周存和高工的报告稿 - 广东省电机工程学会高压专委会

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周存和高工的报告稿

国内外电力电容器的技术进步常见问题与事故

发言人：周存和
教授级高级工程师
电力电容器
的技术进展
高压并联电容器
固体材料：电极（铝箔）、4.5～7μm，
                        介质：聚丙烯薄膜、9～18μm，
                              粗化膜（单、双面）。
（耐压水平、个别点、厚度均匀性、结晶度
（differential scan calorimeter ，焓enthalpy）、等规度 {ratio of two infrared absorption
      peak A973 (or 973 cm-2 ) and A998 (or
     998 cm-2)}
液体材料：习惯称呼“电容器油”，即液体
            介质。
toxicology ＆ environment
　of oil（液体介质的毒性与环境）
acute toxicity classification (oral LD50,rat)
　　　　　　（急性毒性分类）
Ⅰ. 极毒（extremely toxic）: below 1 mg/kg;
Ⅱ. 高毒（high toxic）: 1～50 mg/kg;
Ⅲ. 中毒（moderately toxic）: 50～500 mg/kg;
Ⅳ. 低毒（slightly toxic）: 0.5～5 g/kg;
Ⅴ. 几乎无毒（practically toxic）: 5～15 g/kg;
Ⅵ. 相对无毒（relatively toxic）: above 15 g/kg。
　　         PXE, IPB, M/DBT, DPE
              可生物降解 (biodegradable)。

1、急性毒性分类（按小白鼠半致死量）
         PXE——Ⅳ级；MBT——Ⅳ级；
         DBT——Ⅴ级。
2、皮肤刺激、视觉刺激、蒸汽吸入研究：无
          害。
3、致癌作用检出试验（Ames test）
          未发现任何诱变现象。
4、生态学研究：无异变。
5、生物降解能力研究：良好。
6、无色无碳复写纸（压敏纸）原料：放心。

影响电容器内在质量的重要因素

清洁变压器油的击穿电压微粒与微水联合作用
对变压器油的影响
与水份含量的关系

清洁油的微水含量为5ppm左右击穿电压不下降。7~12ppm时，明显下降。23~40ppm时，击穿电压大幅度降至起始值的30%。

含3~150μm大小的纤维素粒子每10毫升少于200颗，视为合格。

微量水分的渊源

水以三种形态溶解于电容器油中，即所谓
自由水（free water）、络合水（cluster）与
氢键合水(hydrogen bonded water)。而在微
水分析中，国内外通用的 Kail Fischen 法只能
测出自由水的含量，当然，电容器油的击穿电
压也主要与自由水含量关系密切。但是，络合
水乃自由水之源，因为它是弱键合水，一旦外
部条件具备，它就会对油的击穿电压带来负面
影响。至于氢键合水，它属于强键合水，一般
的分馏很难将它祛掉。

产品结构、工艺水平
等方面的先进技术

没有真空罐，直接对电容器箱体抽真空，然后在不破空的情况下压力注油

箱体喷沙（丸）后机器人喷反射紫外漆
导体不外露，有防鸟罩和绝缘联线

浸渍时每罐温度测控用全尺寸、带内部热电偶的模型电容器

不同结构产品的特点

单台铁壳式：量大面广，故障处（熔断器断口）
                        明显，结构上也是下述多种电容器
                        的基础。安装麻烦；安全。
集合式：内部是单台铁壳式产品，只不过有油作
                外绝缘和散热之用。
                优点：安装方便、易维护、占地省。
             请注意：保护上有“死区”；内熔丝动作不易察觉，现场无法修理；损坏率普遍偏高；现在全世界仅有我国还在生产，而且大量生产，日本已于2002年前后停止生产。

不同结构产品的特点

干式自愈式高压并联电容器

自愈失效元件如何可靠切除？!
自愈失效在0.1～10微秒的时限内，转变成高达8000oK
的热能，将薄膜分解为易燃易爆的气体，它们是：
　　　CO— 4%
　　　H2—72%
　　　C2H2—21%
　　　CH4—3%　
这就潜伏着极大的危险！常规保护无能为力！

电容变化率
K’= 1 + z /P(S－z)

无熔丝电容器组

5kV，11kV100kvar与200kvar，
S=7，3P=4（100kvar）与8（200kvar）
TBB35-6000/100-ACW
TBB35-12000/200-ACW

国内外电容器差距

国外先进水平
无内熔丝电容器介质损耗：0.000045，
有内熔丝电容器介质损耗：0.000097。

国内先进水平
无内熔丝电容器介质损耗：0.0001，
有内熔丝电容器介质损耗：0.0002。

国外先进水平
无内熔丝电容器介质损耗：0.000045，
有内熔丝电容器介质损耗：0.000097。

国内先进水平
无内熔丝电容器介质损耗：0.0001，
有内熔丝电容器介质损耗：0.0002

常见问题、事故漫谈

常规过电压；
常规过电流；
爆破能量与并联台数；
谐波的影响；
真空断路器的弹跳与三相不同期问题；
避雷器带来的问题；
喷逐式熔断器（外熔断器）问题；
电容器内部故障与继电保护问题

电容器的过压能力

按国家标准GB/T 11024.1—2001的规定：
   1.10Un   24h内允许8h；
   1.15Un   24小时内允许30分钟；
   1.20Un   轻负荷时的电压升高，允许5分钟；
   1.30Un   轻负荷时的电压升高，允许1分钟。
高于1.15Un的过电压，在电容器的整个寿命期限内不允许超过200次！
全膜电容器的寿命L（一例）：
                 L=const(Us/Ucn)-7.7

电容器的过流能力

GB/T 11024.1-2001中规定，电容器为额定电容时，稳态过电流可达电容器额定电流的1.30倍，这个过电流是谐波和高至1.10倍电容器额定电压的过电压共同作用的结果。
1.30Icn =    I12+(∑In)2
1.69Icn2 = I12+(∑In)2
则I1=Icn时有：0.69Icn2 = (∑In)2
∑In ≈ 0.83Icn
    1.30Icn = I1 + 0.30Icn = I1 + ∑In

实例

n： 1 3 5 7 9 11 13
In：1.0Ic 0.22 0.12 0.068 0.042 0.028 0.022
按方均根计算，√I12+∑In2 =1.0346I1＜1.30I1
按1+0.30计算，
√∑In2 = 0.495＞0.30I1，或
√∑（In/3）2 = 0.386＞0.30I1
电容器大量损坏！

爆破能量（13~15vs30kJ）

组容量与单台容量的选取：二者只能人
为地定其一，其实这“其一”也受限制！
        单只电容器箱壳的爆破能量（最大并
联台数；按峰值计算能量！）；
        与系统能否产生并联谐振（组容量）；
        继电保护能否起到防患于未然的作用
而又不影响投运率（最小并联台数）。

串联电抗器

功能：主要是限制合闸涌流，减小谐波对
            电容器的危害。
国外：基本不考虑谐波
国内：必须重视谐波
            选定串联电抗器后，会带来3个变化：
        1、电容器端电压升高；
        2、谐波电流的分流发生量的变化；
        3、谐振条件发生变化。

电容器电压与其出力的关系

电抗百分率

按GB50227-95：
基本无谐波、仅为限制合闸涌流时选0.5～1.0%；
背景有五次谐波时选4.5～6.0%；
      （注——集合式最好别选4.5%!）
                  β=ωL/（1/ωC）
           电容器内熔丝动作后，C变小、容抗增大、若感抗不变（电抗器未损坏前一般不变），则β也随之变小。而4%乃5次谐波的谐振点！
        12%对限制3次谐波而言，有时偏小。
背景有三次谐波时选12%。
      （注——此项改成12～13%为好！）

限制谐波(<In/2)进入电容器支路的
参数对照表

Icn = In /（1 + k）            Isn = kIn /（1 + k）
                   k =（nXL + Xc/n）/ nXs
式中：   Icn—流入电容器支路的谐波电流；
              Isn—进入电力系统的谐波电流；
              In—谐波源发出的电流；           XL—串联电抗器的电抗；
              Xc—电容器的容抗；                  Xs—系统的短路阻抗。
                  k:     ＞0 并补；           ＝0 理想滤波工况；
                       ＜0 谐波放大；    ＝-1 并联谐振！

按谐振校核数据，可能产生并联谐振的次数：
         n=√(S/QC）和
（GB/T 11024.1-2001；GB 50227-95）
式中：S—电容器组安装处的短路容量
                （MVA）；
            QC—电容器组的容量（Mvar）。

2006.02.12
某220kV站，一年内电容器组发生10起事故，电容器、电抗器、放电线圈等主要部件都先后严重损坏过，这时经计算才发现：10kV母线对地短路容量达最大值时，电容器组与系统产生并联谐振的谐波次数n=3.13；10kV母线对地短路容量达最小值时，电器组与系统产生并联谐振的谐波次数n=2.78。

2007.11.15
某110kV变电站，35kV电容器组，电抗百分率6%，9000kvar，合闸5小时后突然跳闸，差压保护动作。经查：A相损坏6台（爆2台、坏4 台）；B相坏2台、放电线圈鼓肚；C相放电线圈损坏。母线对地短路容量105.3~220.8 MVA。计算表明:谐振容量为:
5300~11200kvar。

2组电容器时谐振的计算

断路器（投不上？切不了？）
功能：电容器投切、故障断电之用。
真空断路器：三相不同期、弹跳难以避免！有截流、重击穿现象。最好选ZN28以后序号产品。
三相不同期不大于2ms（或GB 50227-1995中的触头弹跳时间不大于2ms）即视为合格的规定，在投切容性负荷，且同时采用微机保护时，实践证明是不能令人满意的。

图a是无功补偿专家组提出禁止使用的，如果是现有规格10kV产品4只按图a接线是应该禁止；但这正是《交流无间隙金属氧化物避雷器使用导则》（JB/T 5894-1991）推荐的。
图b是GB50227-9595推荐的；

喷逐式熔断器（ expulsion）

额定电流= 被保护电容器额定电流的
1.43 ~ 1.55倍
注意：此值未考虑电网背景谐波电流！
主要指标：
熔断器熔丝中通过1.1倍额定电流时，熔丝4小时不熔断；
熔丝中通过1.5倍额定电流时，熔丝熔断时间应＜75秒；
熔丝中通过2.0倍额定电流时，熔丝熔断时间应＜7.5秒；
极限感性开断电流≮5千安；
抗涌流能力应与被保护电容器的此项能力一致。
熔断器的安秒特性应处在电容器箱壳（10%概率）爆裂特性曲线的左侧！

内熔丝、外熔断器不相容？

与事实不符；单台电容器对地保护也存在 “盲区”（即“死区”）。（国网推荐：有内无外?!）。
    Ic=ωCU     内熔丝动作，C ，Ic ，外熔断器如何动作？
   实际上内外熔丝并用时，外熔丝常常动作！
   （对地放电或击穿、极间闪烙）

继电保护
产品内部故障保护两大类：主保护和后备保护。
        前者是指动作时限较短，能对故障发展起防患于未然作用的内熔丝和外熔断器。
        后者是指动作时限较长（如0.1秒及以上），但能防止事故进一步扩大的继电保护——不平衡（电压和电流）保护。
不平衡（电压和电流）保护基本原则
        带内熔丝电容器：与故障元件并联的完好元件上的过电压倍数达到1.15~1.50 （1.10偏低）倍时,继电保护应动作。
        无内熔丝电容器：元件串联段数损坏率达到1/3～1/2或缺1台跳闸。
继电保护
产品内部故障保护两大类：主保护和后备保护。
        前者是指动作时限较短，能对故障发展起防患于未然作用的内熔丝和外熔断器。
        后者是指动作时限较长（如0.1秒及以上），但能防止事故进一步扩大的继电保护——不平衡（电压和电流）保护。
不平衡（电压和电流）保护基本原则
        带内熔丝电容器：与故障元件并联的完好元件上的过电压倍数达到1.15~1.50 （1.10偏低）倍时,继电保护应动作。
        无内熔丝电容器：元件串联段数损坏率达到1/3～1/2或缺1台跳闸。

电容器组的保护汇总

★主保护（内熔丝和外熔断器）
★不平衡（电压和电流）保护（开口三角即零序电压、纵向电压差动即差压、横向电流差动即桥差、中线不平衡电流即中线差流）
★系统异常保护
过电压、过电流、过流速断和失压保护
★过负荷保护
谐波严重而又未滤波时考虑是否采用

常见故障现象
外熔断器动作：观察、测电容、遥测（2500伏遥表）对壳绝缘电阻、检查熔断器的熔丝规格。
渗漏油：观察电焊、锡焊处。呼吸作用——潮气（水分）进入引发加速老化、油面下降引起电容器上部极对壳放电或元件击穿！
电容量变化：分析、计算内部元件损坏情况后再定。
绝缘电阻下降：对地绝缘电阻＜500MΩ，更换电容器。
介质损耗上升：监测tgδ。
箱壳温度异常（如超过规定值、或与众不同）：察看示温蜡片颜色或遥测。属前者更换电容器；属后者加强监视。
鼓肚：内部局部放电导致油分解、产生气体所致。更换电容器！
爆裂（rupture）：涌入电容器的能量超过箱壳的耐受能力！
              一是内部极间介质贯穿性击穿（极间短路）、与之并联的完好电容器对它放电；
              二是内部极对壳击穿时的电、热效应引起油大量、快速分解；
              三是介质在热与电的联合作用下长期老化、持续鼓肚所致。

几个参考案例

2003.4.23
某220kV变电站，10kV，3000kvar,集合式电
容器，开口三角电压保护，运行值班人员先闻到
绝缘烧焦气味，察看表计正常，后来气味越来越
大，直至看到室外电容器冒烟，继电保护均未动
作，急忙手动拉闸为止。经查：对地绝缘电阻几
乎为零、电容量基本未变、继电保护正常完好，
确实未发信号、未动作。

2004.11.20
某220kV变电站，35kV，10000kvar
（3334×3）集合式电容器，差压保护。A、C相压力释放阀动作喷油，差压保护动作。经检查发现： A、C相油的总烃含量均在2000以上，且电容量大大下降。吊芯发现C相有一
小单元鼓肚，其外壳一角有烧黑斑点，此点又对大油箱放电，致使大油箱的油大量分解产气，导致喷油；不稳定的放电引发暂态过电压，使得元件大量损坏

2003.08.02
    Uab=420~450V,       Ucd = 124~128V，当接好二次低压
    线，合上G后， △ U ≈ 0V 。为什么？