电力电容器的常见故障及其预防措施

电力电容器的常见故障及其预防措施

摘要：电力电容器分为串联电容器和并联电容器，它们都改善电力系统的电压质量和提高输电线路的输电能力，是电力系统的重要设备。本文通过分析电容器损坏的几种常见原因得出其相应的预防措施。

1、电容器损坏的原因

电容器损坏的原因可能有如下几种：电容器质量缺陷造成损坏；正常损坏；熔断器不正常开断产生重燃过电压造成损坏。

电容器质量缺陷造成其运行过程中损坏通常表现为损坏率增长较快或损坏率较高，甚至批量损坏。而损坏的现象基本一致，有特定的损坏特征，有一定的规律可循。造成电容器质量缺陷的原因，一般有不合理的设计、不恰当的材料、甚至误用以及制造过程不恰当（例如卷制、引线连接、装配、真空处理等关键工序出现问题）。

电容器损坏一般分三个不同的区段：早期损坏区，偶然损坏区，老化损坏区。上述三个区段的年损坏率符合浴盆曲线的特征。

电容器存在一个与固有缺陷有关的早期损坏区，主要由材料和制造过程的不可控因素造成的，年损坏率一般应小于1%，且随时间呈下降的趋势，早期损坏区的时间为0~2年左右。由于绝缘试验只是一种预防性试验，而且绝缘的耐受电压服从威布尔分布，不管将试验电压值提高到多少，都有刚刚能通过试验的产品，但盲目提高试验电，可能会对电容器造成损伤，也是不可取的，因此电容器早期损坏是不可避免的。

在以后的10~15年时间内，电容器的年损坏率较低且损坏方式不固定，其原因主要是电介质材料存在弱点，当材料受电场和热的作用时，缺陷在弱点处发展的缘故。由于绝缘经过早期运行的老炼处理，在这一区间，损坏率低且稳定，其年损坏率一般应小于0.5%，时间区间通常为15年左右。

在老化损坏区，指电容器在温度和电场作用下，介质发生老化，电容器的各项性能逐渐劣化，从而导致电容器损坏，其年损坏率一般会大于1%且随时间在不断增大，进入老化损坏区的时间应为15年以上。

由于在实际电容器中的介质是不均匀的，介质的老化程度也是不均匀的，而寿命取决于最薄弱的部位，所以电容器寿命在时间上存在分散性，因此研究电容器的寿命要采用统计的方法。绝大多数电容器的寿命以其运行到临近失效的时间来估算，最小寿命指电容器开始出现批量损坏的时间（在此以前只发生电容器的个别击穿）。通过对以往设备运行状况的研究，并综合考虑电容器经济上和技术上各因素之间的配合关系，在工频电网中用来提高功率因数的90%的电容器最佳寿命通常应为20年，即在额定运行条件下运行20年后至少有90%的产品不发生损坏。

由于电容器的特殊性（工作场强高、极板面积大，在电网使用的量大、面广，以及要综合考虑其经济技术等方面的因素），不发生损坏是不现实的，一定的损坏率也是允许的，这种损坏一般被认为是正常损坏，但这种正常损坏的年损坏率必须在可接受的合理范围内。如果损坏率超出正常水平，说明产品存在明显的质量缺陷或者运行条件不符合要求。

正常损坏通常表现为：对于无内熔丝的电容器，元件击穿、电流增大、外熔断器正常动作使故障电容器退出运行。更换新的熔断器和电容器后，装置继续投入运行。对于内熔丝的电容器，个别元件击穿、内熔丝熔断、电容器电容量稍微下降（通常情况下，电容量减少不会超过额定电容5%），完好元件继续运行。由于电容下降流过电容器电流会减少，因此，电容器单元正常损坏情况下，外熔断器不会动作。如果发生套管表面闪烙放电、引线间短路、对壳击穿放电或者内熔丝失效电容器单元发生多串短路等故障，内熔丝对此不能发挥作用，此时外熔断器正常动作，使故障电容器退出运行。

熔断器不正常开断产生重燃过电压造成电容器损坏

出现熔断器群爆的现象，说明外熔断器动作的过程中，其开断性能不良。由于外熔断器的灭弧结构比较简单，且较容易受气候、安装、运行等状况的影响，其开断电容器故障电流的性能很难得到保证。从绍兴试验站的介绍情况表明（详见《电力电容器》2004年第2期的文章《单台并联电容器保护用熔断器试验情况及使用问题的分析》）[1]，熔断器的开断可靠性是不高的。在外熔断器动作的过程中，如果其开断性能不良，就不能尽快的切除故障电流，会出现重燃[3]。熔断器重燃就相当于在电容器的剩余电压较高的情况下再次合闸，产生重燃过电压（熔断器重燃就相当于在电容器的剩余电压较高的情况下再次合闸，必定会产生过电压，这种过电压通常称为重燃过电压），多次重燃过电压的幅值可达3倍甚至5倍、7

倍额定电压，使电容器在过电压打击下受到伤害，而且故障电容器的注入能量过多，会造成电容器和熔断器爆炸。

一般情况下，电容器元件击穿，电流增大，如果熔断器开断电容器故障电流的性能可靠，熔断器正常动作，迅速切除故障电流，使故障电容器退出运行，不会造成熔断器群爆和电容器爆炸。

从产品解剖情况来看，元件显然受到较高过电压作用，元件击穿，注入能量超出正常允许的范围，使电容器受到较大损坏。特别是带故障电容器单元在合闸过程中，由于熔断器的性能和质量分散性造成熔断器不正常开断，出现重燃，产生重燃过电压，造成电容器更大的损坏。

熔断器误动、拒动、群动和群爆的原因

从历次故障现象看，说明熔断器的性能质量有分散性，出现了误动。其表现为电容器单元电容量不变，熔断器熔断。

目前我国熔断器的温升都超出标准规定值。由于熔断器长时间运行在高温条件下，特别是在夏季高温期，日积月累，熔断器的性能劣化，且较容易受气候、安装、运行等状况的影响，正常运行过程中会出现误动[2] [3]，尤其在合闸过程中（即使涌流较小）和电容器击穿过程中，熔断器误动的可能性也更大。

熔断器的开断性能不良是熔断器拒动、群动、群爆的根本原因。熔断器既要承受电容器短路放电的能力又要保证可靠开断，这两者往往很难兼顾。当某一电容器击穿放电，相邻完好的多个电容器的储能(n个1/2CU2)通过其串接的熔断器及串接在故障电容器的熔断器迅速注入故障电容器，产生巨大的放电电流。此放电电流会达几十至上百千安，为电容器额定电流几百倍甚至上千倍。熔断器的标准要求熔断器能耐受不小于70倍的涌流，这对耐受合闸涌流是足够的，但对耐受短路放电涌流是远远不够的，这可能会使熔断器出现误动。再加上工频续流的作用，如果串接在完好电容器的熔断器的耐受放电电流的能力不够，或者串接在故障电容器的熔断器的开断能力不良，不能迅速切除故障电流，就会出现完好电容器熔断器熔断和故障电容器熔断器熔断的现象（这种多支熔断器同时熔断的现象，称为熔断器群动）。如果熔断器的耐爆能力不够，会出现熔断器炸断炸飞的情况，甚至会造成熔断器群爆、到处闪烙放电、巨大的电动力造成母线弯折、瓷瓶烧伤炸坏。在几百甚至几十微秒内，大部分能量已经进入故障电容器内[7]，造成电容器鼓肚爆炸等恶性事故。

当某一电容器击穿放电，相邻完好的多个电容器的储能通过其串接的熔断器及串接在故障电容器的熔断器迅速向故障电容器放电时巨大的涌放电流造成熔断器的群动、群爆的现象

一般出现在该故障电容器的并联段或同一相中。但是如果一相中的熔断器熔断的数量过多或整相全熔断，则由于三相负荷不对称，中性点电位严重偏移，另外两相出现严重的过电压，由于此过程变化太快，继电保护动作前（断路器的分闸时间为数十毫秒[4]，再加继电器的时延数百毫秒），另外两相的熔断器也会出现群动的现象。这正好解释温厝变949并联电容器装置的故障现象（B相的一个电容器单元损坏，B相和C相的熔丝全部熔断），故障的根本原因是串接在故障电容器上的熔断器的开断性能不良，不能迅速切除故障电流。

带故障电容器单元合闸使熔断器误动、重燃、群爆的概率加大可能造成严重故障电容器在合闸过程中会产生过电压和过电流。断路器在合闸过程中出现弹跳和不同期，可能会产生更高的过电压[4] [6]。

合闸过电压幅值=稳态值+振荡幅值=稳态值+（稳态值-起始值）=2稳态值-起始值

由于电路中存在有电感和电容，电感、电容上的电压和电流的相位相差90度，当系统的工作状态发生变化时，L、C回路振荡，电感中储存的能量在电磁振荡过程中转变为储存在电容中的电能，使电容的电压升高到超过稳态值。因此电容器在投入过程中，必定会产生过电压。下表是理论计算6%电抗率的电容器组电容器初始值为零合闸过电压倍数的分布概率[7]。

过电压倍数的分布概率

如果断路器性能正常（三相同期性及弹跳性良好），而且电容器的剩余电压为零，则理论上合闸操作过电压峰值不超过2.02U N（U N指额定电压）。如果断路器性能不良，或者电容器的剩余电压过高，操作过电压峰值会超过2.02U N，甚至会超过3.02U N。过高的过电压会造成电介质损坏击穿，所以为了降低合闸过电压，电容器的初始电压要小于额定值的10%，最好为零，断路器合闸时出现三相同期性及弹跳就相当于电容器在有较高的电压下再次合闸，过电压幅值会更高。

电容器在投入过程中，除产生过电压还会同时产生涌流。一般情况下涌流峰值不超过100倍额定电流。背靠背投切，涌流更大。但一般电容器组都装有6%以上的电抗器，涌流不会太大。如果电容器内部连接不牢，在涌流的作用下，会造成损坏。同样，如果外熔断器质量不良，涌流也会使其误动。

从电容器装置故障情况可看到：部分故障都发生在装置合闸期间，说明故障与操作过程

有一定的关系。一种情况是合闸过程中的涌流加大了熔断器误动作的概率，熔断器误动作，熔断器动作的过程中，其开断性能不良，重燃，产生重燃过电压，不但损坏电容器（这个过程即使没有损坏产品，也会损伤产品），而且会造成熔断器群爆。另一种情况是带故障电容器单元合闸，合闸过电压使电容器单元进一步击穿短路放电，相邻完好的多个电容器的大量储能(此时电容器的电压为合闸过电压比额定电压高许多其储能更大)通过其串接的熔断器及串接在故障电容器的熔断器迅速注入故障电容器，产生巨大的放电电流，熔断器动作的过程中，其开断性能不良，不能迅速切除故障电流，造成熔断器群爆，巨大的能量使熔断器炸飞、到处闪烙放电、巨大的电动力造成母线弯折、瓷瓶烧伤炸坏，使故障扩大，甚至造成电容器爆炸。

案例分析

2007年，烟台某站电容器故障比较有典型性。故障初期，先是不平衡电压保护跳闸，检查发现有熔断器动作，未检测电容器，只更换熔断器后就再次重新投入。在合闸过程中熔断器群爆炸飞、电容器损坏、多处闪烙放电、母线弯折、瓷瓶烧伤炸坏等。经初步分析熔断器性能不良可能是故障的主要原因。带故障电容器单元合闸可能是故障的诱因。

故障可能性最大的原因：熔断器不正常开断产生重燃过电压是造成电容器单元非正常损坏的根本原因。熔断器动作过的电容器单元可能会存在有内部损伤，未对熔断器动作过的电容器进行检测，只更换熔断器后就再次重新投入，可能会造成带故障电容器单元合闸。合闸过电压使受损伤的电容器单元进一步击穿短路放电，产生巨大的放电电流，由于熔断器性能不良不能迅速开断故障电流，造成严重的故障。

熔断器性能不良可能本次并联电容器装置故障的主要原因。带故障电容器单元合闸是本次故障的诱因。

2、电力电容器故障的预防措施

1 更换具有较好性能的熔断器，熔断器应正确安装，以便其有效的动作。

2 采取有效措施制定规章制度在熔断器动作后，务必查清动作原因。要了解熔断器是误动还是正常动作，必须对熔断器动作过的电容器进行性能检测。若电容器有损坏，必须要更换电容器。不允许减容运行和带故障电容器单元合闸。检查电容器时一定要测量极间电容量和对壳绝缘电阻，最好做耐压试验。

3 提高保护的可靠性。保护整定值的选取应适当重新调整，以确保二次继电保护不误动、不拒动；保护动作后，应设置故障闭锁功能。

4 进一步确定断路器具有不重燃性能。断路器应具有良好的合闸和分闸性能，动作可靠。

5 电容器室应保持通风良好。电容器室内下部应有多个进风口，上部应有多个出风口，且应装有排风设备，确保室內通风良好，排风温度不大于40℃，防止室内温度过高，影响电容器装置的正常使用和寿命。

6 各处联接点的联接应牢固，不允许有松动现象，加强对熔断器的检查和维护，在电容器组的检修和维护中，要经常检查熔断器是否完好。用红外测温仪经常测量熔断器、电容器及各联接点的温度，若温度过高应及时处理，避免外熔断器过热误动，使设备正常运行。

变电检修部试验三班陈昕