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电力电容器常见故障分析及预防措施

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：高晨语

[导读] 摘要：电力电容器作为电力系统中重要的无功补偿设备，其安全可靠运行有利于增强电力系统稳定性、提高电能质量和降低电网功率损耗。

        冀北电力有限公司廊坊供电公司河北廊坊 065000
        摘要：电力电容器作为电力系统中重要的无功补偿设备，其安全可靠运行有利于增强电力系统稳定性、提高电能质量和降低电网功率损耗。但受设备制造质量、补偿回路设计、系统谐波、运行环境等因素的影响，电力电容器故障时有发生。为保证设备及电网安全运行，本文首先对电力电容器常见故障的机理进行分析，明确故障特征及其原因。最后针对电力电容器常见故障从设备及安装调试质量、操作和运行方式、控制运行环境温度、运行状态在线监测、日常巡视等5个方面提出了相应的事故预防措施。
        关键词：电力电容器；故障特征；分析；预防措施；
        伴随我国工业化速度的进一步加快，电力系统容量日益增大，电网中感性负荷急剧增长，无功功率需求与日俱增。电力电容器作为电力系统重要的无功补偿设备，以其具有结构简单、造价适中、运行稳定、使用灵活等优势而得到了广泛的应用。
        1 电力电容器故障机理
        1.1 内部电容元件击穿
        电容元件击穿主要是由介质老化、绝缘受潮、生产工艺不良、运行环境恶劣等几方面的因素造成，若元件不带内熔丝，当单个电容元件出现击穿后，与之并联的其他电容元件被其短路，不再共同分担电力电容器的工作电压，串联回路中的其余电容元件承受的工作电压因此增大。如不及时隔离电容元件击穿故障，将会对整台电力电容器的运行带来安全隐患，乃至造成更大范围的破坏性事故。电力电容器选用内熔丝结构就可以对故障电容元件进行有效及时隔离，有利于电力电容器安全运行。
        电容元件击穿可以分为电击穿、热击穿和局部放电击穿。其中，电击穿是由于电力电容器受到过电压或高次谐波等因素的作用，造成两极板间介质的电场强度过高，导致存在缺陷的电容元件绝缘击穿；其特点是电压作用时间短、场强高，而击穿场强与电场均匀程度密切相关，与温度和电压作用时间的关系相对较小。热击穿是由于电力电容器元件的发热量大于散热量，使内部介质温度持续升高，造成电介质的劣化与分解，从而使电容元件的绝缘击穿；其特点是一般发生在电容器稳态运行过程中，与电击穿相比击穿电压相对较低、电压作用时间较长。局部放电击穿是由于电力电容器内部介质中的局部电场强度高，达到了介质内部介电常数相对较低的液体、气体或其他杂质的击穿场强，从而产生局部放电，逐渐使介质的绝缘性能老化，最终导致电容元件绝缘击穿；其特点是击穿过程不是一蹴而就，由非贯穿电极的局部击穿逐渐发展为贯穿性绝缘击穿故障。
        1.2 熔丝熔断
        熔丝保护是电力电容器最常用的保护方式之一，对成套补偿装置的安全稳定运行发挥着重要作用。熔丝保护可以分为外熔丝保护与内熔丝保护，外熔丝保护原理为：当电力电容器内部出现电容元件击穿故障时，使流经电力电容器与外熔丝的故障电流增大，当故障电流达到外熔丝的额定熔断电流时，熔丝就会发热，打破热平衡状态，最终使熔丝熔断，使故障电容器退出运行，避免事故进一步扩大。内熔丝的保护原理为：当电力电容器内部出现电容元件击穿故障时，与之并联的电容元件都会对其放电，此时故障电容元件支路流经的电流为幅值高、衰减快的暂态电流，暂态电流产生的能量会将与之串联的内熔丝熔断，隔离故障电容元件，维持电力电容器的正常运行。
        1.3 内部短路故障
        电力电容器的内部短路故障主要包括内部带电极板对外壳短路、内部极间短路两种形式。内部短路故障主要是由于电容器在长期运行中绝缘介质老化、内部绝缘受潮、承受过电压，或者电容器本身设计、制造过程中存在绝缘缺陷，都会导致电容器发生贯穿性绝缘击穿现象，引起内部短路故障。
        1.4 外部放电故障
        电力电容器外部放电故障是指发生在电容器本体外部，由外部因素所造成的故障，如：套管沿面闪络、套管击穿损坏、相间或对地短路以及套管瓷瓶受应力裂纹等等。此类故障发生的原因和故障形式比较多，但由于发生在电容器本体以外的电气回路，一般可以通过继电保护装置动作、日常巡检、离线试验等方式及时加以处理和有效避免，故障发生概率和自身危害程度都要低于内部故障，但也应该引起足够重视。

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        2 事故预防措施
        2.1 保证设备制造及安装调试质量
        电力电容器设备制造质量是其安全运行的重要前提，在电容器生产过程中应严格工艺流程，选用合格的原材料及生产装备，加强过程质量监督，并通过出厂检验从严把关，从源头上确保产品的制造质量。现场安装应合理“分相、分组”，保证“相与相”、“段与段”之间的电容量平衡匹配。同时，应加强安装后的现场交接验收，确保安装调试质量，降低运行中故障发生概率。
        2.2 改善操作和运行方式
        1）在对线路负载进行停送电操作时，电力电容器组必须遵循“先断后合”的操作原则，而各路负载出线应按照“先合后断”的操作原则，不可以随便更改操作顺序。
        2）电力电容器恢复运行时应保证具有充足的放电时间。电容器组应尽量减少频繁投切；必须按照规程的规定确保电容器组充分放电才可以进行下次合闸操作；若保护装置动作跳开了故障电容器组，不可在故障原因查明之前，再次投入电容器组，以防事故范围扩大。
        3）为避免高次谐波对电力电容器组造成影响，应根据具体使用场所合理选择电抗率，以有效抑制高次谐波，减小电容器组的合闸涌流和过电压，保证成套装置安全运行。
        2.3 控制运行环境温度
        电力电容器的运行温度与其自身性能、运行环境等因素密切相关，当电力电容器的环境温度过高时，将加快电介质的绝缘老化速度，缩短电容器使用寿命，所以应对电容器运行环境温度进行控制。安装在室内运行的电容器组，应通风良好并尽可能加装自动控温装置；室外运行的电容器组，一方面要防止太阳直射造成局部温度异常，另一方面要保证其具有良好的通风散热条件。同时，应定期对电容器组及其成套设备进行带电红外测温，便于采取相应措施，以保证其内部介质温度及运行环境温度低于规程的规定值。
        2.4 实现设备运行状态在线监测
        1）对电力电容器实际运行电压进行在线监测。电力电容器在长期过电压条件下运行，回路电流增大，会导致电容器的温升过高，加速介质绝缘老化，极易造成电容器绝缘击穿故障。国家有关标准规定：电力电容器的运行电压在1.1UN（UN为电容器额定电压）下时，每24 h的最长持续运行时间为12 h；在1.15UN下时，每24 h的最长持续运行时间为30 min。因此有必要对电力电容器自身的运行电压进行在线监测。
        2）对电力电容器故障特征状态量进行在线监测。实现对电力电容器的局放、介损、电容量、泄漏电流、有功损耗等特征信号的在线监测，一方面可以根据状态量对电容器故障进行判断隔离，避免事故扩大引起不必要损失。另一方面可以通过对状态量的变化范围及趋势对电力电容器的潜在缺陷进行分析，实现对故障的预判断，并对潜在故障进行预警。
        2.5 加强设备日常运行巡视
        加强设备日常巡视是保障电容器组正常运行的重要环节之一，应重点对电力电容器组的壳体是否形变，有无渗漏油，套管瓷瓶污秽程度、有无放电痕迹，是否存在悬挂异物以及电气距离、环境温度等进行巡视检查，还可采用辅助手段，比如红外测温、示温蜡片等对其接头有无发热现象进行检测，以及时对设备进行维护，保障电力电容器成套装置的安全运行。
        3结语
        本文通过对电力电容器的故障机理、故障特征及故障原因进行分析，分别从设备及安装调试质量、操作和运行方式、控制运行环境温度、运行状态在线监测、日常巡视等5个方面提出了相应的事故预防措施，为电力电容器实际应用提供参考，具有现实指导意义。
        参考文献：
        [1]咸日常，李其伟，孙学锋，等.基于状态量监测的电力电容器故障诊断技术的研究[J].电力电容器与无功补偿，2018，39（3）。
        [2]王振河，咸日常，李其伟，等.基于模糊理论算法的电力电容器绝缘故障诊断技术研究[J].电器与能效管理技术，2018（23）。