第３３卷第４期 ２０１２年８月 电力电容器与无功补偿 Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｖ０１．３３ Ｎ０．４ Ａｕｇ．２０１２ 一起并联电容器分闸多次多相重击穿故障分析 王庆军 ，刘静 ，胡学斌 －一，傅中 ，聂士广 （１．安徽省电力科学研究院，安徽合肥２３００２２； ２．电力Ｔ业电力电容器质量检验中心，安徽合肥２３００２２；３．安徽六安供电公司，安徽六安２３７０００） 摘要：在变电站补偿电容器损坏经常发生，特别是在使用真空断路器切除无功补偿用并联电 容器时，这严重影响了并联电容器的安全运行。本文针对一起较为少见的并联电容器组分闸 多次多相重击穿故障，结合故障录波数据及对故障电容器的解体检查，用Ａ，ｒＰＤｒａｗ仿真程序 模拟了这一过程，分析认为电容器用真空断路器分闸时多次重击穿产生的过电压及涌流是电 容器绝缘击穿故障的主要原因，降低投切电容器用真空断路器的重燃率对于减少并联电容器 故障至关重要。 关键词：并联电容器；真空断路器；ＡＴＰＤｒａｗ仿真；重燃；过电压 中图分类号：ＴＭ５３１．４文献标识码：Ｂ文章编号：１６７４ １７５７（２０１２）０４－００７０－０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｒｅｓｔｒｉｋｅ Ｆａｕｌｔ ｏｆ Ｓｈｕｎｔ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｄｕｒｉｎｇ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ＷＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｊｕｎ ，ＬＩＵ Ｊｉｎｇ ，ＨＵ Ｘｕｅ—ｂｉｎ ，－，ＦＵ Ｚｈｏｎｇ ，ＮＩＥ Ｓｈｉ．ｇｕａｎｇ （１．Ａｎｈｕｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２２ Ｃｈｉｎａ； ２．Ｑｕａｌｉｔｙ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２２，Ｃｈｉｎａ； ３．Ａｎｈｕｉ Ｌｉｕａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌｉｕａｎ ２３７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｄａｍａｇｅ ｉｓ ａ￣ｅｑｕｅｎｔ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｓｗｉｔｃ— ｈｉｎｇ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂｙ ｖａｃｕｕｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ，ａｆｆｅｃｔｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ． Ｆｏｒ ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ ｍｕｌｔｉ—ｐｈａｓｅ ｒｅｓｔｒｉｋｅ ｆａｕｌｔ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｄｕｒｉｎｇ ｏｐｅｎｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＴＰＤｒａｗ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄａｔａ ｏｆ ｗａｖｅ ｒｅｃｏｒｄｅｒ ａｎｄ ｄｉｓａｓ． ｓｅｍｂｌｙ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｄｉ— ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ａｎｄ ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｒｅｓｔｒｉｋｅｓ ｄｕｄｎｇ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｏｐｅｎｉｎｇ；ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｒｅｉｇｎｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｓ ｃｒｕｃｉａｌ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｖａｃｕｕｍ ｂｒｅａｋｅｒ；ＡＴＰＤｒａｗ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｅｉｇｎｉｔｉｏｎ；ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ 频繁，目前系统中普遍采用真空断路器投切电容 ０ 引言 近年来，电网规模迅速扩大，电容器作为容性 器，不同真空断路器厂家产品性能参差不齐，在投 切电容器组过程中，由于涌流和多次重燃的出现 会产生过电压，这将严重威胁电容器的安全和系 统的稳定运行。本文对一起在新设备投入运行启 动时由于真空断路器多次多相重燃造成电容器损 坏的案侧进行了分析。 元件对电力系统的无功补偿、提高系统电压和功 率因数、减小线路损耗起着重要作用。为了满足 系统的要求，提高电能质量，对电容器操作越来越 收稿日期：２０１２－０３－２６ ２０１２年第４期・运行维护与故障分析・ 王庆军，等一起并联电容器分闸多次多相重击穿故障分析（总第１４２期） １ 电容器断路器断开后，Ｂ相电流首先过零， １故障情况介绍 某２２０ ｋＶ新建变电站安装２台１８０ ＭＶＡ的 Ａ、Ｃ相电流过零后约２ ｍｓ，Ｂ、Ｃ相重燃，过零熄 弧后约４ ｍｓ，Ａ、Ｃ相第２次重燃，过零熄弧后约３ ｍｓ又发生３相重燃，每次重燃各相电流随时问呈 放大趋势，第１次重燃时最大过电流出现在Ｂ 相，第２次重燃时的最大过电流值出现在Ｃ相， 主变，电容器装置安装在３５ ｋＶ母线侧，电容器共 ６组，分别装在两段母线上。每个电容器组的配 置一样。３５ ｋＶ采用双母线方式，每段母线装设３ 组无功补偿装置，每组电容器容量１０ ００８ ｋｖａｒ，采 用４串２并接线方式，共计８台，每台４１７ ｋｖａｒ，额 定电压５．５ ｋＶ，串联电抗率为６％。 为校验相关保护，检验断路器投切电容性 负荷能力及电容器绝缘特性，进行电容器组投 切试验。试验时３５ ｋＶ母线空载。１ 电容器投 人后运行正常，当拉开１ 电容器断路器后，１ 电容器Ａ相发生爆炸，避雷器计数器三相均 动作。 投切电容器试验时变压器空载，可以认为 变压器３５ ｋＶ侧流过电流即为流过电容器开关 电流，变压器３５ ｋＶ侧电压即为电容器开关电 源侧电压。故障录波图如图１所示。 １ 变低 压侧一 。 一Ｉ｛ 。… ． ＼／ （ａ）变压器３５ ｋＶ侧电压 ｌ 变低 压侧一』＾ Ｉ 变低 压侧一』Ｂ １ 变低 一一 … 压侧一Ｌ （ｂ）变压器３５ ｋＶ侧流过电流 图１故障录波图 Ｆｉｇ．１ Ｆａｕｌｔ ｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ 第３次重燃Ａ、Ｂ、Ｃ三相电流大致相等，最大电流 峰值约为稳态峰值７～８倍。 ２ 电容器解体情况介绍 故障发生后，技术人员对电容器组间隔内断 路器、避雷器、电缆、电抗器、电容器、接地等设备 进行了仔细检查，发现有７台电容器损坏，外壳有 明显鼓肚现象，出线套管根部爆裂。选取其中１ 台进行解体检查，如图２所示。电容器内部结构 为ｌ５并３串，每１串联段都并联１个放电电阻。 铝箔式３膜结构，设计场强为５５．６ ｋＶ／ｍｍ。解体 检查发现，电容器第３串联段贯穿性击穿，电容器 油严重发黑，心子外包绝缘击穿，如图２、３所示。 该电容器共有１７个元件击穿，１７根内熔丝熔断， 图中圈划线表示击穿的元件和内熔丝，元件击穿 位置均位于铝箔折边处，击穿点较大，有明显烧灼 痕迹如图３所示。 图２ 内部击穿元件位置示意图 Ｆｉｇ．２ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ 图３故障电容器解体检查图 Ｆｉｇ．３ Ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｆａｕｌｔｙ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ・７１・ ２０１２年第４期 电力电容器与无功补偿 第３３卷 ３仿真分析 一般而言，开关开断后５ ｍｓ内击穿为复 燃…，５～１０ ｍｓ内击穿称为重击穿，在１０ ｍｓ以上 有的称之为非自持性放电，可以统称为重燃。本 次故障是多次多相重燃。通常电容器组的重燃是 由一相重燃引发的，发生单相重燃时，由于电容器 为中性点不接地的星形连接，中性点电压的变化 使得最大的过电压并不出现在发生重燃的那一相 上，而是通过中性点使另外一相的电压升高，导 致二相或三相重燃 Ｊ，这一过程非常短，看上去 就像是两相同时重燃。 引起真空断路器重燃的机理比较复杂 Ｊ，主 要有以下３种原因：①是断口固有开距太小，不能 承受恢复电压长时间的作用而击穿，国产真空断 路器设计时开距有较大的余度，因开距太小而造 成重燃的情况较少出现。②是分闸反弹，真空断 路器断口的开距本来就较小，分闸反弹使断口的 有效开距缩短，对恢复电压的承受能力降低。③ 是真空灭弧室的问题，管内真空度、材料的纯度、 管内零件加工精度、加工过程的洁净度等都是影 响真空灭弧室重燃率的因素。 本次故障，故障录波器准确记录了电容器开 关多次多相重燃的情况，但电容器、开关断口承受 电压等没有记录，为了更好地分析这一过程，利用 电磁仿真软件ＡＴＰＤｒａｗ进行了仿真 Ｊ，等效接线 图如图４所示。 中性点 等效电容 图４等效接线图 Ｆｉｇ．４ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｗｉ￣ｎｇ ｄｉａｇｒａｍ 仿真时，开关采用时控开关与电压控制（闪 络）开关相结合模拟一相重燃引发多相重燃的过 程，重燃的时间根据故障录波器记录的时间进行 模拟。得到电容器上流过电流、电容器极间电压、 中性点电压、断口电压如图５～８所示。 ・７２・ 图５电容器三相电流图 图６电容器极间电压 图７电容器中性点电压 图８开关断口电压 Ｆｉｇ．８ Ｖｏｌｔａｇｅ ａｃｒｏｓｓ ｏｐｅｎ ｃｏｎｔａｃ￣ｏｆ ｓｗｉｔｃｈ 由图可见：仿真电流波形与故障录波波形基 本一致，Ｂ、Ｃ相电流过零后约２ Ｓ，Ｃ相断口电压 达到最高，Ｃ相重燃，中性点电压会发生较大的 变化，从而使Ｂ相断口电压快速上升造成Ｂ相重 燃；Ｂ、ｃ相电流过零熄弧后约４ Ｓ，Ａ相断口电压 ２０１２年第４期・运行维护与故障分析・ 王庆军，等一起并联电容器分闸多次多相重击穿故障分析（总第１４２期） 达到最高，Ａ相重燃引发Ｃ相重燃，Ａ、ｃ相电流 过零熄弧后约２ ｓ，Ｂ相断口电压达到最高，Ｂ相 重燃引发Ａ、ｃ相重燃。可以看到每次重燃，由于 中性点不接地，由电感、电容组成的回路都会发生 振荡过程，中性点的电压会发生高频振荡，电容器 极间电压将逐次上升，形成“级升”过电压，断口 电压也逐级上升。本次仿真中，虽然有避雷器的 保护，３次重燃的过程中电容器极间电压还是一 次比一次高，尤其是Ａ相，电容器极间过电压达 到３．５５ 倍（峰值）。本次计算中，氧化锌避雷 器置于电抗器的电源侧，而文献［５］要求应将避 雷器置于电抗器与电容器之间。同时，可以看到 ３次重燃的过程中电容器上涌流也是逐渐上升， 第１次最大涌流为稳态峰值的２．５倍，第２次为 峰值的６．０倍，第３次则达到峰值的８．０倍。 ４ 结语 通过对故障录波图分析、故障电容器解体检查 及利用ＡＴＰＤｒａｗ进行仿真分析，可以得到如下结论： １）解体检查的Ａ相电容器没有发现明显的 制造缺陷，故障前交接试验一切正常，结合仿真分 析认为电容器组故障原因与其分闸多次、多相重 燃产生的过电压、涌流有关 ６ Ｊ，文献［７］规定电容 器开关操作产生的极间过电压不得超过２ Ｕ 倍（峰值）。而仿真分析得到的Ａ相电容器极间 过电压达到３．５５Ｕ 倍（峰值）。 ２）单纯依靠金属氧化锌避雷器，在断路器多 次重燃的情况下，难以实现对电容器的过电压保 护，文献［７］规定，投切电容器用断路器“合、分时 触头弹跳不应大于限定值，开断时不应出现重击 穿”，建议对投切电容器用真空断路器投运前进行 高压容性大电流老炼试验，降低其重燃率＿３．８引，或 者尝试选择重燃率小的Ｓ 开关作为电容器开关。 参考文献： ［１］苑舜，于海俊，马宁．真空开关开断电容器组重燃原 因的研究［Ｊ］．电气应用，１９９９（１）：２０－２２． ＹＵＡＮ Ｓｈｕｎ，ＹＵ ｎ￣－ｊｕｎ，ＭＡ ｎｇ．Ｔｈｅ ｌｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｉｇｎｉｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｇｎ ａ ｓｈｕｎｔ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｂｙ ｖａ￣ｕｕｌｎ ｓｗｉｔｃｈｅｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｐｐｈｃａｔｉｏｎ，１９９９（１）：２０－２２． ［２］杜斌，赵峰，高亚栋，等．１０ ｋＶ系统中切除并联电容器时 的重燃过电压研究［Ｊ］．高压电器，２ｏｏ４（４）：２５５－２５８． ＤＵ Ｂｉｎ，ＺＨＡＯ Ｆｅｎｇ，ＧＡＯ Ｙａ—ｄｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｒｅ— ｓｔｒｉｋｅ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｗｈｅｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆｆ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｉｎ ａ １０ ｋＶ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ Ｖｏｈａｇｅ Ａｐｐａｒａ— ｔｕｓ，２００４（４）：２５５－２５８． ［３］陈晓东．真空断路器操作过电压与无重燃真空断路 器［Ｊ］．浙江电力，１９９８（５）：４９—５１，７１． ＣＨＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ．Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｖｅｒｖｏｈａｇｅ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ［Ｊ］．Ｚｈ＠ａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，１９９８（５）：４９—５１，７１． ［４］李智敏，南春雷，马力，等．并联电容器分闸重击穿操 作过电压研究［Ｊ］．电力电容器与无功补偿，２００９ （３）：４１－４７． ＬＩ Ｚｈｉ—ｍｉｎ，ＮＡＮＣｈｕｎ．１ｅｉ，ＭＡ Ｌｉ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｒｅｓｔｒｉｋｅ ＯＶ－ ｅｒｖｏｈａｇｅ ｗｈｅｎ ｓｉｗｔｃｈｉｇｎ ｏｆｆ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｃａ－ ｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，２０ｏ９（３）：４１４７． ［５］ＧＢ ５０２２７－－２００８并联电容器装置设计规范［ｓ］． ＧＢ ５０２２７－－２００８ Ｃｏｄｅ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ［Ｓ］． ［６］侯杰，谢远伟．电力电容器损坏原因与抑制措施研究 ［Ｊ］．电力电容器与无功补偿，２０１０（５）：５５—５７． ＨＯＵ Ｊｉｅ，ＸＩＥ Ｙｕａｎ—ｗｅｉ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄａｍａｇｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｐｏｗ— ｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，２０１０（５）：５５－５７． ［７］ＤＬ／Ｔ ６０４－－２００９高压并联电容器装置使用技术条件 ［ｓ］． ＤＩＭＴ ６０４－－２００９ Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－－ｖｏｌｔａｇｅ ｓｈｕｎｔ ｃａ－－ ｐａｃｉｔｏｒ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ ｏｆｒ ｏｒｄｅｒ［Ｓ］． ［８］曾惠远．对真空开关在切合电容器组时重燃问题的 探讨［Ｊ］．真空电器技术，１９９５（３）：１－４． ［９］陈鹏云，苏梓铭，鲁铁成，等．无功补偿装置电磁暂态仿 真计算『Ｊ］．电力电容器与无功补偿，２０１０（５）：５－９，１８． ＣＨＥＮ Ｐｅｎｇ－ｙｕｎ，ＳＵ Ｚｉ－ｍｉｎｇ，ＬＵ Ｔｉｅ—ｃｈｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｅｌｅｃ— ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｏ１＂１ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅ— ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，２０１０（５）：５－９，１８． 作者简介： 王庆军（１９７３一），男，高级工程师，主要从事过电压 防护技术研究工作。 刘静（１９８１一），女，工程师，从事过电压研究工作。 胡学斌（１９６３一），男，工程师，从事电力电容器质量 检验及专业技术管理工作。 傅中（１９７７一），男，工程师，从事高电压试验技术研 究工作。 聂士广（１９７２一），男，高级工程师，从事电力生产技 术管理工作。 ・７３・
