電力電容器的作用及典型故障分析

非柔性直流輸電系統中，兩端換流站都配有大量的交流濾波器，其作用主要為補償無功功率和濾除諧波。以某±800kV換流站為例，其直流輸電容量為5000MVA，站內配有15組交流濾波器，每組交流濾波器主要由電力電容器組成。

電力電容器常見故障為本體發熱、本體漏油以及內部放電擊穿。本文就電力電容器內部放電典型故障進行分析。

一、電力電容器內部結構

交流濾波器一般由高壓塔和低壓塔兩座電容器塔構成，每座塔由一定數量的電力電容器串并聯組成（因設計要求，采用不同的連接方式）。如下圖1所示，該換流站內交流濾波器高壓塔稱為上橋臂，分為左右兩個臂（現場稱為A臂與B臂），每個臂由40只電容器單元（單只電力電容器），通過每兩只并聯后再逐對串聯組成。

圖1  交流濾波器電容器塔結構

單只電力電容器內部結構如下圖2所示，單只電容器由5個電容串聯段組成，每個串聯段由19個電容元件單元并聯組成。其中，每個電容串聯段有一個并聯電阻R1，整個電容有一個并聯電阻R2，起到內部故障放電保護作用；并且，每個電容元件單元都單獨串聯一個內熔絲，該內熔絲作用非常大，在電容元件單元單個被過電壓等其它因素擊穿時，對應的內熔絲會同步熔斷，將故障電容元件單元進行隔離，防止電容器內部故障持續擴大。

圖2  電力電容器內部結構

二、電力電容器內部故障對繼電保護的動作影響

圖1中所示的T2電流互感器，為不平衡電流互感器，理想情況時流過T2的電流為零，當電容器內部單個元件故障擊穿時，會導致該只電容器電容值發生變化，從而使電容塔的橋臂電容值出現變化，當橋臂值不一致時，會有不平衡電流流過T2電流互感器，該電流達到一定值時，保護裝置會出現告警與跳閘出口動作，該換流站保護整定的定值如下圖3所示。

圖3  電容器不平衡電流保護整定值

可見，如果一個電容器內部電容單元元件有1至2個擊穿，且熔絲即時熔斷，對整個保護系統是沒有影響的。

三、典型故障

該換流站交流濾波器電容器頻繁出現不平衡電流保護直接出口跳閘，每次現場檢查均發現有1只電容器的電容值變化特別大，后續經過電容器解體分析，發現了跳閘的根本原因為該電容器內部的電容元件被擊穿時，熔絲未及時熔斷，導致整個串聯段（19個串聯電容元件）短路，如下圖4所示。

圖4  電容器解剖情況

故障電容器比額定值偏大了約25%，理論分析為5個串聯段變成了4個串聯段；現場解剖也證實了這一點，內部存在一個串聯段短路，且短路的串聯段中存在兩個相鄰電容器元件擊穿，擊穿點均在元件表面，僅一個擊穿電容器元件熔絲熔斷，另一擊穿電容器元件熔絲未熔斷，未熔斷的熔絲導致整個串聯段短路。

四、原因分析與總結

該換流站交流濾波器跳閘時刻故障錄波如下圖5所示，跳閘時刻，T2不平衡電流突然出現兩次高頻的大不平衡電流，可知兩次異常的高頻不平衡電流由電容器單元內同一串聯段的兩個相鄰電容元件連續擊穿引起。第一次擊穿時，持續時間約2ms，熔絲熔斷；第二次擊穿時，持續時間約4ms，熔絲未熔斷，保護出口跳閘。

圖5  跳閘時刻故障錄波

電容內部單個元件表面擊穿時會產生電弧，由于電弧溫度高，引起相鄰電容器元件因燒灼而擊穿，雖第一次發生擊穿的電容器元件熔絲已熔斷，但依據內熔絲設計參數和故障時刻錄波曲線，殘余放電能量不足以熔斷另一擊穿電容器元件熔絲，導致其所在串聯段短路，使整體容值陡增約25%，引起電容器組不平衡電流突增而發生跳閘事故。后續電力電容器制造方，需多方面考慮內熔絲的熔斷基理，合理設計參數，保證電容器運行時的可靠性。