无功补偿电容器故障机理研究.docx
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无功补偿电容器故障机理研究
专业学位硕士学位论文
无功补偿电容器故障机理研究
作者姓名
谢建容
学科专业
电气工程
指导教师
刘刚副教授
所在学院
电力学院
论文提交日期
2011年10月
TheResearchofReactivepowercompensationcapacitor’sFaultmechanism
ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster
Candidate：
XieJianrong
Supervisor：
Prof.LiuGang
SouthChinaUniversityofTechnology
Guangzhou，China
分类号：
学校代号：
10561
学号：
华南理工大学硕士学位论文
无功补偿电容器故障机理研究
作者姓名：
谢建容指导教师姓名、职称：
刘刚副教授
郑风雷高工
申请学位级别：
工程硕士学科专业名称：
电气工程
研究方向：
电力系统
论文提交日期：
2011年月日论文答辩日期：
年月日
学位授予单位：
华南理工大学学位授予日期：
年月日
答辩委员会成员：
主席：
委员：
华南理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
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作者签名：
日期：
指导教师签名：
日期：
作者联系电话：
电子邮箱：
联系地址（含邮编）：
摘要
Abstract
第一章绪论
1.1选题背景及研究意义
供电企业重要生产工作就是向用户经济可靠地提供电能，并且在电能质量的电压、谐波方面进行合理调节。
因此，普遍在变电站内安装10kV并联无功补偿电容器组（以下简称电容器组）作为调节无功功率与电压的主要设备，电力电容器的组数和容量也随着电网发展而迅速增长。
10kV并联电力电容器组通常由电容器、熔断器、串联电抗器、避雷器、放电线圈及相应的继电保护装置组成。
并联电容器工作特点是交流电流相角超前于电压相角90度，用于向接入处提供无功功率；现在使用的电容器绝大多数采用全膜结构，是国内外最先进的结构形式，其介质损耗因素低至0.02%以下，但其工作场强高达50~60kV/mm。
电容器组的组成设备较多，设备选型、安装布置形式差别很大，如果电容器组质量不高、而且与运行环境不适应，则容易出现电容器的本体损坏、电容器组的故障率偏高。
在运行过程中，电容器绝大多数不是由雷电过电压引起损坏的，而是在稳态运行情况下的某些特殊条件发生介质击穿，因此，十分有必要开展电容器运行中的各运行条件对电容器损坏的影响研究，找出研究电容器的损坏原因及相关问题，以降低电容器运行损坏率，提出相应措施提高电力电容器组的运行可靠性。
1.2国内外研究现状
由于国外生产采用的新材料和新工艺不断提高，电容器的性能也日渐改善，表现在电容器的可靠性和功率密度提高、内部工作温度提高、滤波电容的工作频率提高和使用寿命延长。
国外绝大部分国家均采用分体式电容器构成电容器组，没有发展集合式的电容器组。
外国曾对配电网电容器在10年间的运行状况进行研究，通过对损坏形式、损坏物理原因进行统计分析，为提高电容器运行的可靠性，对供电企业和电容器生产厂提供有益的建议。
操作过电压影响：
在电容器的过流、过电压、自动重投等方面具有智能控制，使电容器的投切更合理，使电容器投入时冲激电流较小，过电压时启动电容器保护。
部分电容器组采用油开关作为电容器的投切设备，由于开关的重燃性，浪涌电流对电容器组的冲击大，分合电容器的过渡过程中会出现比稳态高的电压，展开了理论分析。
电网谐波影响方面：
大量非线性电力电子设备接入电网中，使得电力谐波污染加重，用于工频的并联无功电容补偿器，电网的高次谐波对电容器的电介质和有效电流影响很大，会加速电介质的老化。
温度对介质老化影响：
电容器在一天内温差变化大，会导致材料的膨胀收缩不均匀，易产生气隙，可加剧电容器的局部放电，电容器过高的运行温度将降低绝缘介质的介电强度，造成热击穿。
电容器质量缺陷影响：
电容器有四类典型的质量缺陷，都将导致局部的电场畸变，易发生局部放电，加速老化，甚至会导致电容器的早期失效。
国内对电容器损坏研究集中在个别站或者特定问题上，主要在电容器的保护熔丝的特性选择、保护动作原因分析、事故的分析与反措、谐波对电容器影响的理论分析、防止过电压的措施、电容器维护等进行探讨。
结合地区电网特点，对整个地区的电容器组进行统计分析并深入研究的资料未见报道。
国内电容器经历了膜纸电容器向全膜电容器转变的阶段，现全面生产全膜电容器，新产品的投运，故障率反而有较大的上升，引起了用户及厂家的重视，促进了制造及运行单位对电容器使用寿命影响的研究，以期降低电容器的故障率、提高电容器的可靠性。
西安电力电容器研究所在温度、电压、谐波、涌流等对电容器的理论分析有所研究，特别是操作过电压、温度对寿命估计的影响开展了研究，但只是在理论层面的研究，没有结合典型的环境及有代表性的电容器进行研究。
其他的谐波研究也是针对电气牵引变电站谐波治理的方面，没有深入探讨谐波对电容器的影响程度。
国内相关厂家主要集中在电容器的设计、材料、散热和生产工艺等制造方面的问题，对于用户的运行要求没有足够的关注。
如电容器组配套的断路器没有严格按投切容性负荷进行选择。
用户集中在使用条件、事故分析方面开展故障原因分析、反措措施制定等工作，对于类似的运行条件及故障的查找有一定参考价值，没有从多因素方面进行全面统计、深入研究分析电容器的损坏规律。
1.3课题研究主要内容及意义
1.3.1主要研究内容
本课题主要完成而来以下研究内容：
（1）统计及分析东莞地区10kV无功补偿电容器的故障数据，找出故障规律；
（2）分析温度对电容器运行的影响，研究有效散热面积与电容器外壳散热的关系；
（3）介绍了四种电容器的典型质量缺陷，并一一进行了电场仿真，分析该四种典型缺陷对电容器元件的局部放电及击穿的影响；
1.3.2研究意义
本课题的研究，为电容器的设计、选型及运行维护方面提供了工程意义上的参考，对于降低10kV无功补偿电容器的故障率有比较重要的意义。
第二章电容器击穿故障统计分析
2.1统计的数据范围
根据《2009年东莞供电局电容器类工作总结》及附件，其中《09年电容器缺陷汇总》详细列出了2008年9月之后，2009年全年，2010年4月之前的故障电容器组数据，共记录了195条。
2009年原有220kV变电站25座，共配置426组电容器组、总容量为3800.136Mvar；110kV变电站108座，共配置686组电容器组，总容量为3594.368Mvar，电容器组形式大多数为框架式，单台容量以334kvar为主。
2009年新增10kV并联电容器组104组、容量共为829.104Mvar。
2.2故障电容器组的统计
根据《09年电容器缺陷汇总》数据表中记录的故障描述可知，电容器组的故障涉及到电容器及其他附件，包括串联电抗器、接地刀闸、连接母线及软导线、避雷器、熔断器、放电线圈、中性CT、中性避雷器、围栏等。
因此，故障的各类统计主要以电容器组进行统计，也突出电容器个体的损坏统计。
由于需要研究导致电容器击穿故障的影响因素，首先对总数据进行初步筛选，筛选出各类击穿故障再进行统计分析。
电容器故障分本体故障及其附件故障。
对于研究电容器击穿故障，其附件的故障不具有统计分析价值，所以首先把总数据中附件故障都一一排除。
再根据理论分析和现场运行经验从各种电容器本体故障中找出击穿故障。
统计的击穿故障有：
电容值变化、电容器鼓肚、群爆故障。
2.3选取击穿故障的必要性及依据
由国内电容器多年运行的经验可知，电容器的故障多是电容器本体的故障，并且本体故障中多是击穿性的不可修复故障。
有东莞提供的09年电容器故障记录数据也充分的验证了上述现象，东莞09年电容器总故障数为183次，其中电容器本体故障占140次，比例达到76.503%。
而其中的电容值变化、鼓肚、爆炸等电容器击穿类故障高达116次，占总体故障的63.388%，电容器本体故障的82.857%。
由上述数据可以看出对电容器击穿故障的研究具有相当的必要性，为了完成故障的表面现象向内在机理的研究进程，初期的击穿故障收集与统计分析必不可少。
从东莞提供的09年电容器故障表中可知：
电容器本体故障有电容变值、绝缘降低、渗漏油、鼓肚、群体爆炸事故。
而电容值变化、鼓肚、群爆故障是由于谐波、过电压、开断涌流等原因导致聚丙烯薄膜承受过高的电压，电场陡增，从而薄膜被部分击穿或全部击穿的严重故障。
为了研究聚丙烯薄膜的击穿原理，需要对以上三种击穿类故障从故障时间、运行环境、故障站点方面进行统计分析。
2.4基于生产厂家的统计
所统计的数据涉及生产厂家包括220kV和110kV变电站电容器组的所有厂家：
桂林电力电容器厂、无锡电容器厂、锦州电容器厂、西安电容器厂、日新无锡电容器厂、上海库柏电容器厂、顺德润华电容器厂。
2.4.1各厂家击穿故障占全部击穿故障的比率
在统计时间段内，以电容器组击穿类故障总数作为基数，分别对7个电容器厂家的击穿故障进行统计。
厂家的故障率=该厂故障组数/故障总组数。
表2-1厂家电容器组击穿故障占故障总数的比例
厂家名称
击穿类故障电容器组数
故障率%
无锡电容器厂
29
54.716
桂林电力电容器厂
14
26.415
锦州电容器厂
2
3.773
西安电容器厂
3
5.660
日新无锡电容器厂
2
3.773
上海库柏电容器厂
1
1.886
顺德润华电容器厂
2
3.773
总计
53
100
由上表可知，无锡电容器厂和桂林电容器厂产品发生的击穿故障居于前两位，分别是29次，14次，占总故障数的54.7165%与26.415%。
其他5个厂家的故障率均低于6%，此现象与东莞供电局使用无锡电容器厂与桂林电容器厂的产品基数较大有关。
2.4.2厂家自身击穿故障率对比统计
东莞供电局所使用各厂家的电容器组数量不同，单单考虑各厂家电容器故障组数不能完全反应各厂家产品可靠性，所以还需要从厂家自身故障率这个角度进行统计分析。
厂家自身击穿故障率=该厂击穿故障电容器组数/该厂在用的数组
表2-2厂家自身击穿故障率统计
厂家名称
击穿电容器组数
在用组数
厂家击穿故障率%
无锡电容器厂
29
140
20.71
桂林电力电容器厂
14
552
2.53
锦州电容器厂
2
16
12.5
西安电容器厂
3
79
3.80
日新无锡电容器厂
2
234
0.85
上海库柏电容器厂
1
60
1.67
顺德润华电容器厂
2
19
10.53
有上表可知，无锡电容器厂的自身击穿故障率最高，高达20.71%，质量在同类产品中最差。
而日新无锡电容器厂的击穿故障率最低，仅仅只有0.85%，单从统计数据来看质量最好，桂林电力电容器厂、西安电容器厂、上海库伯电容器厂的自身击穿故障率都较低在1.67%~3.8%之间。
锦州电容器厂与顺德润华电容器厂的故障率在10%左右。
部分厂家的使用量较低，所以统计出的故障率偏差也会较大，其可靠性等实际情况还需进一步通过长期运行来观察。
在投入电容器组数超过60组的电容器厂家中，击穿故障率从高到低依次为：
无锡电容器厂、西安电容器厂、桂林电容器厂、上海库伯电容器厂、日新无锡电容器厂。
2.5发生击穿故障月份的统计
根据《09年电容器缺陷汇总》的故障记录，并通过对故障类型的筛选得到电容器击穿发生月份的规律，如下表。
表2-3发生击穿故障月份的统计
月份
发生击穿故障电容器组数
所占比例%
1月
6
7.06
2月
4
4.70
3月
7
8.24
4月
1
1.17
5月
6
7.06
6月
4
4.70
7月
14
16.47
8月
10
11.76
9月
12
14.12
10月
6
7.06
11月
7
8.24
12月
8
9.41
图2-1按击穿故障发生月份的统计
东莞市属于亚热带气候，夏季较长，日照时间长，气温高。
由上图可知7~9月份是击穿类故障的多发期，温度一直是导致电容器故障的主要因素之一。
所以在高温天气条件下，控制运行温度在允许的范围内是电容器安全运行的重要保障。
2.6按故障电容器组发生击穿故障所在站点的统计
不同变电站的运行环境与谐波影响也不同，导致电容器发生故障的几率有高有低，所以对故障站点进行统计是有必要的。
按不同电压等级站点进行统计的得到下表。
表2-4220kv变电站的故障次数统计
站点名称
故障次数
所占故障比例%
板桥站
1
5.88
信垅站
3
17.64
陈屋站
2
11.76
莆心站
2
11.76
葵湖站
2
11.76
长安站
1
5.88
景湖站
4
23.53
北栅站
1
5.88
元江站
1
5.88
总计
17
100
从表中可知，220kv变电站中发生故障较多且故障比例较大的两个站是景湖站、信垅站。
上述两站使用的均是无锡电力电容器厂的产品。
表2-4220kv变电站的故障次数统计
站点名称
故障次数
所占故障比例%
塘头站
7
21.21
草围站
1
3.03
桥头站
5
15.15
银丰站
2
6.06
虎门站
3
9.09
涌头站
2
6.06
林村站
1
3.03
长江站
1
3.03
石龙站
2
6.06
黄洲站
1
3.03
八达站
1
3.03
南阁站
1
3.03
横窖站
1
3.03
杨屋站
2
6.06
岭厦站
1
3.03
狮岭站
1
3.03
常平站
1
3.03
总计
33
100
有上表可以看出塘头站、桥头站、虎门站发生击穿类故障比较多，其大多使用无锡、桂林电容器厂生产的产品。
部分站点虽然击穿故障发生次数不错，但发生的是群爆故障，损坏情况严重如：
银丰站、常平站、狮岭站。
通过对东莞供电局10kV并联电容器击穿故障的统计分析，从得到的电容器厂家自身故障率可知各厂家的产品质量情况，按故障类型、发生月份统计为加强运行维护提供参考，击穿故障多发站点的统计为供电局提供防范重点，这些统计从多角度看出电容器组损坏的出现规律。
参考相关研究资料，并与运行技术人员、厂家技术人员、专家等多方面技术交流，普遍认为：
造成电容器在运行中损坏率高与电容器组自身质量有很大关系，还与主要运行因素：
运行中操作过电压、电网谐波影响、运行温度及电容值不平衡等因素密切相关。
本文将针对运行温度对电容器运行的影响程度进行研究，以及利用电场仿真对电容器的质量缺陷进行研究分析。
第三章温度对电容器运行的影响分析
并联电容器是一种静止型全密封的电气装置，运行可靠性较高，使用寿命较长。
但是由于种种原因，多数电容器在未达到预期使用寿命之前即因故障损坏。
其中有制造厂家生产的电容器存在质量问题的原因，也有在不同运行环境下受到操作过电压、谐波、运行温度过高等因素的影响。
由此可见，当电容器工作在正常电压、频率稳定、不受谐波影响的情况下，运行温度过高是加速电容器老化，最终导致绝缘击穿的主要原因。
本章将分析运行温度对电容器可靠运行的影响。
3.1影响电容器运行温度的因素
电力电容器在运行时始终保持动态热平衡状态，一方面在环境温度的基础上，由电容器内部介质损耗发热，一方面电容器通过外壳向周围环境中散发热量从而达到动态热平衡。
所以电容器稳定温升的高低与周围环境温度、电介质特性、产品容量和产品体积（既散热面积）等因素有关。
3.1.1运行电压、介质损耗与谐波对运行温度的影响
在高电场的作用下，电容器中的介质不仅仅会发生电老化，同时也会因为运行温度过高而发生热老化。
由公式：
（3-1）
式中：
P——介质损耗
——介质损耗角的正切
U——介质两端施加的交流电压
ω——角频率
可知随着加载电容器上的电压升高，电容器的实际容量Q和发热量Q
都会随着电压的2次方迅速增大，从而使电容器内部介质的最热点温度升高，加速电容器介质的热老化。
而且，当作用在电容器上的电压一旦超过电容器的起始局部放电电压，局部放电的发生会引起一系列的物理效应与化学反应加速电介质的老化，电介质老化又会引起介质损耗角加大，从而发出更多热量，提升电容器的运行温度，运行温度过高又会加速电介质老化，从而陷入恶性循环。
所以为了避免电容器发生击穿故障，要尽量控制电容器运行在最高允许运行电压之下。
有标准规定当系统电压进行调整和发生波动时,作用在电容器端子上的电压,在24h中允许有8h升高到1.1Un;在同样情况下允许在24h中有30min电压升高到1.15Un;在轻负荷条件下允许电容器端子上的的电压出现持续时间不大于5min的其电压有效值达1.2Un的过电压;在同样情况下还允许在电容器端子上作用持续时间不大于1min的有效值达1.3Un的过电压的作用。
因此,高压并联电容器的最高允许电压不是一个值,而是建立在24h及以上运行周期范围内的最高平均电压不大于其额定电压前提下的一组值。
同时,标准还规定,在整个电容器的寿命内高于1.15Un的过电压在电容器上的作用次数不得超过200次。
并联电容器的介质损耗主要包括漏导损耗和极化损耗，
作为介质损耗的表征指标，能综合评价电介质的绝缘水平和发热问题。
其实绝缘介质的发热和绝缘老化是相互影响的，发热也会引起绝缘老化。
的数值大通常表明介质发热严重，同时也常造成绝缘水平下降，最终可能导致热击穿，这时意味着绝缘性能的彻底破坏。
由式（3-1）同样可知，电容器容量也是影响运行温度的因素之一。
随着电容器容量的增大，发热量也就增大。
当电容器中有高次谐波电流流过时，电容器容量会超过其基波容量。
在存在谐波的情况下，电容器实际容量的计算公式如下：
（3-2）
式中：
Q——电容器的实际容量
Q1——电容器的基波容量
即电容器在有谐波电流流过时的实际容量为其基波容量和谐波容量之和。
流入电容器的高次谐波电流In越大，谐波次数n越低其实际容量就越大。
随着电容器容量的增大，发热量也就增大，温升增高，电容器内部介质的温度升高，热老化加剧，电容器实际寿命缩短。
3.1.2周围环境温度与电容器运行温度的关系
电容器的运行温度与运行电压、频率和周围的环境温度有关。
在正常电压下，如果频率稳定，电容器的内部温升是保持稳定的。
这时，电容器内部的温度变化主要受周围环境温度的影响。
由于季节变化和早晚温差，气温成为影响电容器运行温度变化的主要因素。
东莞市位于亚热带地区，夏季持续时间长，日照强烈，气温高，所以电容器往往在较高的温度下运行。
从统计结果可以看出7～9月份的盛夏季节电容器发生击穿故障的次数比其他月份要高出很多，并且其中不乏有群爆这种恶性事故。
可见环境温度对电容器的运行温度影响很大。
电容器温升的高低与介质特性、产品容量和散热面积等因素有关。
高温对薄膜的机械强度影响不大，只是薄膜杂各种浸渍液中的溶解度和膨润度随温度上升而增加，但达到饱和后就不继续增加。
薄膜发胀的结果是堵塞油道，产生气隙，影响局部放电电压，因而设计上需要考虑适当的压紧系数或采用铝箔压花等其他措施，以减少温度产生的影响。
电容器的局部放电其实电压和长时间的耐压强度随温度的上升而增加，前者在80℃时达到最高值，在此温度下运行对电容器也是有利的。
但如前所说，温度过高可能发生电化学反应腐蚀绝缘，最高温度应该控制到一定的限度，以延长使用寿命。
由于浸渍液性能的影响，在低温状态下，电容器的局部放电电压和长时间耐压强度都将下降。
有试验表明,当温度升高10℃,电容器的电容量下降速度将加快一倍。
电容器长期处于高电场强度和高温下运行将引起绝缘介质老化和介质损失tanδ的增大,使电容器内部温升超过允许的温升而发热,缩短电容器的使用寿命,严重时在高电场强度作用下导致热击穿而损坏。
为了防止电容器因运行温度过高导致绝缘寿命降低,电容量的下降,运行中应随时监视和控制其环境温度,尽可能采用强迫通风,改善电容器的散热条件,使电容器由于热损耗产生的热量,能以对流和辐射散发出来。
规程规定,空气温度在+40℃时,电容器外壳温度不得超过+55℃。
周围环境温度超过+30℃时应开启通风装置,超过+40℃电容器应停止运行。
3.1.3电容器几何尺寸与其温升的关系
电力电容器的箱壳除了对电容器内部的介质起密封作用之外,同时还起着将电容器在运行过程中产生出来的热量向周围散发出去的作用。
当电容器箱体内的容积一定时,对于箱壳的不同相对尺寸,其有效散热面积往往是不同的。
当电容器的单位体积的发热功率一定时,电容器的单位体积的有效散热面积越大,电容器在达到热稳定时的箱壳温升就越低。
电容器在实际运行中总会产生一定的热量，这些热量必须通过其箱壳散发到周围空气中去，才能保证电容器在运行过程中的热平衡。
即
（3-3）
式中：
P——电容器的介质损耗
Q——电容器的容量
——介质损耗角正切
α——电容器箱壳的散热系数
S——电容器的有效箱壳散热面积
t——电容器箱壳表面温度
t0——电容器周围冷却空气温度
由式（3-3）进行一些简单的变换可得下式：
（3-4）
式中：
V——电容器的有效体积
Q/V——电容器单位体积的容量
S0——电容器单位体积的散热面积（S/V）
一台电容器的额定容量、体积、介质损耗角正切、箱壳散热系数一般是恒定不变的。
其箱壳的温升
=t-t0与该电容器的单位体积散热面积S0成反比。
把电容器简化成一个矩形立方体，如图3-1所示：
图3-1电容器箱壳简化图
箱壳的长、宽、高分别为L、W、H
（3-5）
式中K0——为体积利用系数。
高压并联电容器，其箱壳的相对尺寸为：
H>L>W。
在这种情况下，增加或减小其高度H对S0的影响较小，而如果改变其宽度W对S0的影响就相对显著，W越小S0越大。
这就是为什么高压并联电容器采用扁平型的道理之一。
由式（3-5）可知如果同时增加电容器箱壳的W、L、H会使S0减小，从而温升相对升高，反倒不利于散热，由此可知并不能通过增加电容器体积来提高散热性能，而应该从提高单位体积散热面积这个角度出发设计电容器的几何尺寸。
3.2电容器内部运行温度的计算
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