并聯(lián)電容器組故障原因分析及對策_(dá)趙智民

1、第4期（總第193期）2015年8月山西電力POWERNo.4（Ser.193）Aug.2015SHANXIELECTRIC并聯(lián)電容器組故障原因分析及對策趙智民1，柳蘭泳2，杜（1.國網(wǎng)山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西運(yùn)城昭1041000）044000；2.國網(wǎng)山西省電力公司臨汾供電公司，山西臨汾摘要：針對某220kV變電站35kV并聯(lián)電容器在運(yùn)行中發(fā)生故障，通過分析電容器裝置和主變壓器故障錄波圖，利用等效電路圖對諧波源位于系統(tǒng)側(cè)情況進(jìn)行了推導(dǎo)，并用該方法對本次電容器故障進(jìn)行計(jì)算分析，證實(shí)了電容器組與系統(tǒng)發(fā)生了4次串聯(lián)諧振，諧振過電壓、過電流導(dǎo)致電容器故障。通過將第1組電容器電抗率提高到12%

2、，并再次對低壓側(cè)各次諧波阻抗進(jìn)行計(jì)算分析，證明改變電容器組電抗率可以抑制4次諧波放大，避免再次出現(xiàn)電容器故障。關(guān)鍵詞：并聯(lián)電容器；諧波；串聯(lián)諧振；電抗率中圖分類號：TM53文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：1671-0320（2015）04-0043-041.2故障設(shè)備簡況故障前，220kV和110kV側(cè)雙母并列運(yùn)行，35kV側(cè)為雙母分裂運(yùn)行，35kV側(cè)無其他負(fù)荷。故障時(shí)，站內(nèi)無任何操作。35kVI母電容器配置如下：電容器裝置型號為TBB35-10008/417-ACW，11號電容器配置電抗器電抗率為5%（電抗器型號為CKDGKL-35-167/1100-5W），12、13號電容器配置電抗器電抗率為12

3、%。35kVII母電容器配置與I母相同。1.3故障簡況1.1故障經(jīng)過220kV某站35kV11號電容器于2015年1月6日10時(shí)21分限時(shí)電流速斷保護(hù)動(dòng)作?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該組電容器B、C相共6個(gè)電容單元爆裂燃燒。1.3.1一次設(shè)備試驗(yàn)11號電容器A相檢查試驗(yàn)合格。B相一只爆裂，一只鼓肚，試驗(yàn)電容值為0，其余6只電容值測試。C相電容器6只損壞，如圖1所示。電抗器外表熏黑，試驗(yàn)合格。避雷器檢查試驗(yàn)合格。油浸全密封放電線圈外觀正常，試驗(yàn)合格。斷路器試驗(yàn)收稿日期：2015-05-22，修回日期：2015-06-10（1982）作者簡介：趙智民，男，山西運(yùn)城人，2009年畢業(yè)于太原理工工程師，從事變電設(shè)備

4、運(yùn)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，維檢修管理工作；（1990）柳蘭泳，女，山西運(yùn)城人，2012年畢業(yè)于太原科技助理工程師，大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，從事電力安全生產(chǎn)工作;杜昭（1987），女，山西運(yùn)城人，2013年畢業(yè)于華北電力從事電力營銷工作。大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，工程師，0引言并聯(lián)電容器裝置作為目前應(yīng)用最廣泛的無功補(bǔ)償方式，在降低變壓器和線路損耗、提高功率因數(shù)方面發(fā)揮了重要作用。然而由于諧波的存在，電1容器在補(bǔ)償感性無功的同時(shí)可能導(dǎo)致諧波放大，甚至?xí)l(fā)生系統(tǒng)諧振，導(dǎo)致電容器組的損壞。本文2通過對某220kV站電容器組故障進(jìn)行了深入分析，并提出了相應(yīng)建議。1故障情況合格。圖1C相電容器故障情況&

5、#183;43·山西電力2015年第4期1.3.2二次設(shè)備檢查保護(hù)動(dòng)作情況：1月6日10時(shí)21分9秒，11號電容器組ISA359GD保護(hù)限時(shí)電流速斷保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)檢查情況：檢查11號電容組保護(hù)定值與定值單一致，保護(hù)動(dòng)作正確。對11號保護(hù)裝置動(dòng)作進(jìn)行試驗(yàn)，限時(shí)電流速斷、定時(shí)限過流、差壓保護(hù)動(dòng)作邏輯正確，出口時(shí)間正確。電流；Xch為h次諧波下并聯(lián)電容器容抗；Xlh為h次諧波下串聯(lián)電抗器感抗。在基波頻率下系統(tǒng)電抗、并聯(lián)電容器容抗和串聯(lián)電抗器感抗幅值分別表示為Xs1、Xc1和Xl1，則有關(guān)系式如下2Xsh=jhXsl，Xch=-jXc1/h，Xlh=jhXl1Ush=即Uhs1c1l1（1）

6、2錄波圖分析通過對11號電容器保護(hù)裝置錄波圖和主變故障錄波圖進(jìn)行分析，故障過程分析結(jié)論如下。a）電容器故障前，電壓發(fā)生畸變，電容器組流過4次諧波電流，B相電流值等于A、C相電流之和，相位相反。由變壓器星三角轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，220kV側(cè)、110kV側(cè)應(yīng)該是B、C相有4次諧波電流。在主變故障錄波圖中1號和2號變高、中壓側(cè)B、C相確有4次諧波電流，且大小相等，相位相反。因此，分析電容器組與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振。b）諧振導(dǎo)致B、C相差壓大幅增加，B相差壓），C相達(dá)到167V（最高達(dá)到170.1V（二次值二次值）。諧振導(dǎo)致B、C相電容器故障。c）B、C相故障后，諧振條件破壞，B、C相發(fā)生相間短路。B相電流最高

7、達(dá)4.52kA（一次值），C相電流最高達(dá)達(dá)4.312kA（一次值）。限時(shí)速斷電流保護(hù)動(dòng)作，斷路器分開，故障切除。即即即即s1Ush=Uhs1l1c1Ugh=Ugh=Uch=Uch=UhjhXs1-jXc1/h+jhXl12Uh2s12l1c1Uhs1c1l1Uhs1l1c1（2）（3）Ulh=Ulh=-jhXUhs1c1l1（4）2Uhjh2s12l1-Xc1Uhs1c1l1Uhs1l1c1Ish=Ich=Ish=Ich=（5）3諧波機(jī)理分析該站35kV側(cè)無其他負(fù)荷，考慮諧波源位于電源側(cè)進(jìn)行分析3，其等效電路圖如圖2所示。IshXsh由式（1）至（5）可以得出如下結(jié)論。a）當(dāng)h2Xl1-Xc1

8、=0時(shí)，并聯(lián)電容器裝置諧波電壓Ugh=0，并聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器分別承受幅值相等、相位相反的諧波電壓，此時(shí)電容器相當(dāng)于理想的濾波裝置。b）當(dāng)h2Xl1-Xc1>0時(shí)，有Ush<Uh，Ugh<Uh，此時(shí)諧波得到抑制。c）當(dāng)h2Xl1-Xc1<0時(shí)，有Ush>Uh，Ugh>Uh，在這種情況下h次諧波被放大。當(dāng)h2Xs1+h2Xl1-Xc1=0時(shí)，系統(tǒng)、并聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器承受的h次諧波電壓趨于無窮大，流過系統(tǒng)和并聯(lián)電容器裝置的h次諧波電流也趨于無窮大，在這種情況下系統(tǒng)和并聯(lián)UlhUhUghUch圖2等效電路圖電容器裝置發(fā)生了串聯(lián)諧振2。圖2中，Uh為第h次諧波

9、電壓源；Ush為系統(tǒng)承受的h次諧波電壓；Ish為本線路流經(jīng)系統(tǒng)的h次諧波電流；Xsh為h次諧波下系統(tǒng)電抗；Ugh為并聯(lián)電容器裝置承受的h次諧波電壓；Uch為并聯(lián)電容器承受的h次諧波電壓；Ulh為串聯(lián)電抗器承受的h次諧波電壓；Ich為流過并聯(lián)電容器裝置的h次諧波·44·4并聯(lián)電容器諧波放大分析a）該站35kV母線分裂運(yùn)行時(shí)三相短路容量，465.8MVA（最為916.57MVA（最大運(yùn)行方式）小運(yùn)行方式）。根據(jù)系統(tǒng)短路容量近似估算系統(tǒng)短）為Xs1=1.413（最大運(yùn)路阻抗（系統(tǒng)等效阻抗2015年8月趙智民，等：并聯(lián)電容器組故障原因分析及對策），Xs1=2.78（最小運(yùn)行方式）。

10、行方式系統(tǒng)在35kV母線處等效阻抗，如表1所示。表135kV母線處等效阻抗諧波次數(shù)基波234567最大運(yùn)行方式j(luò)1.413j2.826j4.239j5.652j7.065j8.478j9.891最小運(yùn)行方式j(luò)2.78j5.56j8.34j11.12j13.9j16.68j19.46上述可知，此時(shí)4次諧波被放大。c）系統(tǒng)最大運(yùn)行方式與電容器的等效阻抗，如表4所示。表4系統(tǒng)最大運(yùn)行方式與電容器的等效阻抗諧波次數(shù)投第1組電容器第1、2組（第1、3組）-j70.855-j22.478j9.880-j3.274j13.593j24.530j33.9043組電容器全投基波234567-j136.422-j

11、55.224-j22.386-j1.638j14.274j27.768j39.880-j47.560-j13.352j6.789-j5.856j13.030j22.223j29.913b）35kVI母母線3組電容器參數(shù)，如表2所示。表235kV母母線3組電容器參數(shù)參數(shù)第1組第2組第3組電容/F21.95118.4418.44電感/mH23.07566.03866.038系統(tǒng)最小運(yùn)行方式與電容器的等效阻抗，如表5所示。表5系統(tǒng)最小運(yùn)行方式與電容器的等效阻抗第1、2組（第1、3組）-j69.488-j19.744j13.981j2.194j20.428j32.732j43.4733組電容器不同投退

12、方式下，35kV側(cè)的等效阻抗，如表3所示。表3電容器組不同投退方式時(shí)低壓側(cè)等效阻抗諧波次數(shù)基波234567第1組第2組（第3組）第2、3組-j75.962-j22.429j2.327j19.890j34.574j47.820j60.243諧波次數(shù)投第1組電容器3組電容器全投基波23-j135.055-j52.490-j18.285j3.830j21.109j35.970j49.449-j46.193-j10.618j10.890-j0.388j19.865j30.425j39.482第1、2組3組全投（第1、3組）-j72.268-j25.304j5.641-j8.926j6.528j16.0

13、52j24.013-j48.973-j137.835-j151.9244-j58.050-j26.625-j7.290j7.209j19.290j29.989-j44.858j4.655j39.779j69.148j95.639j120.486-j16.178j2.550-j11.508j5.965j13.745j20.022567由表4、表5可知，對4次諧波，在最大運(yùn)行方式下，投第1組、第1、2組（第1、3組）、3組全投時(shí)的阻抗分別為-j1.638、-j3.274、-j5.856，呈容性。對4次諧波，在最小運(yùn)行方式下，投第1第1、3組組、第1、2組（）、3組全投時(shí)的阻抗分別為j3.830、j

14、2.194、-j0.388。電容器在故障時(shí)，3組全投，有-5.856<h2Xs1+h2Xl1-Xc1<-0.388，說明系統(tǒng)和并聯(lián)電容器裝置接近于串聯(lián)諧振狀態(tài)。由式（3）和（5）可知，Uch、Ich被放大，意味著4次諧波被放大。第1、2、3組電容器并聯(lián)，可以得出流過第1組電容器承受的電壓為Uch，流過的電流為I=0.73Ich，諧振過電壓、過電流導(dǎo)致電容器故障。·45·本站電容器組的電抗率配置按照1組5%和2組12%進(jìn)行配置4。由表3可知，在投第2組、第3組、第2、3組、第1、2組或第1、3組、3組全投時(shí)的阻抗對3次諧波都呈感性且較小，能夠很好地吸收系統(tǒng)中3次諧

15、波；在投第1組、第1、2組、第1、3組、3組全投時(shí)對5次諧波阻抗較小，能夠很好地吸收5次諧波。在投第1組、第1、2組、第1、3組、3組全投時(shí)的阻抗分別為-j7.29、-j8.926、-j11.508，對4次諧波呈容性，即h2Xl1-Xc1<0。由山西電力2015年第4期5改變電容器組配置抑制諧波放大由于4次諧波電流在第1組電容器投時(shí)存在4次諧波電流放大現(xiàn)象5，因此第1組電容在4次諧波下的串聯(lián)電抗率K=>=6.25%，當(dāng)K取c12%，則3組電容器支路參數(shù)如表6所示。表6電抗率為12%時(shí)3組電容器支路參數(shù)表參數(shù)第1組第2組第3組電容/F18.4418.4418.44電感/mH66.03

16、866.03866.038避免電容器組與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象。6結(jié)論a）該站電容器按常規(guī)配置，11號電容器按照5%額定阻抗來抑制3次及以上諧波，12號、13號電容按照12%額定阻抗來抑制5次及以上諧波。該配置在投入11號電容器時(shí)，若系統(tǒng)存在4次諧波源時(shí)，電容器組與系統(tǒng)發(fā)生了串聯(lián)諧振，諧振過電壓、過電流是導(dǎo)致本次裝置故障的原因。建議：在電容器設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮本站的諧波背景；在投運(yùn)后，需要根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)及諧波變化情況，定期對并聯(lián)電容器及串聯(lián)電抗器參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算校核，及時(shí)做出適當(dāng)調(diào)整，使裝置遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)。b）對該站加裝諧波在線監(jiān)測裝置，對本站的諧波情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，掌握該站的諧波數(shù)據(jù)，從而制定諧波治理方案

17、6。c）該站35kVII母電容器配置與I母相同，建議將II母所投5%電抗器的電容器停運(yùn)。d）通過將電抗率為5%的電容器組更換為電抗率為12%的電容器組，可以避免電容器組與系統(tǒng)發(fā)生4次諧波串聯(lián)諧振。參考文獻(xiàn)：123倪學(xué)鋒，盛國釗，林浩.我國電力電容器的運(yùn)行與改進(jìn)建議J.電力設(shè)備，2004（9）：10-13.付偉，韓翔宇.并聯(lián)電容器裝置在諧波環(huán)境中的應(yīng)用J.電力電容器與無功補(bǔ)償，2012,33（6）：17-21.王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償M.2.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.4中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).GB502272008并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范S.北京：中國計(jì)劃出版社，2009

18、.56劉同同，劉連光.變壓器直流偏磁諧波對并聯(lián)電容器的影響分析J.現(xiàn)代電力，2012,29（1）：29-32.何可敬.一起電容組群爆原因徹查與對策J.自動(dòng)化應(yīng)用，2013（9）：88-91.按照改變后的參數(shù)，再次計(jì)算3組電容器不同投退方式時(shí)，35kV側(cè)的等效阻抗，如表7所示。表7改變電容器組配置后35kV低壓側(cè)等效阻抗第1組第1.2組諧波次數(shù)基波234567（第2組、第3組）（第1.3組、第2.3組）-j151.924-j44.858j4.655j39.779j69.148j95.639j120.486-j75.962-j22.429j2.327j19.890j34.574j47.820j60

19、.2433組全投-j50.641-j14.953j1.552j13.260j23.049j31.880j40.162由表7可知，改變參數(shù)后的3組電容器支路對系統(tǒng)中3次諧波仍具有較小阻抗，能夠很好地吸收。對系統(tǒng)中4次諧波，3組電容器不同投退組合時(shí)4次諧波阻抗呈感性，不會(huì)發(fā)生諧波放大現(xiàn)象。因此，將11號電容器組電抗率調(diào)整為12%，能夠CausalAnalysisandCountermeasureoftheShuntCapacitorsFaultZHAOZhimin1，LIULanyong2，DUZhao1（1.StateGridYunchengPowerSupplyCompanyofSEPC，Yuncheng,Shanxi044000，China；2.StateGridLinfenPowerSupplyCompanyofSEPC，Linfen，Shanxi041000，China）Abstract:Inthispaper,accordingtotheaccidentoftheshuntcapacitorsina220kVsubstation,throughoutanalysing