帶內(nèi)熔絲電容器爆炸事故的仿真研究

帶內(nèi)熔絲電容器爆炸事故的仿真研究

0電容器裝置差動(dòng)保護(hù)定值仿真分析2006年，500kv河姆變換和鳳陽變換發(fā)生了兩次35kv電動(dòng)汽車電池爆炸。500kV河姆變3#主變3#電容器組容量60120kvar,三星形接法,差壓保護(hù)(定值9V/0.5s),單臺(tái)電容器額定電壓6kV。事故時(shí),電容器組差壓保護(hù)動(dòng)作,差壓值65.69V,電容器開關(guān)跳閘,三星形中間一星形電容器爆炸起火,中間一星形有4臺(tái)電容器箱殼爆裂。繼電保護(hù)記錄顯示,差動(dòng)保護(hù)分別于03∶56∶44∶780、03∶56∶46∶357、03∶56∶47∶613連續(xù)三次“起動(dòng)”,并于03∶56∶48∶965“動(dòng)作”。該組電容器于2006年7月31日12點(diǎn)34分投入運(yùn)行,至8月3日凌晨3點(diǎn)56分48秒持續(xù)運(yùn)行63小時(shí)22分,運(yùn)行電壓不大于37kV。500kV富陽變2#主變2#電容器組容量60120kvar,三星形接法,差壓保護(hù)(定值5V/0.2s),單臺(tái)電容器額定電壓6kV。事故時(shí),電容器組合閘后即差壓保護(hù)動(dòng)作跳閘,3臺(tái)電容器箱殼爆裂。兩起事故反映出裝置中的差壓保護(hù)定值未起到抑制事故擴(kuò)大的作用,暴露了帶內(nèi)熔絲單臺(tái)電容器的電容器組差壓保護(hù)整定值靈敏度不足的缺陷,因此特對(duì)全省500kV變電站35kV并聯(lián)電容器組保護(hù)定值配置的合理性進(jìn)行研究,并做仿真計(jì)算。本文不對(duì)電容器故障起因進(jìn)行分析,僅對(duì)電容器發(fā)生故障后,配置的保護(hù)定值是否及時(shí)隔離故障進(jìn)行探討。1電容器元件運(yùn)行動(dòng)態(tài)保護(hù)定值截至2006年底,浙江省已有12座500kV變電站中共33組35kV并聯(lián)電容器組投運(yùn)。這33組電容器組按電容器制造廠家、接線方式和保護(hù)方式分類,可以分為9種類型,均采用帶內(nèi)熔絲的單臺(tái)電容器,雙星形或三星形接線方式中每個(gè)星的容量為20040kvar。我們分別對(duì)不同廠家電容器接線方式及其保護(hù)方式進(jìn)行仿真計(jì)算,計(jì)算單臺(tái)電容器內(nèi)熔絲熔斷后故障電容器電壓和電流、同一串聯(lián)段上完好電容器電壓和電流、相同故障相上其他完好電容器的電壓和電流、相鄰相完好電容器電壓和電流以及電容器組保護(hù)輸出值等,表1為不同廠家電容器9種典型電氣接線方式和保護(hù)方式。本次計(jì)算研究采用美國Mathworks公司MATLAB軟件中Simpowersystem模塊,Simpowersystem是TransE′nergieTechnologies和Hydro-Québec的專家和研究人員共同開發(fā)的用于Simulink環(huán)境下的電力系統(tǒng)建模與仿真軟件。計(jì)算時(shí)假定全部電容值相等,三相電源對(duì)稱,內(nèi)熔絲熔斷時(shí)只切除與之串聯(lián)的電容元件,不影響其他元件。實(shí)際運(yùn)行中影響保護(hù)定值的因素包括:①三相電容不平衡,DL/T604-1996中要求三相任意兩相電容量之比不大于1.02,同相中串聯(lián)段電容量之比不大于1.02;②三相電源不平衡;③放電線圈誤差±0.5%,且兩個(gè)放電線圈伏安特性存在偏差;④電流互感器有一定的變比誤差。綜合考慮計(jì)算時(shí)電源電壓偏差等因素,計(jì)算值與實(shí)際值偏差約10%。GB11024.1-2001《標(biāo)稱電壓1kV以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器第1部分:總則-性能、試驗(yàn)和定額-安全要求-安裝和運(yùn)行導(dǎo)則》表4的規(guī)定,電容器在1.3倍工頻額定電壓下允許工作時(shí)間不超過1min。DL/T840-2003《高壓并聯(lián)電容器使用技術(shù)條件》第5.3.1條也規(guī)定了電容器和電容器元件的工頻穩(wěn)態(tài)過電壓和相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間,即:當(dāng)輕負(fù)荷電壓升高時(shí),工頻過電壓倍數(shù)1.20下允許運(yùn)行5min,工頻過電壓倍數(shù)1.30下允許運(yùn)行1min,且工頻加諧波的過電壓以不使過電流超過5.3.4規(guī)定值,過電壓1.20倍,1.30倍及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間在電容器的壽命期間總共應(yīng)不超過200次,其中若干次過電壓可能是在電容器內(nèi)部溫度低于0℃,但在下限溫度以內(nèi)發(fā)生的。DL/T840-2003《高壓并聯(lián)電容器使用技術(shù)條件》第5.3.4規(guī)定了電容器穩(wěn)定過電流“電容器應(yīng)能在有效值為1.3In的穩(wěn)定過電流下運(yùn)行,但這種過電流是由于高次諧波和穩(wěn)態(tài)過電壓引起的,對(duì)于電容量有最大正偏差的電容器,這種過電流允許達(dá)到1.37In?！蓖ǔ＿x擇電容器額定電壓時(shí),考慮到串聯(lián)電抗器等因素,電容器額定電壓會(huì)比系統(tǒng)電壓高一些,約抬高5%～12%。GB11024.4-2001《標(biāo)稱電壓1kV以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器第4部分:內(nèi)部熔絲》性能要求第4.2條隔離要求規(guī)定:“當(dāng)元件在u1和u2電壓范圍內(nèi)發(fā)生電擊穿時(shí),熔絲應(yīng)能使故障元件隔離開來。其中U1=0.9×2√UN,U2=2.0×2√UNU1=0.9×2UΝ,U2=2.0×2UΝ分別為故障瞬間單元端子間電壓的最低與最高瞬時(shí)值?！币虼?為保證故障單元中剩余元件運(yùn)行電壓維持在1.3倍額定電壓以下,考慮電容器額定電壓比系統(tǒng)額定電壓高一些,電容器保護(hù)設(shè)定值宜設(shè)計(jì)在保證完好元件上電壓不超過正常運(yùn)行電壓的1.4倍～1.5倍。超過這個(gè)值,應(yīng)及時(shí)切除電容器組,使故障單元退出運(yùn)行,避免電容器內(nèi)部故障進(jìn)一步發(fā)展。故障電容器的解剖過程表明,電容器內(nèi)部元件擊穿常常發(fā)生在元件的端部高場強(qiáng)部位,伴隨發(fā)生局部內(nèi)熔絲群爆,直接損壞(擊穿)相鄰的元件,與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的情況有所不同。當(dāng)單元電容器已有內(nèi)熔絲熔斷,剩余元件電壓達(dá)到正常運(yùn)行電壓的1.4倍～1.5倍時(shí),如發(fā)生局部內(nèi)熔絲群爆,熔斷2根～3根,則其余元件電壓將達(dá)到正常運(yùn)行電壓的2倍左右,處在內(nèi)熔絲隔離性能的邊緣,可能引發(fā)內(nèi)部元件短路,甚至箱殼爆破,對(duì)電容器安全運(yùn)行造成極大的危害。結(jié)合制造廠元件耐壓要求和IEEEC37.99-2000《并聯(lián)電容器組保護(hù)導(dǎo)則》等電容器專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的安全運(yùn)行要求等,電容器保護(hù)設(shè)定值宜設(shè)計(jì)在保證完好元件上電壓不超過正常運(yùn)行電壓的1.4倍～1.5倍。下面我們分別對(duì)上述九種情況進(jìn)行計(jì)算1bam6-33-1w電容器單星形基線、2臺(tái)串聯(lián)、差壓保護(hù)對(duì)照表1.①BAM6-500-1W電容器(雙星形接線、零序電流保護(hù))根據(jù)表2序號(hào)1,一個(gè)串聯(lián)段中剩余7個(gè)元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.44倍正常電壓;查表3序號(hào)1,對(duì)應(yīng)的零序電流為0.58A。②BAM6-334-1W電容器(單星形接線、2臺(tái)并聯(lián)或3臺(tái)并聯(lián)后串聯(lián)、差壓保護(hù))根據(jù)表2序號(hào)2,一個(gè)串聯(lián)段中剩余6個(gè)元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.43倍正常電壓;查表3序號(hào)2,對(duì)應(yīng)的差壓為0.73V;查表3序號(hào)3,對(duì)應(yīng)的差壓為0.74V。③BAM6-334-1W電容器(三星形接線、差壓保護(hù))對(duì)照表2序號(hào)3,剩余的7個(gè)元件上電壓為正常電壓的1.32倍;對(duì)照表3序號(hào)4查出對(duì)應(yīng)(ABB)BAM6-334-1W單臺(tái)電容器中一個(gè)串聯(lián)段中4個(gè)元件(3串11并)內(nèi)熔絲熔斷,差壓定值為1.59V。2桂林能源壓縮廠產(chǎn)品bam12-334-1w雙向線、零序電流保護(hù)根據(jù)表2序號(hào)4,一個(gè)串聯(lián)段中剩余8個(gè)元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.41倍正常電壓;查表3序號(hào)5,對(duì)應(yīng)的零序電流為0.15A或差壓0.65V。橋差電流的查根據(jù)表2序號(hào)5,一個(gè)串聯(lián)段中剩余9個(gè)元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.46倍正常電壓;查表3序號(hào)6,對(duì)應(yīng)的橋差電流為0.90A;查表3序號(hào)7,對(duì)應(yīng)的橋差電流為0.79A。3無錫日信能源供電公司產(chǎn)品正常電壓調(diào)查12%電抗率時(shí),根據(jù)表2序號(hào)6,一個(gè)串聯(lián)段中剩余12個(gè)元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.43倍正常電壓;查表3序號(hào)8,對(duì)應(yīng)的差壓為1.43V。6%電抗率時(shí),根據(jù)表2序號(hào)6,一個(gè)串聯(lián)段中剩余12個(gè)元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.43倍正常電壓;查表3序號(hào)9,對(duì)應(yīng)的差壓為1.33V。bff12。2-34.1w容量雙向線、零序電流保護(hù)根據(jù)表2序號(hào)7,一個(gè)串聯(lián)段中剩余12個(gè)元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.43倍正常電壓;查表3序號(hào)10,對(duì)應(yīng)的零序電流為0.25A。bfm8612-134w電動(dòng)汽車雙向連接和零序電流保護(hù)根據(jù)表2序號(hào)8,一個(gè)串聯(lián)段中剩余6個(gè)元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.50倍正常電壓;查表3序號(hào)11,對(duì)應(yīng)的零序電流為0.11A或差壓0.47V。4串聯(lián)段剩余8元件串聯(lián)①BAM6-334-1W電容器(三星形接線、差壓保護(hù))12%電抗率時(shí),根據(jù)表2序號(hào)9,一個(gè)串聯(lián)段中剩余8元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.40倍正常電壓;查表3序號(hào)12,對(duì)應(yīng)的差壓為2.0V。6%電抗率時(shí),根據(jù)表2序號(hào)9,一個(gè)串聯(lián)段中剩余8元件并聯(lián)時(shí),達(dá)到1.40倍正常電壓;查表3序號(hào)13,對(duì)應(yīng)的差壓為1.87V。2電容器保護(hù)定值通過對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)原保護(hù)定值偏大,不能及時(shí)切除有故障的整組電容器。當(dāng)內(nèi)部元件出現(xiàn)故障,內(nèi)熔絲切除故障元件后,在原定值條件保護(hù)動(dòng)作之前,與原故障元件并聯(lián)的正常