電力電容器的作用及典型故障分析

非柔性直流輸電系統(tǒng)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(fā)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(shù)量的電力電容器串并聯(lián)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(xiàn)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(lián)后再逐對串聯(lián)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(lián)段組成，每個串聯(lián)段由19個電容元件單元并聯(lián)組成。其中，每個電容串聯(lián)段有一個并聯(lián)電阻R1，整個電容有一個并聯(lián)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(lián)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(xù)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(fā)生變化，從而使電容塔的橋臂電容值出現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)不平衡電流保護直接出口跳閘，每次現(xiàn)場檢查均發(fā)現(xiàn)有1只電容器的電容值變化特別大，后續(xù)經(jīng)過電容器解體分析，發(fā)現(xiàn)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(lián)段（19個串聯(lián)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(lián)段變成了4個串聯(lián)段；現(xiàn)場解剖也證實了這一點，內部存在一個串聯(lián)段短路，且短路的串聯(lián)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(lián)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(xiàn)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(lián)段的兩個相鄰電容元件連續(xù)擊穿引起。第一次擊穿時，持續(xù)時間約2ms，熔絲熔斷；第二次擊穿時，持續(xù)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(chǎn)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(fā)生擊穿的電容器元件熔絲已熔斷，但依據(jù)內熔絲設計參數(shù)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(lián)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(fā)生跳閘事故。后續(xù)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(shù)，保證電容器運行時的可靠性。