石琳 米豐

（國網(wǎng)冀北電力有限公司超高壓分公司 山西省大同市 037000）

串聯(lián)電容補償裝置（簡稱串補，含串補的線路簡稱為串補線路）是將具有一定拓撲結(jié)構(gòu)的電容器組應(yīng)用于交流長距離輸電系統(tǒng)中，應(yīng)用電容器組的容抗來補償?shù)窒旊娋€路自身的感抗，從而提高系統(tǒng)潮流的輸送能力，有效縮短線路的等值電氣距離，增加線路的穩(wěn)定裕度，改善聯(lián)網(wǎng)負荷分配。

電容器組是串補裝置的基本元件也是核心元件，它由多臺電容器單元以一定的串并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)組成，通過對串補的運行調(diào)度可以改變線路的等值阻抗，從而提高系統(tǒng)潮流的輸送能力。但串補裝置電容器本身為儲能元件，串補的投入與退出會造成電容器組的頻繁充放電，并且充放電的能量也會給臨近電容器帶來很大的電動力沖擊，造成內(nèi)部電容元件的損壞甚至擊穿，因此本文從串補電容器的結(jié)構(gòu)組成和不平衡保護原理入手分析串補電容器的運行特性和故障產(chǎn)生的機理，提出運維檢修階段串補電容器的管理措施。

1 串補電容器的結(jié)構(gòu)組成

固定串補裝置的組成結(jié)構(gòu)中包括電容器組（C），金屬氧化物避雷器（MOV）、火花間隙（G）、旁路斷路器（S）、阻尼回路（D）等。其中，電容器組是串補裝置的核心，它由電容器單元(Capacitor Unit，簡稱CU)通過一定的串并聯(lián)連接方式組成；每個電容器單元由心子和箱體組成，內(nèi)部浸漬絕緣油，心子作為電容器單元的核心，由若干電容元件(Capacitor Element，簡稱CE)以一定的串并聯(lián)拓撲組成，且每一個電容元件上串聯(lián)一個熔絲，稱之為內(nèi)熔絲結(jié)構(gòu)，當電容元件故障后該熔絲熔斷。在接線方式上，電容器組低壓端接平臺低壓母線，電容器組高壓端接平臺高壓母線，電容器組中部框架上引出測量端接不平衡電流互感器（Unbalanced Current Transformer）。其余，金屬氧化物避雷器（MOV）、火花間隙（G）和阻尼回路（D）為串補裝置的保護。本文以某500kV 串補裝置為例，其電容器組的結(jié)構(gòu)組成和電容元件的結(jié)構(gòu)分別如圖1 和圖2 所示。

圖1： 串補裝置平臺單相電容器組的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖2 可知，在電容器單元中，當某一電容元件發(fā)生故障時，該元件上串聯(lián)的熔絲熔斷，電流不流經(jīng)該電容，致使其他支路的電容元件上的電流增大，電壓升高，為了有效防止其他電容元件上出現(xiàn)過電壓的情況，通常在電容器單元中采用較多的并聯(lián)支路，同理，在電容器組結(jié)構(gòu)中也采用多級并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。本文中的電容器的參數(shù)選取如下：串補平臺每相電容器組呈“H”橋形接線方式，4 支橋臂由240 個CU 以12 串20 并的接線方式構(gòu)成，橋臂處安裝有UCT，每個CU 的型號為CAM5.4-648-1W，由54 個CE 通過3 串18 并的接線方式構(gòu)成、總重量為108kg；每個CE 的重要參數(shù)為：20℃時額定容量12.01kvar，額定電壓1.8kV，額定電流6.67A，額定電容量11.79μF，額定容抗為270Ω；每個CU 的重要參數(shù)為：20℃時額定容量為648kvar，額定電壓為5.4kV，額定電流為120A，額定電容量為70.74μF，額定容抗為45Ω，且平臺每相電容器組重要參數(shù)為：20℃時額定容量為466.56Mvar，額定相電壓為64.85kV，額定電流為2400A，額定電容量為117.9μF，額定容抗為27.02Ω。

圖2： 電容器單元的結(jié)構(gòu)示意圖

2 串補電容器不平衡保護配置

2.1 電容器不平衡保護簡介

對于具有內(nèi)熔絲結(jié)構(gòu)的電容器，每個電容元件上串聯(lián)熔絲，當電容元件故障時熔絲熔斷，電流從其他并聯(lián)支路流過；此時電容器單元等值電容減小，這種減小，會對其他非故障電容元件造成不利影響，即流過其他并聯(lián)單元的電流增加，電壓升高；因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，通常采用較多并聯(lián)支路且在電容器組的接線方式上也采用逐級并聯(lián)方式，但當損壞元件數(shù)量進一步增多時，可能會使更多電容元件發(fā)生擊穿從而造成系統(tǒng)旁路。因此必須針對電容器單元或元件內(nèi)部損壞故障而設(shè)置電容器不平衡保護。

2.2 電容器不平衡保護原理

當電容器采用H 型接線時，若電容器組中出現(xiàn)個別電容器元件或單元損壞時，會導致各個橋臂支路流過的電流存在差異，即存在不平衡電流流過，因此，電容器不平衡保護通過測量電容器組電流和各個橋臂支路中的不平衡電流來對電容器組的工作狀態(tài)進行監(jiān)測。

電容器不平衡保護分為3 段：分別為告警、低值保護和高值保護。其中，電容器不平衡告警保護和低值保護采用不平衡度比率差動作為保護動作的判定條件，且定義保護啟動的最小電容電流值（線路電流值），這是因為在工程實際中，電容元件參數(shù)的不同與系統(tǒng)測量的誤差等都會使得電容器組存在固有的不平衡電流，且該電流會隨著線路電流的增大呈現(xiàn)非線性增大，因此通過比率差動法可以保證輕微故障時較高的動作靈敏度，同時當系統(tǒng)負荷較小（線路負荷較低）時，串補裝置依調(diào)度令轉(zhuǎn)為熱備用或冷備用狀態(tài)，此時，系統(tǒng)存在較小的線路電流（通常為200A），為了防止保護在系統(tǒng)電流較小時出現(xiàn)誤動的情況，且為了防止微機保護裝置中出現(xiàn)“0/0”的情況一般需要設(shè)定保護啟動的最小線路電流。電容器不平衡高值保護只采用不平衡電流作為保護動作的判定條件，此時與線路電流大小無關(guān)，這是為了保證在嚴重故障的情況下保護動作的速動性，同時避免當故障電流較大而不平衡度比率較低時保護不動的情況發(fā)生。電容器不平衡三段保護的保護定值分別如下：

電容器不平衡告警保護的定值整定為不平衡度＞291（μA/A）或0.29‰且線路電流＞250A 時，保護動作，經(jīng)2000ms 延時后上報信息；電容器不平衡低值保護分為“保護啟動”和“保護旁路”前后兩個行為。當?shù)椭当Ｗo動作條件持續(xù)時間大于低值保護啟動延時定值時，低值保護進入啟動狀態(tài)，但不旁路串補，之后當保護旁路延時定值到時，控制保護裝置才發(fā)出旁路串補命令，并啟動暫時閉鎖。實際中，電容器不平衡低值保護的啟動延時定值和旁路延時定值相差30 分鐘，運行人員可以在這段時間內(nèi)（串補尚未退出期間）完成對本線路上重要負荷的轉(zhuǎn)移操作。電容器不平衡低值保護的定值整定為不平衡度＞500（μA/A）或0.5‰且線路電流＞250A 時，低值保護動作；電容器不平衡高值保護是當電容器不平衡電流＞1.6A 時，經(jīng)高值保護延時100ms 后，電容器不平衡高值保護動作，三相旁路且永久閉鎖。

3 電容器過負荷保護配置

串聯(lián)補償電容器組在運行過程中應(yīng)能夠承受住系統(tǒng)故障時的短時過負荷電流，電容器組過負荷保護是通過檢測線路電流的大小來判斷電容器的運行情況，并針對系統(tǒng)出現(xiàn)的不同程度過負荷情況設(shè)置并整定相應(yīng)的動作時限，當線路過電流達到額定電流的110%時系統(tǒng)運行時間為8 小時、當135%額定電流時系統(tǒng)運行時間為30min、當150%額定電流時系統(tǒng)運行時間為10min，當線路過電流大于額定電流的110%時且運行超過相應(yīng)整定時間后，過負荷保護延時10s后動作于告警，并上報故障信息。15min 后暫時閉鎖串補裝置，60min 內(nèi)允許重投3 次，避免線路暫時過電壓對電容器內(nèi)部造成擊穿，第4 次保護動作，串補裝置永久閉鎖。

4 串補電容器運行特性

在串補電容器組的日常例行檢修試驗過程中，檢修人員例行對電容器組的電容量進行測試，通過電容量的大小來判斷電容器內(nèi)部是否運行正常。當單支電容器的電容量發(fā)生變化時，可能是電容器單元內(nèi)部的電容元件被擊穿、或是電容器內(nèi)部熔絲動作數(shù)量過多造成的，進而可能會引起串補裝置電容器組電容量的變化，變化顯著時會引起不平衡電流保護動作，從而旁路斷路器動作，串補裝置被旁路，為了清楚地掌握電容器的運行特性，需要對電容器電容量的變化情況進行分析。

4.1 電容器電容量變化分析

根據(jù)圖2 電容器單元的結(jié)構(gòu)圖，假設(shè)電容元件CE的電容量為C，電容器單元的結(jié)構(gòu)為m 個串n 個并的接線方式時，則電容器單元的標稱電容C為：

4.2 電容器組不平衡電流分析

根據(jù)圖3 中所標注電壓、電流方向和基爾霍夫電流定律可知：電容器組的不平衡電流I為：

圖3： 電容器組電壓、電流示意圖

圖4： 電容單元電容量的相對變化

根據(jù)第1 節(jié)中電容器組成結(jié)構(gòu)及參數(shù)，結(jié)合公式（2）、公式（3）、公式（11）和公式（12）可以得到，當CE 損壞時，CU 電容量的變化與CU 所在電容器組對應(yīng)臂的電容量變化如表1 所示，不平衡電流和不平衡度的變化如表2 所示。

表1： 電容器電容量變化分析

表2： 電容器組不平衡電流變化分析

根據(jù)表1 可知，當有CE 損壞時，CU 的電容量減小，對應(yīng)臂電容量減??；結(jié)合圖3 可知，CE 損壞個數(shù)越多，CU電容量減小的相對百分比增大，且呈非線性變化；由表2 可知，當CE 損壞個數(shù)為3 時，此時不平衡度為0.26‰，接近于不平衡告警保護的動作定值?？紤]到在工程實際中，CE標稱值不同與系統(tǒng)測量誤差等都會使得電容器組存在固有的不平衡電流，因此，不平衡電流與不平衡度需要根據(jù)實際情況進行整定。根據(jù)規(guī)定，按照不平衡電流固有計算值不超過告警值的30%進行修訂，得到修訂后的不平衡電流和不平衡度如表2 所示?？芍擟E 損壞個數(shù)為2 時，不平衡度即為0.26‰，此時CU 電容量減少2.83μF，變化率為4%，該CU 所在電容器組對應(yīng)臂的電容量減少0.08μF ，變化率為0.68‰。

5 串補電容典型缺陷和故障分析

在正常運行狀態(tài)下，使用壽命為30 年的電容器自然損壞率是很低的，一般不超過0.1%。如果按照這個損壞率來計算，某運行5760 只電容器的500kV 站10 年更換的電容器數(shù)量不超過2 只，但根據(jù)運維經(jīng)驗，近10 年結(jié)合停電檢修，更換的故障電容器數(shù)量近50 只。因此電容器的損壞率是相當高的，結(jié)合運維檢修經(jīng)驗，電容器主要缺陷如下：

5.1 發(fā)熱缺陷

據(jù)統(tǒng)計，近10 年某500kV 站內(nèi)電容器發(fā)熱缺陷占站內(nèi)設(shè)備發(fā)熱缺陷的30%左右，且串補電容器的發(fā)熱點通常位于電容器套管瓷柱與銅排的連接處。結(jié)合停電檢修發(fā)現(xiàn)造成該處發(fā)熱的原因多數(shù)因為電容器套管瓷柱與銅排的連接線夾安裝方式不正確，導致瓷柱與銅排之間存在間隙或由于該連接處緊固螺母發(fā)生松動導致接觸電阻變大引起發(fā)熱；除此之外，電容器套管瓷柱與銅排的連接線夾常年裸露在室外空氣中易發(fā)生電化腐蝕，會使線夾表面有臟污、氧化層變厚，最終也會導致接觸電阻變大發(fā)熱。

5.2 滲漏油缺陷

在串補裝置運維檢修階段，滲漏油缺陷是串補電容器發(fā)生率很高的缺陷，若不考慮線路故障的影響，電容器出現(xiàn)滲漏油通常是因為電容器套管連接處發(fā)熱嚴重，造成密封圈老化從而使密封性能降低導致的；除此之外，在電容器安裝或者例行檢修過程中，如果電容器套管瓷柱與銅排連接處緊固螺母的力矩過大，使得電容器套管的密封圈受力增大，造成密封圈破損，也容易引起電容器發(fā)生滲漏油。當電容器套管發(fā)生滲油時，該過程是緩慢變化的，一般不會引起電容器內(nèi)部絕緣性能和場強分布，電容器的電容量也不會發(fā)生明顯變化。但是當進一步嚴重而發(fā)生漏油時，極易造成電容器內(nèi)部絕緣性能降低，進而使CE 發(fā)生擊穿，根據(jù)第3 部分內(nèi)容可知嚴重時引起電容器不平衡保護動作。

5.3 電容器鼓肚

當電容器內(nèi)部CE 擊穿損壞，擊穿瞬時高電壓會使絕緣油分解產(chǎn)生氣體，當CE 擊穿個數(shù)增加時會產(chǎn)生并積聚大量氣體，使得電容器內(nèi)部壓力變大，從而使電容器發(fā)生外殼形變而鼓肚，嚴重時發(fā)生爆炸。

5.4 電容器極間短路

串補電容器套管兩極如果在鳥害或異物的影響下極易造成電容器極間短路，極間短路極易短時間內(nèi)引起電容器噴油、著火甚至爆炸。

6 串補電容器運維檢修措施

（1）做好串補電容器套管瓷柱與銅排的連接處紅外測溫工作，并作好對比記錄，發(fā)現(xiàn)溫升異常，及時測溫周期并申請退出串補。

（2）運用高倍鏡，站內(nèi)視頻系統(tǒng)等加強絕緣平臺以及平臺下方巡視，一旦發(fā)現(xiàn)油漬且有刺鼻味道及時對串補電容器運行情況進行預(yù)判并申請退出串補。

（3）檢修過程中注意串補電容器套管瓷柱與線夾連接處的緊固力應(yīng)適中，不能過緊，防止損壞密封圈；也不可過松，造成接觸電阻變大。

（4）串補裝置例行檢修過程中注意檢查電容器套管瓷柱與銅排的連接線夾是否發(fā)生腐蝕、斷裂，對故障線夾及時進行更換。

（5）串補裝置運行過程中應(yīng)特別關(guān)注電容器不平衡電流值，在串補裝置例行檢修試驗過程中進行串聯(lián)電容器單臺電容器電容量的監(jiān)測，當電容器電容量比上次實驗值減少接近3μF，當電容量變化的相對誤差接近3%，單臂電容量減少接近0.1μF 時，應(yīng)盡早安排串補裝置檢修，避免電容器帶故障運行而發(fā)展成擴大故障，并及時對故障電容器更換。

（6）持續(xù)做好串補裝置鳥害隱患治理，加裝驅(qū)鳥裝置，并及時做好維護。

7 結(jié)束語

超高壓輸電線路串補裝置電容器組采用H 型接線，當電容元件或單元損壞時，會導致橋臂支路流過不平衡電流，因此，不平衡保護是監(jiān)測串補電容器組內(nèi)部故障最重要的保護之一，一旦電容器內(nèi)部元件故障，不平衡電流會對故障實時且靈敏地反映。電容單元電容量以及單臂電容量隨電容元件損壞個數(shù)的增大而減小，不平衡度會增大，均呈現(xiàn)非線性變化。為確保串補裝置正常運行，運行中要做好不平衡電流監(jiān)測、記錄和數(shù)值對比，關(guān)注該值發(fā)生突變情況；要做好串補電容器套管瓷柱與銅排的連接處紅外測溫，實現(xiàn)設(shè)備溫度監(jiān)測，防止因套管瓷柱與銅排的連接處發(fā)熱導致絕緣膠墊過熱老化引起后續(xù)的滲漏油等故障；做好串補裝置的檢修計劃，停電期間對單臺電容器的電容量進行監(jiān)測，當電容器電容量比上次實驗值減少接近3μF，電容量變化的相對誤差接近3%，單臂電容量減少接近0.1μF 時，應(yīng)及時對該臺電容器進行更換，并做好電容量的配平，防止因電容元件擊穿損壞而導致電容器著火爆炸等故障發(fā)生。