剖析無(wú)功補(bǔ)償電容器的熔斷器群爆

張 博，楊新增，周 勇

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2.濮陽(yáng)供電公司，河南 濮陽(yáng)457000)

0 引言

電力電容器依其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)中的一種有效措施，為提高電壓質(zhì)量和降低電網(wǎng)損耗起到了十分重要的作用.根據(jù)補(bǔ)償容量的不同，無(wú)功補(bǔ)償電容器組通常由多只電容器并聯(lián)構(gòu)成，在每只電容器上都裝有單獨(dú)的熔斷器(俗稱保險(xiǎn))作為電容器的過(guò)電流保護(hù)，這是一種既經(jīng)濟(jì)、又可靠的保護(hù)方法，因此得到了廣泛的應(yīng)用.實(shí)踐證明，只要電容器與熔斷器的參數(shù)配合得當(dāng)，熔斷器就能夠迅速將故障電容器切除，避免電容器的油箱發(fā)生爆炸［1］.但是，如果參數(shù)配合不當(dāng)，就有可能引起電容器的熔斷器在很短的時(shí)間里一只接一只的熔斷，這種現(xiàn)象稱為電容器的熔斷器“群爆”［2］.近年來(lái)，無(wú)功補(bǔ)償電容器的熔斷器群爆時(shí)有發(fā)生.筆者以河南某110 kV變電站為例，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器的熔斷器群爆過(guò)程進(jìn)行分析，并針對(duì)該補(bǔ)償裝置在參數(shù)選擇和保護(hù)配置上存在的問(wèn)題提出對(duì)應(yīng)的整改意見(jiàn).

1 熔斷器的安秒特性

熔斷器是串聯(lián)在電容器回路中的一個(gè)薄弱的導(dǎo)電環(huán)節(jié)，當(dāng)電容器內(nèi)部或外部發(fā)生短路時(shí)，熔斷器中的熔絲因發(fā)熱而熔斷，從而切除故障的電容器，使其它電氣設(shè)備得到保護(hù).顯然，電流越大，熔絲的熔斷時(shí)間越短，因此，這種保護(hù)呈反時(shí)限特性.實(shí)測(cè)可知，熔斷器的熔斷時(shí)間t與流過(guò)熔斷器的電流I的平方成反比，兩者之間的關(guān)系稱為熔斷器的安秒特性，也稱為熔斷器的保護(hù)特性［3］，該特性曲線如圖1所示.

圖1 熔斷器的安秒特性Fig.1 Ampere-second characteristics of fuse

熔斷器的安秒特性主要取決于熔絲材料的電氣特性和熱蠕變特性，除此之外，外彈簧作用力也會(huì)對(duì)熔斷器的安秒特性產(chǎn)生影響.

當(dāng)電容器發(fā)生故障時(shí)，為了避免事故擴(kuò)大，總是要求熔絲能準(zhǔn)確、及時(shí)地將故障電容器從系統(tǒng)中切除.與此同時(shí)還要求熔絲具有抗涌流(保證在電容器合閘時(shí)不誤動(dòng))、低溫升、低功耗、不重燃等電氣性能.從熔絲的機(jī)械性能上講，還應(yīng)該具有抗拉強(qiáng)度高、熱蠕變小、溫度敏感性高等特性［4］.

2 熔斷器群爆過(guò)程分析

2009年12月21日20點(diǎn)25分，河南某110 kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置的A相4只電容器的熔斷器全部熔斷，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示.

該變電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置容量為2×4.8 Mvar，單只電容器的容量為0.4 Mvar，每組共有12只，額定電壓為6.35 kV，額定電流為63 A.計(jì)算可得，單只電容器的容抗為100.8Ω.每相有4只電容器并聯(lián)，并聯(lián)后的容抗為25.2Ω.此外，每相還配有1.5Ω的串聯(lián)電抗，星型接線，中性點(diǎn)不接地.為避免電容器內(nèi)部故障或電容器的引出線短路對(duì)系統(tǒng)造成影響，每只電容器上都串有80 A的熔斷器(FU)，其原理接線如圖3示.

在選擇電容器熔斷器的額定電流時(shí)，應(yīng)該保證當(dāng)電網(wǎng)電壓升高和電壓波形畸變引起電容器回路電流增大或電容器出現(xiàn)合閘涌流時(shí)，熔斷器不會(huì)誤熔斷.因此，在《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50062—92)中給出了明確的規(guī)定，電容器熔斷器的額定電流應(yīng)選為電容器額定電流的1.5～2.0倍.即便是按照最小的倍數(shù)計(jì)算，熔斷器的額定電流也應(yīng)該大于94.5 A(1.5*63 A).顯然，該補(bǔ)償裝置的電容器選用80 A的熔斷器有些偏小.因此，當(dāng)出現(xiàn)某一相電壓偏高(電壓不對(duì)稱)、電容器中的諧波電流增大(諧波放大)、電容器內(nèi)部元件損壞或熔絲的特性發(fā)生變化(氧化或高溫)時(shí)，熔斷器中的熔絲都有可能熔斷.

以A相為例，當(dāng)發(fā)生電容器的熔斷器熔斷后，補(bǔ)償裝置的三相將不再對(duì)稱，XCA＞XCB，XCB=XCC，對(duì)應(yīng)的等值電路如圖4所示.

圖4 補(bǔ)償裝置的等值電路Fig.4 Equivalent circuit of compensation device

由于電容器的中性點(diǎn)不接地，當(dāng)三相支路參數(shù)不對(duì)稱時(shí)，必然會(huì)引起中性點(diǎn)電位偏移，利用節(jié)點(diǎn)電流法可求得電容器中性點(diǎn)的對(duì)地電壓UN’N為［5］

式中:YA、YB、YC為補(bǔ)償裝置的三相導(dǎo)納，YA=1/(XCA-XL)，YB=1/(XCB-XL)，YC=1/(XCC-XL).由式(1)可得:

考慮到三相電源的電壓基本對(duì)稱，則有:

計(jì)及 YA＜YB，YB=YC，由式(2)和式(3)得:

由式(4)可知，當(dāng)A相發(fā)生電容器的熔斷器熔斷后，UAN'將會(huì)升高.因此，剩余的電容器中的電流也將會(huì)增大.進(jìn)一步的分析可知，另外兩相電容器中的電流將會(huì)減小.

當(dāng)A相有一只電容器的熔斷器熔斷后，剩下三只電容器并聯(lián)后的容抗為33.6Ω，當(dāng)線電壓達(dá)到10.8 kV時(shí)(由變電站運(yùn)行記錄查得)，可求得UAN'=6.825 kV，電容器兩端的電壓為7.15 kV，已接近電容器額定電壓的1.13倍，超過(guò)了電容器允許的長(zhǎng)期運(yùn)行電壓.對(duì)應(yīng)的A相電流為212.8 A，每只電容器的電流為70.93 A，已接近于熔斷器的額定電流(80 A).還有一點(diǎn)需要注意，在熔斷器斷開(kāi)電流的瞬間，由于電容電流的跳變，在電容器回路中的串聯(lián)電抗上還會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓［6］，根據(jù)不同的回路參數(shù)和不同的斷開(kāi)時(shí)刻，串聯(lián)電抗上的過(guò)電壓程度也各不相同，嚴(yán)重時(shí)會(huì)達(dá)到額定電壓的數(shù)倍，這就有可能導(dǎo)致電容器或電抗器絕緣擊穿，進(jìn)而引起第二只熔斷器熔斷.

一旦發(fā)生第二只熔斷器熔斷，A相就只有兩只電容器并聯(lián)，其容抗將增加到50.4Ω，仍按線電壓為10.8 kV計(jì)算，可求得A相電容器的電流為153.9 A，每只電容器的電流為76.95 A，電容器兩端的電壓為7.76 kV，該電壓已達(dá)到電容器額定電壓的1.22倍，將導(dǎo)致剩下的兩只電容器的熔斷器相繼熔斷，這個(gè)過(guò)程有可能在幾秒之內(nèi)就完成了.

3 結(jié)論及改進(jìn)意見(jiàn)

變電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置發(fā)生電容器的熔斷器群爆的原因有以下幾個(gè)方面:

(1)熔斷器的額定電流(80 A)選得偏小，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常或熔絲的特性發(fā)生變化時(shí)，熔斷器中的熔絲就有可能熔斷，建議增加熔斷器的額定電流;

(2)電容器的額定電壓(6.35 kV)選得偏低，由于回路中串有感抗為1.5Ω的電抗，當(dāng)系統(tǒng)電壓偏高時(shí)，電容器上的實(shí)際電壓就很容易超過(guò)額定電壓的1.1倍，建議更換電容器，提高電容器的額定電壓;

(3)單只電容器的容量選得偏大，當(dāng)某一相的某一只熔斷器熔斷后，剩余的電容器容抗增大，導(dǎo)致中性點(diǎn)電位偏移，故障相電壓升高，從而引發(fā)熔斷器群爆，建議減小單只電容器的容量，也即增加每一相并聯(lián)電容器的臺(tái)數(shù);

(4)電容器過(guò)電壓保護(hù)沒(méi)有起到作用，其原因在于該保護(hù)的整定值(Udz=115 V，tdz=0.5 s)偏高，再加上該保護(hù)檢測(cè)的電壓是母線PT的線電壓，而不是每相電容器的實(shí)際電壓，所以不能反應(yīng)電容器的過(guò)電壓.為了更準(zhǔn)確地反映電容器的這種不對(duì)稱故障，建議加裝電容器零序過(guò)電壓保護(hù)，直接從電容器放電PT的開(kāi)口三角形處引入測(cè)量電壓，將保護(hù)的動(dòng)作電壓整定在30 V以下，以便保證保護(hù)有足夠的靈敏度.

根據(jù)以上建議，檢修部門更換了電容器和熔斷器，并對(duì)電容器的保護(hù)做了改進(jìn).整改后的電容器于2010年3月10日投入運(yùn)行，截止目前，整套補(bǔ)償裝置運(yùn)行正常，再也沒(méi)有發(fā)生熔斷器群爆.

［1］ 孔飄紅，韓雪蓮，李芳.電容器組群爆的故障分析與運(yùn)行建議［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2010，31(6):43-47.

［2］ 丁毓山.無(wú)功補(bǔ)償崗位培訓(xùn)教材［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.

［3］ 周國(guó)良.高壓并聯(lián)電容器保護(hù)用外熔斷器試驗(yàn)研究［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2008，29(6):24-28.

［4］ 孔祥其.單臺(tái)并聯(lián)電力電容器外保護(hù)熔斷器的安秒特性與外彈簧作用力的關(guān)系研究［J］.電力電容器，2005，26(2):22-25.

［5］ 邱關(guān)源.電路［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［6］ 胡海安.運(yùn)行中發(fā)生電容器組熔斷器全爆的故障分析［J］.電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2009，30(4):55-58.