高压电容器损坏故障分析

随着我国电力电容器制造技术与设计水平的不断提高，高压电容器的故障率也在不断降低。除电容器本身缺陷外，电网过电压、电网谐波引起的过电流、电容器失压、断路器操作引起的过电压与运行温度都会严重影响电容器的正常运行。
高压电容器是目前电力系统使用最多的配件之一，随着我国电力电容器制造技术与设计水平的不断提高，高压电容器的故障率也在不断降低。但由于影响电容器稳定运行的因素较多，除电容器本身缺陷外，电网过电压、电网谐波引起的过电流、电容器失压、断路器操作引起的过电压与运行温度都会严重影响电容器的正常运行，甚至引发电容器爆炸起火等恶性事故的发生。本文通过对高压电容器损坏故障进行分析，对高压电容器的保护措施提出了一些简单的意见与看法。
高压电容器损坏故障分析
电容器运行电压过高
高压电容器运行电压可以反映出变电所母线系统电压的状况，并直接影响电容器的寿命和出力功能。高压电容器内部在运行中的有功功率损耗主要由介质损失和导体电阻损失两部分组成，而其中的介质损失占高压电容器总有功功率损耗的98%以上。高压电容器介质损耗会直接影响电容器的运行温度，可用下式表示：
Pr= Qctgδ=ωCU2tgδ·10-3
式中Pr为高压电容器的有功功率损耗；Qc为高压电容器的无功功率；tgδ为高压电容器的介质损失角正切值；ω为电网角频率；C为高压电容器的电容率；U为高压电容器的运行电压。
由公式可知，高压电容器有功功率损耗与无功功率同高压电容器运行电压的平方成正比；随着运行电压的增高，高压电容器的有功功率损耗会迅速增加，进而温度升高的速度也会增加，游离增大，导致电容器的绝缘寿命降低。另外，因高压电容器连续运行的过电压一般定为额定电压的1.10倍，当电容器长时间处于过电压下运行时，会导致电容器产生过电流而损坏；所以，高压电容器组建需要安设完善的过电压保护装置。
电网高次谐波引起的过电流
当电网中的谐波电流流入电容器，就会叠加在高压电容器的基波电流上，使其运行电流增大，同时也会使高压电容器基波电压上的峰电压有效值增大。如果电容器容抗与系统感抗相匹配，会对高次谐波产生放大作用而产生过电流和过电压，引起电容器内部绝缘介质局部放电，使电容器产生鼓肚、熔丝群爆等故障。
电容器所接母线失压
如果电容器在运行中突然失去电压，可能会导致变电所电源侧瞬时跳闸或主变压器断开。若电容器在电源合闸或备用电源自动投入使用时未被移除，可能会导致电容器带负荷产生过电压而损坏。另外，当变电所失去电压恢复时不拆除电容器，可能会产生谐振过电压，使变压器或电容器损坏。因此，电容器应设置失压保护装置，保证电容器在所接母线失压后可靠动作，又可在母线电压恢复正常后可靠接入。
 断路器操作产生的过电压
电容器断路器多采用真空断路器，当断路器合闸时，断路器触头可能会发生弹跳现象而产生过电压。虽然由此产生的过电压峰值较低，对电容器的影响也不大，但由于电容器年投切次数在千次以上，且断路器断开时可能引发击穿电容器的过电压，因此，必须采取有效的保护措施来限制断路器操作产生的过电压。
运行温度过高
由于温度升高10℃，电容器容量下降速度就会加快一倍；如果电容器长期处于高电场与高温下运行，会引起绝缘介质老化和介质损失增大，进而导致电容器内部快速升温而发热，是电容器寿命降低，甚至导致电容器产生热击穿而损坏。按规程规定，如果环境温度超过30℃，电容器外壳温度超过50℃，应开启通风装置降温，当环境温度超过40℃时，应立即停止电容器运行。因此，为防止电容器因运行温度过高而损坏，应设置温度监控装置随时监控制电容器的运行温度，并采用强制通风装置改善电容器的散热条件，使电容器产生的热量以对流和辐射的方式散发出来。
高压电容器组保护措施研究
高压电容器过电压保护
利用电容器与电抗器串联，因容抗压降与感抗压降相位相反，将测量电压互感器装于母线上。当电容器电压高于母线电压时，有：
Udz = Kv（1-）Ue
式中Udz为动作电压；Kv为过电压系数；为感抗与容抗之比；Ue为电容器额定电压。
过电压是威胁电容器安全稳定运行的最大因素，为防止电容器运行电压过高，应合理配置电容器过电压保护装置。当电容器端电压高于1.10倍额定电压时，该保护装置产生预动作信号，当运行电压超过1.20倍额定电压5s~10s时，产生动作信号跳闸以切断过电压继续对电容器产生损坏，当电压恢复正常后投切以保证电容器继续进入电路工作。
高压电容器高次谐波保护措施
由于电网谐波可以产生损坏电容器的过电压与过电流，为防止谐波损坏电容器，应对电容器使用地区的电网谐波谐波进行测试并找出谐波源，然后根据谐波源产生的原因采取相应的措施，以降低谐波源的高次谐波分量。目前降低电网高次谐波最有效的办法是在电容器回路中串联适当参数的电抗器或阻尼式限流器。在电抗器参数选择时，采用容抗与感抗相匹配的谐振点为原则，以抑制5次及以上谐波。此外，电抗器还能有效抑制电容器因合闸而产生的过电压，减小断路器断开时所产生的过电压。
断路器操作过电压保护措施
断路器开关质量的好坏，与氧化锌避雷器动作特性的好坏密切相关。为防止断路器开合产生过电压，必须提高断路器触头的分闸速度、提高触头介质恢复强度。因此，断路器的真空开关出头一定要选用铜铬合金触头。考虑到电容器投切操作频繁，真空开关难免产生能够击穿电容器的操作过电压，所以必须安装无间隙氧化锌避雷器来限制断路器产生的过电压。

随着我国高压配电网无功补偿需求的增大，作为电力系统中最常用的无功补偿设备电容器的使用率也大量增加。合理配置电容器保护装置，保证电容器安全运行越显重要。在具体设计高压电容器保护装置时，不仅要从高压电容器可能发生的故障出发，还需充分考虑到单个电容器内熔丝与电容器组内熔丝保护特性、电容器使用温度限上与熔丝熔断时间、电容器耐爆时间之间的配合，从而保证电容器保护装置能够有效保证电容器安全稳定运行。