电容器损坏原因与防护措施

(一) 油纸电容器

1.损坏的原因

油纸并联电容器损坏的原因大体有以下几方面:

(1)切电容器组时,由于断路器重燃引起的重燃过电压造成电容器极间绝缘损伤甚至击穿。有的电容器组无任何过电压保护措施,也无串联电抗器,尤其在农灌季节,平均每天操作1次,就更容易导致其绝缘损伤,甚至引起爆炸。

(2)电容器投入时的涌流过大、电网的谐波超标引起过电流,使电容器过热、绝缘降低乃至损坏。

(3)电容器外壳渗漏油,导致内部绝缘受潮而发生放电,使电容器损坏。

(4)电容器内部发热。发热的主要原因是:密封件老化或接点长期发热。其结果使电容器渗油。

(5)电容器没有配备单台熔丝,或虽有熔丝但熔丝特性 (安秒特性)太差。当电容器内部元件严重击穿产生故障电流时,熔丝不能及时熔断,同时,有效的继电保护措施未跟上,过电流使电容器内部的温度急剧上升,导致电容器胀裂或爆炸。

(6)产品质量差。油纸绝缘没在严格的真空下干燥和浸渍处理,在长期工作电压下,内部残存的气泡产生局部放电现象。局部放电进一步导致绝缘损伤和老化,温升也随之增加,最终导致元件电化学击穿,电容器损坏。

2.防止电容器损坏的技术措施

电容器损坏的主要原因是重燃过电压和熔断器质量不佳。鉴于此因,建议采取以下技术措施。

(1)选用性能优良不重击穿的断路器。

20世纪70年代起大多采用少油断路器投切电容器组。少油断路器开断电容器组时虽然过电压不高,但多次操作后油质劣化,需要及时更换,给使用带来很大的不便。目前SF6断路器和真空断路器逐渐替代少油断路器,它们的机械寿命和电气寿命长,开断性能好,又能做到少维护或免维护,是比较理想的用于投切电容器组的断路器。

(2)采用金属氧化物避雷器保护,对于需频繁投切的电容器组,宜按图5-35 (a)装设金属氧化物避雷器F1或F2,作为限制单相重击穿过电压的后备保护装置。在电源侧有单相接地故障不要求进行电容补偿装置开断操作的条件下,宜采用F1。当断路器操作频繁且开断时可能发生重击穿或者合闸过程中触头有弹跳现象时,宜按图5-35 (b)装设金属氧化物避雷器F1及F3或F4。F3或F4用以限制两相重击穿时在电容器极间出现的过电压。当串联电抗器的电抗率不低于12%时,宜采用F4。

(3)采用单台熔丝保护。它是防止油箱爆炸的有效措施。试验表明,熔断器可以在0.3ms将电容器的故障电流开断,所以这一措施已在国内外广泛应用。

图5-35　并联电容器的避雷器保护接线

(a)单相重击穿过电压的保护接线;(b)单、两相重击穿过电压的保护接线

(4)对两组及以上的电容器进行相互投切时,必须加装串联电抗器。

(5)电容器组尽可能地采用中性点不接地的双星形接线,并采用双星形零流平衡保护。它与单台熔丝保护配合,几乎可以杜绝电容器爆炸事故。图5-36是双星形接线零流平衡保护接线示意图。它把并联电容器分成6个臂,每个臂由M 个电容器并联,组成星形接线后分成两组,取两组电容器中点连线不平衡电流,称为中性点连线电流平衡保护或零流平衡保护。

图5-36　零流平衡保护接线示意图

当一台电容器发生部分元件击穿时,通过该台的故障电流为

流过中性线的不平衡电流为

式中 M——每臂电容器并联台数;

G——击穿系数,一台击穿元件占总元件数的百分数。

表5-10给出不同G 和M 下的中性线不平衡电流倍数K。

表5-10　不同G和M下的中性线不平衡电流倍数K(K=I0/IN)

由表5-10 可知,当G=0.5,M ≥5 时,I0≈0.5IN。

例如,采用BFF11/—50—1W 型的电容器,其额定工作电流IN=7.87A,若欲单台内部元件50%击穿时切除,则I0=0.5IN=3.94A,若采用30/5的电流互感器,则其二次电流为3.94÷6=0.65A,当平衡保护电流继电器整定值整定在0.65A 时,就能可靠地切除故障电容器。

双星形零流平衡保护具有保护方式简单,抗干扰性能强的特点。系统电压不平衡、单相接地故障以及合闸涌流和高次谐波电流都不会引起保护误动,它与单台熔丝配合是目前电容器内部故障保护的最有效措施。

(6)定期测量电容器的电容量,一旦发生较大变化,应立即退出运行,并查找原因。

(7)定期检查电容器的渗漏油现象,一旦发现漏油应立即退出运行。

(8)采用红外检测。实践证明,它对电容器内部发热的检出是有效的。

(9)开展在线监测。在运行中对电容器的温度、压力、电压、电流进行检测。每个电容器需要监测的参数包括环境温度、本体温度、压力、电压和电流五个参数,所以采用五路分时单端输入和输出。其信号输入、输出通道的结构如图5-37和图5-38所示。

3.处理方法

油纸电容器的常见故障及处理方法如表5-11所示。

(二) 自愈式低压并联电容器

1.结构

具有自愈性能的电容器称为自愈电容器。其最大特点是应用具有自愈性能的聚丙烯金属化膜作为电容器元件的介质与极板。它广泛作为低压无功补偿电容器,常称为自愈式低压并联电容器。

聚丙烯薄膜具有高工作场强与低介质损耗及体积小、容量大、损耗小等特点。从表5-12的几项性能比较,可以看出自愈式电容器具有油浸纸介电容器所不及的优点。

图5-37　信号输入通道结构

图5-38　信号输出通道结构

表5-11　油纸电容器常见故障及处理方法

续表

表5-12　自愈式电容器与油浸纸介质式电容器性能比较表

国产低压自愈式电容器主要由芯子、浸渍剂、端子、壳体、保险器、自放电装置安装架等几个主要部分组成。图5-39给出了无锡康派特电气有限公司生产的自愈式电容器内部结线图。

图5-39　自愈式低压并联电容器内部接线图

(a)单相 (全并接法);(b)三相 (三角形接法);(c)三相 (星形接法)
1—线路端子;2—过压力保护装置;3—放电电阻;4—电容器单元;5—箱壳;6—接地端子

(1)芯子。芯子是电容器的基本工作单元,由聚丙烯金属化膜绕制而成,两端面的金属层通过喷金连接成电极,每台电容器由若干只芯子根据要求进行组合连接,对于三相低压并联电容器,一般以三角形接法。

自愈式电容器的自愈功能就是利用金属化膜的特殊性能,金属化聚丙烯膜是利用高真空蒸镀技术在聚丙烯基膜表面蒸镀一层铝、锌或锌+铝等金属薄层,其厚度极薄,仅0.03～0.04μm,这层金属层在一定的温度下极易气化挥发,当我们施加于该电容器两极板一定电压后,介质中的某些电弱点被击穿,由于击穿电弱点时释放一定的能量,使得电弱点周围的金属层受热而气化挥发,电弱点附近由于失去金属层而形成绝缘区,使电容器自行恢复正常工作,这样每通过一次自愈作用,电容器就剔除一批电弱点,使得电容器的耐压也就提高一个等级。

金属化层的厚薄,直接影响电容器的自愈性能。一般讲,较薄的金属化层对自愈有利,但与喷金层的结合脆弱。要求金属化膜既要有良好的自愈性能,又要有足够金属化厚度以提高喷金层强度。目前国外生产一种边缘加厚金属化膜,这种膜具有上述的两大优点。自愈式电容器,就是选用具有边缘加厚金属化膜绕制芯子,经实践证明,其工作可靠性高,自愈性好,经得起浪涌电流的冲击,工作寿命长。

(2)浸渍剂。浸渍剂是电容器内部的充填物,与油浸纸介电容器不同的是,纸介质电容器中的浸渍剂,直接浸入介质中间,而自愈式电容器由于膜的工作场强高,可以不必像纸一样靠浸渍剂来提高工作场强与降低损耗。这里的浸渍剂其主要作用是解决芯子外表面的局部放电与提高电容器的自愈性能,及改善散热条件。

自愈式电容器选用一定配比的油蜡作为浸渍剂,通过真空浸渍,将浸渍剂灌注壳内,通过浸渍可以有效地解决芯子边缘的局部放电,并且由于固化后的微晶蜡在芯子外部形成一强大的应力区,当元件自愈时由于存在一定的应力,可以迫使迅速灭弧,防止蒸发区扩大与自愈恶化,而导致元件“打炮”,这类浸渍剂与液体浸渍剂相比,性能稳定,不燃烧,并有效地解决漏油问题。

(3)保险装置。当自愈式电容器万一由于自愈失效,内部的金属化膜受热软化并放气而使电容器胀鼓时,保险装置能及时切断电源保护整个装置。保险装置的种类较多,有力学型和电学型等,结构上也各有千秋。本保险装置集力与电气保险为一体,具有双重功能,放置于电容器壳体内部,利用外壳的形变来启动保险机构,切断电源,万一保险失控,电气保险也立即启动,同样切断电源,从而保护整个装置。

(4)自放电装置。放电装置能将电容器在退出运行初始峰值电压在3min内降到50V 以下,以保证运行及维修安全。

(5)电容器外壳,由马口铁冲制,耐腐性好,外涂阻燃漆,外形美观。端子与上盖采用整体压铸,耐压强度可高达3500V,且密封性能好,长期在-45～+50℃环境中使用不会开裂,绝缘性能稳定。

(6)其他。如接线柱头,安装支架等系电容器上的电气接头及安装紧固件。

2.损坏原因及防止对策

自愈式低压并联电容器损坏的原因及相应的对策如下:

(1)端电压高。因为电容器的介质损耗P 与电容器端电压的平方成正比,即

式中 f——电网的频率,Hz;

C——电容器的电容值,μF;

U——电容器的端电压,kV;

tanδ——电容器的介质损耗因数。

由上式可知,如果电容器端电压增高,其介质损耗将会显著增大,当长期超过额定电压时,将使电容器发热,加速绝缘老化,使聚丙烯膜击穿。导致端电压高的原因如下:

1)配电线路的运行电压高于电容器的额定电压。这就要求在选择电容器时,首先要了解线路的电压质量状况,然后选择适合该线路运行电压的电容器。一般情况下,要求电容器的额定电压比线路电压高5%,例如380V 系统选择400V 电容器,660V 系统选用690V 电容器。

防止对策是:①调分接开关。在电网运行中,如果变压器二次侧电压过高,要调整分接开关使之降低,以免电容器损坏;②退出运行。国家标准《并联电容器装置设计规范》(GB 50227—95)规定:“电容器运行中承受长期工频过电压,应不大于电容器额定电压的1.1 倍。”所以,一般规定,当电网电压长期超过电容器额定电压10%时,应将电容器退出运行。

2)带电荷合闸。如果电容器在带有电荷的情况下合闸,会产生合闸过电压,使电容器承受超过额定电压很多的过电压作用,导致电容器损坏。

防止对策是:①放电。电容器在从电网中切下来后,必须进行充分放电后才能再投入运行。一般情况下,低压电容器都装有放电电阻,有时还在低压无功补偿柜中安装放电灯泡,都能起到放电作用;②检查接触器。若由接触器投切电容器组,当接触器使用时间过长,或者吸合的电动力过小造成二次吸合、产生重合闸现象,可能会使电容器损坏。还有,由于触头烧损,造成拉弧,引起操作过电压,也会使电容器损坏。所以,在电容器的运行过程中,除要定期对电容器检查外,还要对接触器等电器配件进行检查,以及时发现问题。

(2)合闸涌流。电容器组频繁投切而产生的合闸涌流,虽然时间很短,但它的幅值很大,频率很高,会加速绝缘的老化。涌流倍数越大,相应的频率也就越高,电容器在较高频率的作用下,最容易发生元件端部放电,造成电容器损坏。对于自愈式低压并联电容器来说,过大的涌流可能会使电容器元件的喷金层脱落。

防止对策是,在低压线路的无功补偿中,一般选择电容器专用投切接触器来限制合闸涌流。另外,也有采用内置小电抗的电容器来限制合闸涌流。

(3)谐波。随着现代工业技术的发展,电网中非线性负荷大量增加。非线性负荷引起电网电压波形发生畸变,产生谐波。

在有谐波的供电系统中,系统的电压是由基波电压和谐波电压叠加而成的。此时,系统电压高于电容器的额定电压,会对电容器造成危害甚至损坏。

电力系统中的谐波电流一般有3、5、7、9、11、13等次谐波。谐波电流是在基波电流基础之上产生的附加电流。谐波电流在介质中产生额外的附加损耗,使介质发热,绝缘老化。当谐波电流过大时,可能使介质绝缘损坏。

防止对策是,装设各种抑制谐波的装置使通过电容器的谐波电流减少。例如装设滤波装置,或通过适当的线路设计和参数组合,使无功补偿电容器既起无功补偿作用,又起滤波作用,或使用耐受谐波的电容器。

(4)环境温度。环境温度对电容器的影响也很大,一般自愈式低压并联电容器的工作环境温度为-25～50℃ (户内型)和-40～50℃ (户外型)。

为保证电容器工作在允许的环境温度范围,采取的对策是加强通风。

3.防止爆炸的措施

防止自愈式并联电容器发生爆炸故障的措施如下。

(1)设计上采用双重外壳。例如桂林电力电容器厂的电容元件为铝外壳,装入高强度阻燃塑料的电容器塑料外壳中,铝外壳炸开后,塑壳仍会起到保护作用。

(2)选用高闪点的浸渍剂。例如苯甲基硅油的闪点为300℃左右,极不易燃烧。

(3)设计上采取干式结构。干式电容元件在难燃的浸渍剂中经真空热处理沥干后,用树脂密封,电容器壳体和元件之间以蛭石充填,起到防爆、灭火和隔热的作用。

(4)研制充SF6的干式自愈式电容器。SF6的灭弧能力是空气的100 倍,对防爆、灭火效果更好。

(5)电容器内部加装特种内熔丝。锦州电力电容器厂和南昌电容器厂的产品带内熔丝,熔丝的特性要保证在过电压、涌流及自愈时不动作,但在各种型式的故障时均能动作,寿命终止时切断电路。

(6)加装各种压力型或机械型的保安装置和温度断路器。例如南京电力电容器厂的产品装有温度断路器,在89～93℃时使电容器退出运行。关于加装保安装置正在研究中。

(7)采用防爆型薄膜。德国史太拿 (STEINER)公司生产的P-ZNRX 型安全膜,在镀膜时把保障电容器安全运行所需的微型熔丝,一起镀在膜的表面上,每平方厘米面积都由两对微型熔丝保护,每平方米达2 万余条之多。熔丝反应非常灵敏,能有效地防止击穿点对电容器的破坏蔓延。

目前,低压电容器正在向气体化方向发展,充气型自愈式环保化低压电容器 (GMKP),已在我国应用,其显著特点是

(1)体积更小,大大提高单柜的补偿容量,同容量相比,其体积只相当于普通电容器的1/3。

(2)真正干式、无油化、高性能,电容器内充入保护气体更加提高元件的电性能,过电流能力大于2倍的额定电流,是真正的无油化干式产品,防火防燃。

(3)全新保护,运行安全可靠。

(4)环保性好,废品可作为一般垃圾处理。

(5)使用寿命长,其平均寿命可达10万工作小时,是普通电容器的4～10倍。

目前,我国生产的高压自愈式并联电容器及其装置的性能还不够稳定,局部放电性能还有待改进。尤其是自愈式高压并联电容器的保护设备,还应进行深入研究,以确保其具有良好的可靠性、安全性和长寿命。

(三) 集合式电容器

所谓集合式 (或密集型)电容器,就是一相电容器中的一台小电容器的元件接线方式,由常规的几个元件并联之后再串联成多段的结构,改变为由几十个 (30～50 个)元件并联而没有串联段的结构。图5-40给出了BFF11/2500-1W×3 集合式电容器一相接线。由图可见,一相分为两段,每段有两支路,每支路的两部分各由60个元件并联后,再串联。因此,一相电容器是由4个支路组成,2并2串。

图5-40　BFF11/2500-1W×3集合式电容器一相接线

集合式电容器运行故障如表5-13所示。

表5-13　密集型电力电容器的运行故障原因及分析

集合式电容器损坏的原因,根据文献介绍拟用20多年前美国通用电气公司Bock和Newcomb的说法来解释:在电容器的元件开始损坏及全部击穿的过程中,故障电流会导致电容器介质的纸、纸—膜或全膜和溶液发热,产生气体,使铁壳鼓肚,壳内液面下降,出现空间,使露出液面的连线产生电弧或端子引线对铁壳放电。连线电弧的产生是由于元件击穿短路时,全部相邻健全元件向其放电,因放电电流过大而使连线熔断。这个电弧在壳内产生导电的气体,使健全元件芯子的端子引线很快地对铁壳放电,并烧穿一个小孔。

IEC—70第F·5.3 条也说明,电容器发生击穿短路后,注入的工频电流或相邻并联电容器贮存能量超过图5-41的铁壳爆炸曲线0.1机遇率时,铁壳就会开裂和液体泄漏。

根据Bock和Newcomb这个说法并结合IEC—70的说明,对照我国曾发生的两起集合式电容器的损坏情况,完全吻合。这意味着可以用上述的“说法”和“说明”来解释现有的集合式电容器损坏情况。

由于上述集合式电容器损坏的原因是并联元件数太多,一个元件击穿短路时故障电流偏大,因而发生电容器铁壳鼓肚、开裂、套管爆炸等现象。所以为避免这种现象的发生就要降低集合式电容器的故障电流,为此,必须改用一相是由多台常规接线的电容器组成的每台电容器的元件接线是8～10并4串。

图5-41　电容器铁壳爆炸曲线

应当指出,为保证电力电容器安全运行,除应按《电力设备预防性试验规程》(DL/T 596—1996)进行预防性试验外,还应开展红外检测。当热像异常或同类相对温差超标时,应用其他试验手段确定缺陷性质及处理意见。并联电容器的判断按表5-14的规定执行。

表5-14　并联电容器(串联电容器)允许的最大温升及同类相对温差值

注 Tom为设备安装场所年最高环境温度,若厂家另有规定按厂家要求执行。