电容器单元采用先串后并接线引起电容器组故障分析

电容器单元采用先串后并接线引起电容器组故障分析

作者：王亚新 徐文邦

来源：《电子技术与软件工程》2015年第22期

摘 要不同结构、不同接线方式的电容器组有着不同的运行寿命。本文从某变电站电容器组电容器单元大量损坏入手，根据事故发生后巡检记录、电气试验结果以及电容器设计情况，利用PSCAD软件对该种接线形式下电容量互差对电容器组整体的影响做了一个模拟仿真，通过对事故的分析和讨论，提出一点建议，希望能够为今后电容器的选型提供一个简单的参考。 【关键词】电容器单元 互差 接线方式 仿真 1 电容器基本原理与作用

电容器是用来储存电荷的电器，最简单的电容器由电介质和被它隔开的两个金属电极组成。当电极间施加电压U时，电极上分别聚集大小相等，符号相反的电荷，电荷与电压的比值称为电容，以表达电容器储存电荷的能力。

根据通过电容器电流的强弱和施加在其两端电压的大小，电容器可分为电力电容器和电子电容器。在电力电容器中，并联电容器占到了大多数，其作用主要是用来补偿系统感性无功功率，以改善功率因数，减小电能损耗，提高供电质量，而与电抗器串联后组成的电容器组随着电容值与电抗值的配比，能够合闸涌流，具有滤波的作用。 2 电容器组常见接线方式

电容器组常见的接线方式有三角形接线和星形接线，而星形接线又分为单星形接线和双星型接线，由于电容器组一般是接在不接地系统中，故中性点接地的星形接线目前在国内尚不存在运行经验。

三角形接线的电容器组，单相电容器运行在线电压之间，当该相电容器内部发生击穿时，就造成了系统两相短路，短路电流较大，在这种情况下故障相电容器单元内部温度急剧上升，易造成电容器内部电介质沸腾，产生大量烟尘，严重情况将发生爆炸，造成事故扩大，威胁社会和经济发展。因此鉴于以上情况，三角形接线形式基本上已经淘汰，在国内某些6kV系统上或老旧变电站内，仍能看到三角形接线的电容器组。

相比于三角形接线，星形电容器组的接线无论从形式上和可靠性上都较三角形接线成熟。星形接线的电容器组继电保护所能采用的方式也比较灵活，如单星形接线电容器组其放电PT

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二次侧接成开口三角形，可做开口三角电压保护，双星型接线可采用中性点不平衡电流保护等。

3 某变电站电容器组故障分析

某变电站10kV电容器组电容器单元型号为BKMJ1.588-83.4-1Q，为国内知名厂家生产的自愈式电容器单元，额定电压1.588kV，额定电容量为105.4μF，内置式熔断器。该电容器组每相共有12只电容器单元，每4个电容器单元串联之后三组串联单元并联，每相额定电容量为79.05μF。

2009年7月该变电站10kV1#电容器组运行中断路器跳闸，经过对该电容器组试验检查发现，该电容器组A、B、C三相电容量发生了变化，分别为69.33μF、73.44μF、74.18μF，计算其与额定电容量的互差分别为-12.30%、-7.10%、-6.16%，均超过了规程规定的-5%-+10%之间的范围，经过检查发现，该电容器组36只电容器单元中，17只偏离规程规定。

同年9月，该变电站10kV3号电容器组运行中断路器跳闸，经过对该电容器组试验检查发现，该电容器组A、B、C三相电容量也已发生了变化，分别为67.6μF、72μF、72.2μF，计算其与额定电容量的互差分别为-14.48%、-8.92%、-8.67%，偏离规程规定互差范围，经过检查发现，该电容器组36只单元有21只不符合规程规定。

这两组电容器组均在运行当中突然断路器跳闸退出运行，检查试验均发现电容器组电容器单元大范围出现电容量偏差，这不得不引起我们的思考。

通过查阅相关台帐发现，该站电容器组接线方式与其他变电站有所不同，该站电容器组采用四只电容器单元串联后与其他两组电容器单元并联构成一相的接线方式，针对此种接线方式，我们研究电容器单元电容量变化对该种接线下电容器组的影响。

在正常运行方式下，根据相关规定要求，10kV系统运行电压应为9.5-11kV之间，因此其相电压应为5.48-6.35kV之间，电容器单元的额定电压为1.588kV，四只串联后其端电压为6.352kV，满足并联电容器的额定电压应略高于电网的额定电压的要求。但由于电容器在运行过程中不可避免地要承受过电压的影响，在过电压的影响下，电容器电介质收到极化的影响，其介电常数会发生变化，根据电容器电容量公式， （式1） 式中： C 电容量 ε0 真空介电常数

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εr 介质介电常数 S 电容器极板面积 d 电容器极板距离

随着εr的变化，电容器电容量随着发生变化，那么电容器容抗Xc就要随着变化，进而各电容器单元分压不等将会造成某些电容器单元过压运行，某些电容器单元欠压运行，影响电容器的寿命。

在正常情况下，各电容器单元之间电容量互差在规程规定的允许范围内，为了便于研究，我们假设其电容值完全相等，则四个电容器单元平分电压，每个电容器单元承受的最高电压为， （式2） 式中：

Umax 各电容器承受的最高电压 Uave 各电容器承受的平均电压 Un 电容器组承受的额定电压 略低于其额定电压，满足运行要求。

假设第i（i=1、2、3、4）个电容器单元其电容量发生了变化，其电容量为变化为额定电容量的k倍，其他电容器单元电容量仍然为额定电容Cn，则Ci=kCn。 那么第i个电容器单元所承受的最高电压为Ui （式3）

其他任意电容器单元所承受的电压为 （式4） 式3，4中：

Uci 第i哥电容器承受的电压

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U 电容器组两端的实际电压 k 电容量为额定电容的k倍 Ucq 其他任意电容器承受的电压

从以上两式可以看出，若k趋近于0，则第i个电容器单元所承受的电压接近于额定电压U，而其他电容器单元所承受的电压趋近于0，这相当于第i个电容器单元节点位置接近于开路状态；若k趋近于无穷，则第i个电容器单元所承受的电压接近于0，其他电容器单元均分施加在电容器组两端的电压，这相当于第i个电容器单元被击穿，呈现短路状态。

综上，我们可以发现，当电容器组中某一电容器单元的电容量发生变化时，其自身所承受的电压会发生变化，其他电容器单元所承受的电压也会发生变化，而且这种变化呈现出反比例函数的特征。因此我们可以分析出当某一电容器单元电容量发生变化时，其他电容器单元有可能运行在过压或者欠压的情况下，但是不管是在何种情况下运行，当该电容器单元绝缘逐步降低直至被击穿，其他的电容器的运行状态总是朝着过电压运行的状态过度。并且这种运行趋势随着电容器组运行年限的增加，绝缘的逐步降低，呈现出多米诺骨牌的过电压运行直至击穿效应，在某些特殊情况下，这种多米诺骨牌效应持续时间可能只有毫秒级。 4 仿真与验证

为了验证故障原因，再现故障状态，使用PSCAD对故障进行了仿真，我们模拟一相电容器组中的一组串联电容器中的某一只电容器单元由于某种原因造成电容器单元电容量发生变化，我们假设其他电容器单元的电容量都是额定电容量，没有发生变化，研究故障电容量变化引起其自身承受电压及其他电容器单元承受电压的情况。

从以上仿真结果可以看出，在Ci=Cn时，各电容器均分电压，承受电压相等，在Ci朝着电容量增大的方向变化时，其自身所承受的电压降低，但是其他电容器所承受电压电压增加，超过其额定值，容易引起击穿；在Ci朝着减小的方向变化时，其他电容器单元所承受的电压减小，其自身所承受的电压增大，超过其额定电压时，容易引起其自身击穿，并且当其自身击穿后，其他电容器单元将均分被击穿电容器单元所承受的电压，引起电容器单元过压运行，有可能导致多米诺骨牌击穿效应，引起电容器组烧毁，严重时会引起爆炸。 5 结语

通过对电容器串联单元电容量不平衡对电容器的影响来看，这种电容器单元串联接线接线形式简单，但是采用这种接线的电容器组在长时间运行后，由于无法保证电容器各单元老化速度完全一致，因此不可避免地会出现电容器单元电容量会随着时间逐步变化的过程，导致电容

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器单元之间出现互差，而在这种互差的影响下，电容器会出现“群爆”现象，给供电可靠性及设备安全带来极大隐患。

目前有效的解决方法是电容器单元先并联后串联构成电容器组，这种接线当电容器单元电容量发生变化时，与其自身并联段电容器电压升高，其他电容器电压降低，这种接线的电容器组其可靠性相比于先串后并接线有了较大的提高。 参考文献

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[2]艾尔江，关于对并联电容器组安全运行方面的几点建议[J].科技信息月刊，2011（7），21-26.

[3]刘耀年，霍龙，电路[M].北京：中国电力出版社，2005.

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