容性电流I c与感性电流IL方向恰好相反，从而抵消一部分感性电流，使感性电流IL减小到IL，I/L=IL—IC。总电流由I降徒到I/，功率角φ减小到cosφ/ 得到了提高。如果补偿的电容电流等于电感电流，功率因数将等于1，这时无功功率可以全部由电容器供给，电源只输送有功功率. .
ic

iR
φ/
i/1 φ i/
il i

il

图1-2电力负荷的电流关系 (二)补偿电路方式
(1)个别补偿 电容器直接接在用电设备附近.个别补偿的优点是可以减少企业供电线路及变压器的无功负荷，相应减少了线路和变压器中的有功损耗，还可以减小配电线路的导线截面和变压器的容量，因而取得的补偿效果最好。其缺点是电容器的利用率太低．投费费用大，还可能受到剧烈的震动。所以个别补偿仅适用长期运行的大容量电动机及较长的供电线路。
(2)分组补偿 电容器组接于车间配电母线上，这种补偿方式
的利用率比个别补偿高。但它只能减少高压供电线路和变压器中的无功负荷，而低压配电线路中的无功负荷仍然存在。
(3)集中补偿 电容器组接在厂总降压变电所的母线上，一般功率因数较低的主变电所都采用这种补偿方式。集中补偿的优点是电容器组利用率高，能减少电力系统、供电线路和主变压器的无功负荷，但不能减少工厂内部配电网络之间的无功负荷：
(三)补偿容量计算
1．用计算法：求补偿设备的容量计算公式如下：

Qc=Ppj(tg1—tg2)或QC=Qpj(1- )
式中 Qc——所需补偿的容量，kvar；
Ppi——最大负荷月或负荷班的有功负荷，kw
QPj——最大负荷月或负荷班的无功负荷，kvar;
tgφ1——推算Ppj或Qpj时，求得相应无功功率因数的正切；
tgφ2——要求达到的功率因数的正切。
2．用诺模图求补偿设备的容量
诺模图如图l-3所示。根据补偿前后功率因数cosφ1和cosφ2的值，在图1-3上取其相应的两点，在两点间进行连线与系数K的坐标相交于第三点，此点即为系数K的值。其补偿容量可按下式计算：
QC=Kppj
3．电动机个别补偿设备容量的计算
一般应以电动机空载时补偿其功率因数接近1为宜，但不能等于1，以防产生并联谐振。若以满载情况补偿功率因数至1，则空载或轻载时势必造成过补偿。过补偿的电动机在切断电源后，由于电容器的放电供给电动机励，能使旋转中的电动机产生严重的过电压。因此电动机个别补偿容量可按下式计算：
Qc<UeI。
式中 Ue——电动机的额定电压，kV； 0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8
1.8

1.7

1.6

1.5

1.4

1.3

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4
1.0

0.95

0.90

0.85

0.8

0.75

0.7
cosφ1 K cosφ2

图1-3 补偿电容量运算图 I。——电动机的空载电流，A。
二 ` 电容器的投入和切除
(一)并联电容器的投入和切除
电力系统中的并联电容器是一种操作比较频繁的设备。由于电力负荷经常发生变化，系统中需要的无功功率也在不断变化，装有电容器的变电所就需要随时调整电容器的容量，将一部分或全部电容器从系统中切除或投入运行。 在正常情况下，电容器分合闸操作是比较有规律的。例如每天中午工厂休息、深夜到凌晨负荷减少、电网需要的无功功率减少、电压升高等，为了避免变压器过励磁运行和其它不良后果，必须将电容器切除。而正常工作和天黑照明负荷增大时，又需将电容器投入运行。
此外，由于供电方式改变引起无功功率的变化、电炉负荷或其他动力和停用、系统电压短时间增高或降低、电容器本身故障等，都需要操作电容器。
电容器分合闸将引起一些特殊现象。在合闸时产生很大的冲击涌流；在分闸过程发生重燃的可能性。同时产生数倍的操作过电压。对这些暂态现象必须采取有效的预防措施。
（二）并联电容器的单组投入
单组电容器合闸涌流大约为电容器组额定电流的5~15倍。这个电流对开关触头有损害，其损害程度随操作次数增加而加剧。电容器合闸时产生的过电压在未充电的电容器上是1.8~2.0倍的相电压；在充电的电容器上最严重时为2.7~3.0倍相电压。
(三)电容器的追加投入
为了适应电网电压波动，．变电所可能装设多组电容器，各组可以单独投运。如果有一组或几组电容器已经在电网运行，当需要将另一组没有充电的电容器追加投入到运行中的电容器并列运行时，如2——1所示，由于追加合闸的电容器C2距离运行中处于充电状态的电容器C1很近，电容器C1近似于短路状态，合闸涌流几乎全都由电容器C2供给；限制这个电流的只有两组电容器之间母线上的电感L，由于两组电容器互相邻近，电感L很小电容器C1将向电容器C2大量充电。这时合闸涌流将达到很危险的程度，当电网饱压处于峰值的瞬间，涌流将达到最大值。最大的合闸涌流将达到电容器组额定电流的20多倍，其振荡频率可达到15000Hz，它将对开关和电容器造成危害。因此，规定当变电所有两组以上的电容器时，必须采取限制涌流的措施。
(四)投入涌流的抑制
电容器合闸涌流衰减很快，一般不超过2ms的时间，即能降低到无害的程度。单组合闸的涌流一般都小于现代开关设备的允许最大合闸电流，所以不需要采取抑制涌流措施。但有的开关速度较慢．触头还没有闭合就产生击穿点弧，这时电流急剧上升，，在开关内部产生很大的应力和机械振动，使开关损坏。频繁合闸将使触头烧损，追加合闸并联时后果将十分严重。限制合闸电流的方法主要是开关加并联电阻和安装串联电抗器。 ；

L L K

C1 C2
图2-1追加投入电路原图
三 电容器保护
(一)熔断器保护
电容器组的每台电容器上都装有单独的熔断器保护。这种栅器结构简单、安装方便．只要配合恰当，就能迅速将故障电容器切除，键免电容器的油箱发生爆裂事故。当故障电容器被切除除后，其它健全的电容器可以继续运行；以免开关跳闸频繁。还可以保持对系统继续供给无功功率，使运行电压保持稳定。此外，熔断器熔断后有明显的标志，动作后很容易发现．运行人员根据标志能迅速找到故障电容器，以便在适当时候将它拆换。
熔断器熔体的选择应由熔体的安秒特性决定。—般熔体的熔断电流为电容器额定电流的1.5~2.0倍，即电容器额定电流的1.5倍以下不熔断，额定电流2倍以上必须熔断。
’
(二)过电流保护
过电流保护主要是防止电容器组过负荷运行和电容器母线相间短路事故，电容器过负荷的原因；一是运行电压高于电容器额定电压；二是谐波引起的过电流．根据国家规定，电容器负荷电流为电容器额定电流的1.3倍。过电流继电器应根据这一原则进行整定． ·
电容器组母线相间短路有不同的形式。电源侧发生相简短路电流最大，其数值由系统的短路阻抗决定。当短路发生在同一相或不同相时，三相电流流不平衡，不平衡电流的大小与短路发生处有关。过电流保护定值还必须考虑以上的短路故障。 ·
为了避免合闸涌流引起开关的误动作．过电流保护应有一定的时限。由于涌流持续时间很短，时限整定到0.5S以上就可躲过涌流的影响。但是在整定时还得考虑与上一级保护互相配合。
（三）过电压保护和低电压保护
电容器可能出现的过电压有工频过电压，操作过电压和雷击过电压三种。当系统电压超过电容器的最高允许电压时，内部游离增大，可能发生局部放电。为了保护电容器在不超过最高允许电压下运行，一般采取过电压保护。继电器的整定值为电容器额定电压的1.1~1.2倍。当变电所只有一组电容器时，可作用与跳闸；始有两组电容器，可动作于信号或切除一组电容器，当电压仍不能降低时，再切除其余电容器。
当电容器组采用不重然开关时，操作过电压很低，不需要特殊保护。雷电过电压一般由变电所内的避雷器保护。当电容器组需要装设避雷器时，最好采用无间隙氧化锌避雷器。该避雷器当电压达到保 护值时就放电，避雷器中只通过足以维持这一电压的电流，能量吸收比普通避雷器要小。
当母线电压降低到额定值锝60%时，低电压保护继电器动作，将电容器组切除
四 电容器故障现象
（一）瓷套管及外壳渗漏油
电容器是全密封的电气设备，由于制造工艺、运输等原因，出现渗漏油，导致套管内部受潮，绝缘电阻降低。随着电容器运行电压、温度等变化，内部压力增加，渗漏油更为严重。渗漏油部位多发生在瓷套管与金属外壳的联接处以及金属外壳的焊接缝等处。
（二）瓷绝缘表面放电闪络
电容器在运行中若缺乏定期清扫和维护，其瓷绝缘表面因污秽严重，在电网出现内、外过电压和系统谐振的情况下导致绝缘击穿，局部放电，造成瓷套管闪络破损，响声异常。
（三）外壳鼓肚
当电容器内部元件发生故障击穿时，介质中将通过很大的故障电流，电流产生的电弧和高温使浸渍剂游离而分散产生大量气体，使得电容器内部压力增大，导致其外壳膨胀鼓肚。这是运行中电容器故障的征兆，应及时处理，避免故障的蔓延扩大。
（四）电容器爆炸
电容器爆炸是一种恶性事故。当电容器内部元件故障击穿造成电容器极间贯穿性短路时，与其并联运行的其他电容器将对故障电容器充电，如果注入故障电容器的能量超过其外壳所能承受的爆破能量，则电容器爆炸．当电弧点燃的液体介质溢流时，还会造成火灾：针对上述电容器的故障和异常现象，对运行中的电容器应严格监视其运行电压、电流和周围的环境温度。按期进行巡视检查、定期维护，发生故障时，应立即退出运行，及时通知检修部门来处理。
五 电容器故障原因分析及对策
（一） 运行电压过高
电容器的运行电压是指电容器所接变电所母线的系统电压，它直接影响电容器的寿命和出力。运行中电容器内部的有功功率损耗由其介质损失和导体电阻损失二部分组成，而介质损失占电容器总有功功率损耗98%以上，其大小与电容器的温升有关，可用下式表示：
P=Qtan＆=ωCU2tan&••10-3
式中：P——电容器的有功功率损耗(kW)，
Q——电容器的无功功率(kvar)；
tan& ——介质损失角正切值
ω——电网角频率(rad／s)；
C ——电容器的电容量(μF)；
U——电容器的运行电压(kV)。
由公式可知。电容器的有功功率损耗和电容器输出的无功功率大小均与电容器的运行电压的平方成正比。随着电容器的运行电压增高，电容器的有功功率损耗增加很快。温度迅速升高，变压器绝缘寿命降低。特别是在工频过电压下长时间运行，电容器损坏更快。因此，电容器需装设较完善的工频过电压保护。
（二） 运行温度过高
环境温度对电容器的运行温度影响很大。有试验表明，当温度升高10℃，电容器的电容量下降速度将加快一倍。电容器长期处于高电场强度和高温下运行将引起绝缘介质老化和介质损失角&的增大，使电容器内部温升超过允许值而发热，缩短电容器的使用寿命，严重时，在高电场强度作用下导致电容器热击穿而损坏。为了防止电容器因运行温度过高导致绝缘寿命降低、电容量下降，运行中应随时监视和控制其环境温度，尽可能采用强迫通风，改善电容器的散热条件。周围环境温度超过+30℃时应开启通风装置，空气温度在+40℃时，电容器外壳温度不得超过+55℃；空气温度超过+40℃时电容器应停止运行。
（三） 高次谐波引起过电流
(1)高次谐波对电容器的危害 近年来，随着大型电弧炉、整流设备、家用电器等非线性用电设备的广泛应用，各种谐波源产生的高次谐波电流注入电网，从而引起电力系统的电压和电流波形的严重畸变。这些畸变的电压和电流将对电容器造成更大危害。 流入电容器的谐波叠加在电容器的基波上，如果电容器容抗与系统感抗相匹配构成谐振，此谐振对高次谐波产生放大作用，致使电容器过电流和过电压，严重时可引起电容器内部的绝缘介质局部放电，导致电容器鼓肚损坏，甚至使装置无法正常投入运行。
(2)限制高次谐波的措施 对于电网中影响到电容器安全运行的谐波源，应通过谐波测试及谐波响应分析找出该谐波源，根据谐波源产生的原因采取相应的措施。目前，最有效的办法是在电容器的回路中装设适当参数的串联电抗器或阻尼式限流器来限制电网谐波。在选择电抗器参数时，避免回路的容抗与系统感抗匹配产生谐振。在电力系统中，三相电压波形是对称的，所以谐波中无偶次谐波分量，高次谐波主要是奇次分量。在中性点绝缘系统中，3次谐波不能构成回路，因此，只要重点考虑5次谐波分量对电容器的影响。考虑到感抗值应有一定的裕度，所以一般取可靠系数为1．2—1．5。串联电抗器的电抗值应按下式选择：
XL=1.5X/n2=1.5Xc/52=0.6XC
式中：XL——串联电抗器感抗（Ω）
Xc——电容器容抗（Ω）
n—— 谐波次数
目前，在110KV及以下变电所内，通常装设4.5%~6%的串联电抗器或采用小电抗值的阻尼式限流器方式，使得补偿电容器回路的谐波总阻抗呈现感性，抑制5次及以上谐波而又不致对3次谐波过量放大或引起谐振。此外，它还能够限制电容器组的合闸涌流冲击，减小电容器回路开断时所产生的过电压。
（四） 开断电容器组引起操作过电压
(1)操作过电压的形成 目前，用于操作10k v电容器组的断路器多采用真空断路器。但真空断路器在合闸时触头存在弹跳现象，因而容易发生合闸过电压，过电压的峰值一般比较低，对电容器影响不大。由于电容器操作频繁，特别是当开断电容器组时，有可能造成电容器重燃或重击穿引起较高的过电压。重燃过电压一般指的是电弧熄灭后，在工频电压相位角θ为0～90。范围内电弧复燃；重击穿是指θ为90。～180。范围内电弧复燃。电弧复燃会产生过电压，计算和实测表明：开断电容器组时单相重击穿出现于电容器高压侧的对地过电压可达4．0Pu(1，0Pu等于合闸后电容器极间稳态电压峰值)以上，两相重击穿时电容器极间过电压超过2.52Un超出国家标准《高压并联电容器》(GB3983．2—89)中5．2．3的规定，即电容器极间可以承受工频交流电压为2.15Un所以真空断路器重击穿过电压对电容器及电网中其他设备的绝缘是有害的，必须采取有效的保护措施来限制操作过电压。
(2)限制操作过电压的保护措施 运行经验表明，电容器组故障与电容器的配套设备质量有关，尤其是与开关质量的好坏及氧化锌避雷器动作特性的好坏密切相关。为了防止重燃或重击穿产生的过电压危害，必须提高断路器的触头分闸速度，提高触头间的介质恢复强度，减少重击穿的发生。因此，用作开断电容器组的真空开关，一定要选用铜铬合金触头的无重燃的真空断路器，必要时应向厂方申明，要求对真空管经过“运行老炼”工艺处理或作出质量保证。考虑到变电所母线上的电容器组投切操作频繁，真空断路器难免发生重击穿而产生很高的操作过电压，危及电容器组设备的安全运行，故电容器补偿装置必须装设无间隙氧化锌避雷器来限制过电压幅值。
（五）电源断开引起失压 运行中的电容器如果突然失去电压，电容器本身并不会损坏，可能产生以下两个后果：其一，变电所因电源侧瞬时跳闸或主变压器断开，若电容器仍接在母线上，当电源重合闸或备用电源自动投入将造成电容器带负荷合闸，以致使电容器过电压而损坏。其二，当变电所失电后电压恢复时，电容器不撤除，可能造成空载变压器带电容器合闸，产生谐振过电压，将使变压器或电容器损坏。此外，在变电所停电后电压恢复的初期，母线电压可能因无负荷而过高，引起电容器过电压，所以电容器应装设失压保护。失压保护的整定值应能在电容器所接母线失压后可靠动作，而在母线电压恢复正常后可靠返回，其动作值一般可整定为0．3～0.6倍额定电压，动作时间应与本侧出线后备保护时间配合。
六 合理选择电容器接线及保护方式
10kV电容器故障类型有两大类：一是系统异常运行工况对电容器的安全运行造成危害；另一类是指电容器内部(包括联接线)故障。不同的电容器故障类型需安装不同的保护。异常工况的保护前面己分析，这里不作进一步阐述。特别是作为电容器内部故障的主保护，应能直接反映电容器内部击穿的情况，因此这类保护的安装与电容器接线方式的选择密切相关。 ’
电容器组的接线方式大体可分为单星形接线、双星形接线和角形接线等几种。接线方式选择得正确简单，保护配置得合理可靠，可使电容器的故障大为减小。在故障情况下，角形接线的电容器组直接承受线间电压，任何一相电容器被击穿时，将形成相间短路，故障电流很大，易造成电容器．油箱爆炸，而星形接线的电容器组的一相被击穿时，由于两非故障相的阻抗限制，故障电流不会太大。故电容器内部故障的保护采用星形接线且中性点不接地的方式为好，这种方式接线简单，灵敏度高，不受系统接地故障、电压波动和高次谐波的影响，是一种较为理想的保护方式。目前，国内普遍采用单星形接线的开口三角电压保护与双星形接线的中性点不平衡电流保护。

参考文献
1工厂配电设计手册；北京：水利电力出版社，1987
2 电机工程手册编辑委员会。电机工程手册 北京：机械工业出版社，1996
3 配电电网无功补偿技术讲座（第九讲） 电世界，1984（4）