并聯(lián)電容器組故障原因分析及對策

趙智民，柳蘭泳，杜 昭

（1.國網(wǎng)山西省電力公司運城供電公司，山西 運城 044000；2.國網(wǎng)山西省電力公司臨汾供電公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

并聯(lián)電容器裝置作為目前應(yīng)用最廣泛的無功補償方式，在降低變壓器和線路損耗、提高功率因數(shù)方面發(fā)揮了重要作用[1]。然而由于諧波的存在，電容器在補償感性無功的同時可能導(dǎo)致諧波放大，甚至?xí)l(fā)生系統(tǒng)諧振[2]，導(dǎo)致電容器組的損壞。本文通過對某220 kV站電容器組故障進行了深入分析，并提出了相應(yīng)建議。

1 故障情況

1.1 故障經(jīng)過

220 kV某站35 kV 11號電容器于2015年1月6日10時21分限時電流速斷保護動作?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該組電容器B、C相共6個電容單元爆裂燃燒。

1.2 故障設(shè)備簡況

故障前，220 kV和110 kV側(cè)雙母并列運行，35 kV側(cè)為雙母分裂運行，35 kV側(cè)無其他負(fù)荷。故障時，站內(nèi)無任何操作。

35 kV I母電容器配置如下：電容器裝置型號為TBB35-10008/417-ACW，11號電容器配置電抗器電抗率為 5%（電抗器型號為CKDGKL-35-167/1100-5W），12、13號電容器配置電抗器電抗率為12%。35 kVII母電容器配置與I母相同。

1.3 故障簡況

1.3.1 一次設(shè)備試驗

11號電容器A相檢查試驗合格。B相一只爆裂，一只鼓肚，試驗電容值為0，其余6只電容值測試。C相電容器6只損壞，如圖1所示。電抗器外表熏黑，試驗合格。避雷器檢查試驗合格。油浸全密封放電線圈外觀正常，試驗合格。斷路器試驗合格。

圖1 C相電容器故障情況

1.3.2 二次設(shè)備檢查

保護動作情況：1月6日10時21分9秒，11號電容器組ISA359GD保護限時電流速斷保護動作。

保護檢查情況：檢查11號電容組保護定值與定值單一致，保護動作正確。對11號保護裝置動作進行試驗，限時電流速斷、定時限過流、差壓保護動作邏輯正確，出口時間正確。

2 錄波圖分析

通過對11號電容器保護裝置錄波圖和主變故障錄波圖進行分析，故障過程分析結(jié)論如下。

a）電容器故障前，電壓發(fā)生畸變，電容器組流過4次諧波電流，B相電流值等于A、C相電流之和，相位相反。由變壓器星三角轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，220 kV側(cè)、110 kV側(cè)應(yīng)該是B、C相有4次諧波電流。在主變故障錄波圖中1號和2號變高、中壓側(cè)B、C相確有4次諧波電流，且大小相等，相位相反。因此，分析電容器組與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振。

b）諧振導(dǎo)致B、C相差壓大幅增加，B相差壓最高達(dá)到170.1 V（二次值），C相達(dá)到167 V（二次值）。諧振導(dǎo)致B、C相電容器故障。

c）B、C相故障后，諧振條件破壞，B、C相發(fā)生相間短路。B相電流最高達(dá)4.52 kA（一次值），C相電流最高達(dá)達(dá)4.312 kA（一次值）。限時速斷電流保護動作，斷路器分開，故障切除。

3 諧波機理分析

該站35 kV側(cè)無其他負(fù)荷，考慮諧波源位于電源側(cè)進行分析[3]，其等效電路圖如圖2所示。

圖2 等效電路圖

圖2中，Uh為第h次諧波電壓源；Ush為系統(tǒng)承受的h次諧波電壓；Ish為本線路流經(jīng)系統(tǒng)的h次諧波電流；Xsh為h次諧波下系統(tǒng)電抗；Ugh為并聯(lián)電容器裝置承受的h次諧波電壓；Uch為并聯(lián)電容器承受的h次諧波電壓；Ulh為串聯(lián)電抗器承受的h次諧波電壓；Ich為流過并聯(lián)電容器裝置的h次諧波電流；Xch為h次諧波下并聯(lián)電容器容抗；Xlh為h次諧波下串聯(lián)電抗器感抗。

在基波頻率下系統(tǒng)電抗、并聯(lián)電容器容抗和串聯(lián)電抗器感抗幅值分別表示為Xs1、Xc1和Xl1，則有關(guān)系式如下[2]

由式（1）至（5）可以得出如下結(jié)論。

a）當(dāng)h2Xl1-Xc1=0時，并聯(lián)電容器裝置諧波電壓Ugh=0，并聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器分別承受幅值相等、相位相反的諧波電壓，此時電容器相當(dāng)于理想的濾波裝置。

b）當(dāng) h2Xl1-Xc1>0時，有 Ush

c）當(dāng) h2Xl1-Xc1<0時，有 Ush>Uh，Ugh>Uh，在這種情況下h次諧波被放大。當(dāng)h2Xs1+h2Xl1-Xc1=0時，系統(tǒng)、并聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器承受的h次諧波電壓趨于無窮大，流過系統(tǒng)和并聯(lián)電容器裝置的h次諧波電流也趨于無窮大，在這種情況下系統(tǒng)和并聯(lián)電容器裝置發(fā)生了串聯(lián)諧振[2]。

4 并聯(lián)電容器諧波放大分析

a）該站35 kV母線分裂運行時三相短路容量為916.57 MVA（最大運行方式），465.8 MVA（最小運行方式）。根據(jù)系統(tǒng)短路容量近似估算系統(tǒng)短路阻抗（系統(tǒng)等效阻抗）為Xs1=1.413Ω（最大運行方式），Xs1=2.78Ω（最小運行方式）。

系統(tǒng)在35 kV母線處等效阻抗，如表1所示。

表1 35 kV母線處等效阻抗Ω

b）35kVI母母線3組電容器參數(shù)，如表2所示。

表2 35 kVⅠ母母線3組電容器參數(shù)

3組電容器不同投退方式下，35 kV側(cè)的等效阻抗，如表3所示。

表3 電容器組不同投退方式時低壓側(cè)等效阻抗Ω

本站電容器組的電抗率配置按照1組5%和2組12%進行配置[4]。由表3可知，在投第2組、第3組、第2、3組、第1、2組或第1、3組、3組全投時的阻抗對3次諧波都呈感性且較小，能夠很好地吸收系統(tǒng)中3次諧波；在投第1組、第1、2組、第1、3組、3組全投時對5次諧波阻抗較小，能夠很好地吸收5次諧波。在投第1組、第1、2組、第1、3組、3組全投時的阻抗分別為-j7.29、-j8.926、-j11.508，對4次諧波呈容性，即h2Xl1-Xc1<0。由上述可知，此時4次諧波被放大。

c）系統(tǒng)最大運行方式與電容器的等效阻抗，如表4所示。

表4 系統(tǒng)最大運行方式與電容器的等效阻抗Ω

系統(tǒng)最小運行方式與電容器的等效阻抗，如表5所示。

表5 系統(tǒng)最小運行方式與電容器的等效阻抗Ω

由表4、表5可知，對4次諧波，在最大運行方式下，投第1組、第1、2組（第1、3組）、3組全投時的阻抗分別為-j1.638、-j3.274、-j5.856，呈容性。對4次諧波，在最小運行方式下，投第1組、第1、2組（第1、3組）、3組全投時的阻抗分別為j3.830、j2.194、-j0.388。電容器在故障時，3組全投，有-5.856

5 改變電容器組配置抑制諧波放大

由于4次諧波電流在第1組電容器投時存在4次諧波電流放大現(xiàn)象[5]，因此第1組電容在4次諧波下的串聯(lián)電抗率當(dāng)K取12%，則3組電容器支路參數(shù)如表6所示。

表6 電抗率為12%時3組電容器支路參數(shù)表

按照改變后的參數(shù)，再次計算3組電容器不同投退方式時，35 kV側(cè)的等效阻抗，如表7所示。

表7 改變電容器組配置后35 kV低壓側(cè)等效阻抗Ω

由表7可知，改變參數(shù)后的3組電容器支路對系統(tǒng)中3次諧波仍具有較小阻抗，能夠很好地吸收。對系統(tǒng)中4次諧波，3組電容器不同投退組合時4次諧波阻抗呈感性，不會發(fā)生諧波放大現(xiàn)象。因此，將11號電容器組電抗率調(diào)整為12%，能夠避免電容器組與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象。

6 結(jié)論

a）該站電容器按常規(guī)配置，11號電容器按照5%額定阻抗來抑制3次及以上諧波，12號、13號電容按照12%額定阻抗來抑制5次及以上諧波。該配置在投入11號電容器時，若系統(tǒng)存在4次諧波源時，電容器組與系統(tǒng)發(fā)生了串聯(lián)諧振，諧振過電壓、過電流是導(dǎo)致本次裝置故障的原因。建議：在電容器設(shè)計時一定要考慮本站的諧波背景；在投運后，需要根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)及諧波變化情況，定期對并聯(lián)電容器及串聯(lián)電抗器參數(shù)進行驗算校核，及時做出適當(dāng)調(diào)整，使裝置遠(yuǎn)離諧振點。

b）對該站加裝諧波在線監(jiān)測裝置，對本站的諧波情況進行實時監(jiān)視，掌握該站的諧波數(shù)據(jù)，從而制定諧波治理方案[6]。

c）該站35 kV II母電容器配置與I母相同，建議將II母所投5%電抗器的電容器停運。

d）通過將電抗率為5%的電容器組更換為電抗率為12%的電容器組，可以避免電容器組與系統(tǒng)發(fā)生4次諧波串聯(lián)諧振。

[1]倪學(xué)鋒，盛國釗，林浩.我國電力電容器的運行與改進建議[J].電力設(shè)備，2004（9）：10-13.

[2] 付偉，韓翔宇.并聯(lián)電容器裝置在諧波環(huán)境中的應(yīng)用[J].電力電容器與無功補償，2012,33（6）：17-21.

[3] 王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].2.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB 50227—2008 并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[5]劉同同，劉連光.變壓器直流偏磁諧波對并聯(lián)電容器的影響分析[J].現(xiàn)代電力，2012,29 （1）：29-32.

[6] 何可敬.一起電容組群爆原因徹查與對策[J].自動化應(yīng)用，2013（9）：88-91.