高压电容器的保护和运行可靠性研究

高压电容器的保护和运行可靠性研究

摘要 随着高压电容器设备在电网的领域应用逐步深入，人们对它的可靠保护及安全运行方面越加关注。高压并联无功补偿装置不同于输配电网上的其它设备，区别之一是因补偿装置要跟踪负荷的变化使电容器投切开关频繁动作，对投切开关的电气性能和机械性能有特殊要求；二是电容器是高场强的高压设备易发生击穿故障，如保护手段不足就有可能引起电容器的爆炸着火等严重事故。本文针对以上两个问题进行研究分析。

关键词 高压电容器的保护；电容器专用投切开关；追加合闸涌流；重燃、电容器爆炸

1 高压电容器投切开关的可靠性

1.1 可靠性分析

通常分组自动投切的高压并联无功补偿装置需要电容器投切开关实施电容器的投入、切除操作，这就要求针对容性负载动作的开关具有以下要求。

投入时的涌流问题：高压电容器投切开关在投入电容器的瞬间会产生涌流，其频率约为250～4000Hz。单独一组电容器的合闸涌流约为额定电流的5～15倍，大小取决于系统电源的阻抗和电容器容量的大小，多组电容器逐级投入时，会产生其它运行电容器组的追加合闸涌流，涌流约为电容器额定电流的25～250倍，易造成电容器的损坏。

切除时的过电压问题：高压电容器投切开关在切除电容器时，分闸开始时刻可能在交流电的正半周峰或负半周峰，而开关的分闸时间一般都在10ms左右，约为交流电的半个周期；这样分闸时电容器保持了交流电正半周或负半周的峰值，分闸后电容器保持的电势和电网上交流电的峰值叠加在开关触头的间隙上，若不考虑其它因素开关触头间隙上的电压约为2～3倍的额定电压。一般情况下，系统都有串联电抗，在分闸的瞬间都带有复杂的震荡，所以在分闸后的瞬间加在开关触头间隙上的电压可能是几倍的额定电压。如果开关触头间隙不够大、真空度不够高、弹跳等因素都会造成重击穿，第一次重击穿发生后电容器上就保持了第一次重击穿时的电压，第二次重击穿更容易发生，第二次重击穿发生后电容器上的电压会更高，第三次重击穿更不可避免。这样的恶性循环在电容器上的电压一次比一高，直到某种保护起作用切断电源或导致开关灭弧室及电容器的爆炸。

动作寿命问题：高压电容器投切开关不同于输配电网上的其它设备，设备要跟踪负荷的变化每天可能分合闸几次甚至十几次，电容器投切开关长期频繁动作，这样就对开关的机械性能及电气性能有特殊要求。

1.2 解决原则

以上说明，高压电容器投切开关和普通负载的开关有很大的区别，投入电容器时开关触头要求承受的电流是额定电流的几倍、几十倍，甚至几百倍，切除电容器时开关承受的电压是额定电压的两倍以上。普通负载的开关合闸、分闸时没有以上现象，所以高压电容器投切要选取电容器的专用投切开关，并应注意以下几点：一是灭弧室触头承受电流要尽量大、触头压力不能小；安装两组电容器最好在组间串联限流电抗器来抑制组间追加电流（适合高压线路补偿装置），如安装两组以上电容器则每组要加装限流电抗器或4.5%～12%串联电抗器抑制涌流及谐波。二是投切开关触头间隙要尽量大，以承受分闸时的过电压，避免重燃；三是投切开关的机械性能及电气性能要好，可频繁投入和切除延长其使用寿命。另外避免使用可靠性差、高损耗的高压交流接触器作为电容器投切开关；四是投切开关本身要节能环保。（注：高压交流接触器相比永磁结构的投切开关每台年节电5000度以上）

2 高压电容器的保护

2.1 故障分析

高压电容器是高场强的高压设备，高压投切开关的频繁投切容易发生击穿事故，有时可能会引起电容器的爆炸着火，通常此类事故的防范一直是个棘手问题。很多人认为熔断器是保护电容器最可靠、最有效的方法，其实不然，熔断器不能阻止有内熔丝/无内熔丝单只电容器的爆裂和爆炸，最有效的方法还是在设备运行时及时的发现早期故障，发现后尽快把故障电容器切除掉，是保证之安全运行的根本条件。

分析如下：高压电容器补偿装置一般为星形联接的多组电容器，如单只三相电容器内部由四到五个甚至更多的小单元电容器串联组成，额定电压就分配在这几个小单元电容器上，如图1。当某个单元的电容器发生击穿损坏则会使剩下的单元电容器运行电压升高。这时电流增大很小，熔断器不能熔断保护。那么电容器继续正常运行，由于每个单元电容器的运行电压升高，很快又会出现某个单元的电容器损坏，剩下单元的电容器电压又会提高，这时熔断器还不能熔断（熔丝的配置一般为额定电流1.5～3倍），此时电容器单元可能已经出现鼓肚，重者出现鼓裂、漏油。这样继续运行下去很可能造成这只电容器由鼓肚→鼓裂→漏油→爆炸起火。

图1 电容器内部电气连接图

根据实际运行经验和对多起被烧毁的电容器的解体分析证明，高压电容器的爆炸起火一般仅是某一只电容器内串联的小单元被击穿后不能发现继续运行造成的，虽然故障发展到爆炸起火的恶性事故，但故障过程中电流依然增大很少，熔断器在事故发生后才动作保护。

2.2 解决方案

通过分析可知，不管是有内熔丝/无内熔丝的电容器，由于电容器内部一个

串联单元的击穿损坏导致的总电流变化不大，所以熔断器的保护方式最好只作为事故保护，不宜作为电容器的故障保护，故障保护最好采用控制器的微机保护更为准确可靠。

通常在实际应用中要把装置的保护分为微机保护和熔断器后备保护，而且微机保护最好分为三层，第一层为电压型微机保护：10kV电压系统最好采用星型接线，所有电容器内部元件和单台电容器采用先并后串的接线方式，采用不平衡电压或不平衡电流的微机保护比较合适；35kV及110kV电压系统的电容器每一相一般是由两台或多台10kV电容器串联或一定数量的串联单元直接串联（集合式）而成，其容量越大，串联元件数量越多，元件单元击穿后引起的电流变化越小，建议采用相电压式零序微机保护（小容量）或电压差动微机保护（大容量）。第二层及第三层为Ⅰ段、Ⅱ段过流保护：即把过流保护的电流定值整定在1.30～1.45倍之间，并与时间定值配合使故障保护更可靠，保证装置安全运行。

3 总结

随着电网无功补偿领域的快速发展，动态无功补偿（SVC）及静止无功发生器（SVG）新技术已经在各种场合广泛使用，但高压并联无功补偿装置作为性价比较高、实用性较强的电气设备还在继续使用，尤其适合农村电网及负荷变化不大的开闭所、变电站。高压电容器及投切开关是高压并联无功补偿装置的核心部件，其研究好它们的可靠性及安全保护对电网来说意义重大。