电力电容器的作用及典型故障分析

非柔性直流输电系统中，两端换流站都配有大量的交流滤波器，其作用主要为补偿无功功率和滤除谐波。以某±800kV换流站为例，其直流输电容量为5000MVA，站内配有15组交流滤波器，每组交流滤波器主要由电力电容器组成。

电力电容器常见故障为本体发热、本体漏油以及内部放电击穿。本文就电力电容器内部放电典型故障进行分析。

一、电力电容器内部结构

交流滤波器一般由高压塔和低压塔两座电容器塔构成，每座塔由一定数量的电力电容器串并联组成（因设计要求，采用不同的连接方式）。如下图1所示，该换流站内交流滤波器高压塔称为上桥臂，分为左右两个臂（现场称为A臂与B臂），每个臂由40只电容器单元（单只电力电容器），通过每两只并联后再逐对串联组成。

图1  交流滤波器电容器塔结构

单只电力电容器内部结构如下图2所示，单只电容器由5个电容串联段组成，每个串联段由19个电容元件单元并联组成。其中，每个电容串联段有一个并联电阻R1，整个电容有一个并联电阻R2，起到内部故障放电保护作用；并且，每个电容元件单元都单独串联一个内熔丝，该内熔丝作用非常大，在电容元件单元单个被过电压等其它因素击穿时，对应的内熔丝会同步熔断，将故障电容元件单元进行隔离，防止电容器内部故障持续扩大。

图2  电力电容器内部结构

二、电力电容器内部故障对继电保护的动作影响

图1中所示的T2电流互感器，为不平衡电流互感器，理想情况时流过T2的电流为零，当电容器内部单个元件故障击穿时，会导致该只电容器电容值发生变化，从而使电容塔的桥臂电容值出现变化，当桥臂值不一致时，会有不平衡电流流过T2电流互感器，该电流达到一定值时，保护装置会出现告警与跳闸出口动作，该换流站保护整定的定值如下图3所示。

图3  电容器不平衡电流保护整定值

可见，如果一个电容器内部电容单元元件有1至2个击穿，且熔丝即时熔断，对整个保护系统是没有影响的。

三、典型故障

该换流站交流滤波器电容器频繁出现不平衡电流保护直接出口跳闸，每次现场检查均发现有1只电容器的电容值变化特别大，后续经过电容器解体分析，发现了跳闸的根本原因为该电容器内部的电容元件被击穿时，熔丝未及时熔断，导致整个串联段（19个串联电容元件）短路，如下图4所示。

图4  电容器解剖情况

故障电容器比额定值偏大了约25%，理论分析为5个串联段变成了4个串联段；现场解剖也证实了这一点，内部存在一个串联段短路，且短路的串联段中存在两个相邻电容器元件击穿，击穿点均在元件表面，仅一个击穿电容器元件熔丝熔断，另一击穿电容器元件熔丝未熔断，未熔断的熔丝导致整个串联段短路。

四、原因分析与总结

该换流站交流滤波器跳闸时刻故障录波如下图5所示，跳闸时刻，T2不平衡电流突然出现两次高频的大不平衡电流，可知两次异常的高频不平衡电流由电容器单元内同一串联段的两个相邻电容元件连续击穿引起。第一次击穿时，持续时间约2ms，熔丝熔断；第二次击穿时，持续时间约4ms，熔丝未熔断，保护出口跳闸。

图5  跳闸时刻故障录波

电容内部单个元件表面击穿时会产生电弧，由于电弧温度高，引起相邻电容器元件因烧灼而击穿，虽第一次发生击穿的电容器元件熔丝已熔断，但依据內熔丝设计参数和故障时刻录波曲线，残余放电能量不足以熔断另一击穿电容器元件熔丝，导致其所在串联段短路，使整体容值陡增约25%，引起电容器组不平衡电流突增而发生跳闸事故。后续电力电容器制造方，需多方面考虑内熔丝的熔断基理，合理设计参数，保证电容器运行时的可靠性。