并联电容器组中电容器击穿的特征分析与仿真研究

并联电容器组中电容器击穿的特征分析与仿真研究 并联电容器组中电容器击穿的特征分析与 仿真研究 第45卷第5期 2009年1O月 高压譬 HighVoltageApparatus Vo1.45No.5 Oct.2009?73? 并联电容器组中电容器击穿的特征分析与仿真研究 刘文泽,蔡泽祥,冯顺萍 (华南理工大学,广东广州510640) 摘要:并联电容器组是交流电力系统输配电环节的主要无功补偿装置,在变电站中普遍采用10kV框架式高压并联电力电容 器组实际运行中.电容器内部元件击穿的故障是电容器组故障比例最高的.以常用的10kV并联电容器为研究对象,分析了电 容器组在运行过程中内部元件击穿一串,二串情况的击穿放电量.故障相电容器的电压暂态变化量,并估计了放电电流的峰值. 在EMTP仿真软件中建立了电容器的击穿模型.计算并分析了击穿元件的等效电路参数对放电电流峰值的影响:电阻值越大, 则击穿峰值电流越小.随着电阻值的增加,击穿电流峰值下降减缓.最后.将仿真分析与电容器击穿的故障进行对比分析, 验证了理论分析的正确性和仿真的有效性.为电容器击穿的实时监测和快速定位提供参考. 关键词:并联电容器组;电容元件击穿;放电量;仿真模型;放电电流;故障记录 中图分类号:TM835,TP391文献标志码:A文章编号:1001-1609(2009)05-0073—04 CharacteristicAnalysisandSimulationofPowerCapacitor BreakdowninShuntCapacitorBank LIUWen.ze,CAIZe'xiang,FENGShun.ping (SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China) Abstract:ShuntcapacitorbankisthemajorreactivepowercompensationdevicesinACpowertransmissionanddistribution system,10kVframetypehighvoltageshuntpowercapacitorbankiscommonlyusedinsubstation.Duringthepractical operation,thebreakdownfaultofcapacitorinternalcomponentisthehighestratioshuntcapacitorbankfaults.Inthispaper, accordingtothewidelyusing10kVshuntcapacitor,itisanalyzedthebreakdowndischargequantityduringthefirstserial andsecondserialcapacitorinternalcomponentbreakdownintheoperatingshuntcapacitorbank.Also,itiscalculatedthe changeofbreakdowntransientvoltage,andestimatedthepeakvalueofdischargecurrent.Thecapacitorcomponent breakdownmodelisbuiltintheEMTP,therefore,itisanalyzedthedischargecurrentpeakvalueinfluencedbythe equivalentcircuitparameterofthebreakdownmode1.Attheend,thecomparisonisgivenbetweenthesimulationresultand thefaultrecorddataoftheshuntcapacitorbank.Itisce~ifiedthatthecorrectionofthebreakdownanalysisandvalidityof breakdownsimulation.Theanalysisresultcouldhelpthereal.timesupervisionandfastlocationofthefaultcapacitor. Keywords:shuntcapacitorbank;capacitorcomponentbreakdown;dischargequantity;breakdownmodel; dischargecurrent;fauhrecord 0引言 随着电力负荷的增长.交流电力系统输送电能 容量也迅速增加.而电容器作为电力系统中功率因 数校正的主要设备.提高功率因数可有效减小变压 器和传输线路的功率损耗.改善电压变化范围和提 高电能质量.其安装数量也大幅增长.我国l10kV 和220kV变电站普遍使用1OkV并联电容器组作 为无功补偿装置.一般每段10kV母线装设1,4组 电容器组 现役的绝大部分电力电容器内部电介质由聚丙 烯薄膜及绝缘油浸渍剂组成.全膜电容器是低损耗 电容器.其介质损耗低,固体介质厚度约30am.电 容元件的工作电场强度高达66MV/mm.是工作电 场强度最高的电力设备.当存在过电压时.则极容易 发生电介质击穿f3].电力电容器内部电介质击穿后 容易引起电容器故障进一步扩大.甚至造成电容器 组的严重事故.因此.加强电容器的击穿研究,有助 于深人认识故障发展特征.为及时发现并防止故障 扩大有积极意义 根据并联电容器组的结构形式.可分为分体框 收稿日期:2009-06-01;修回日期:2009-08-13 作者简介:刘文泽(1973),男,博士研究生,主要研究方向为电力系统测量与控制. ? 74?Oct.2009HighVoltageApparatusVo1.45No.5 架式和集合式.分体框架式电容器组由于更换损坏 电容器方便,散热效果好,在世界各国电力工业中应 用最为普遍在我国的电力电网所使用的电容器组 大部分为分体框架式.这种10kV并联电容器组的 常见无功补偿容量有6,8Mvar.一般由单台容量为 334kvar的多台电力电容器组成.考虑到电容器故障 的保护.联接方式大多数采单星形或双星形的中性点 不接地接法单台电容器的额定电流约为52A,8只电容器并联的相电流高达416A.当某台电容器发 生贯穿性损坏时.其他两相的电容器过电流为额定 电流的,/倍,为了保护余下完好相的电容器,应 快速切除故障电容器.避免故障的扩大在实际运 行中.电容器组中电容器内部元件击穿的故障占电 容器组故障的比例最大.根据某供电企业对其所有 电容器组在一年半的故障统计.内部元件击穿的故 障占电容器组总故障次数的51% 针对电容器内部电容元件的击穿过程.理论分 析了击穿过程中电压,电流,放电量和击穿电流峰值 等特征量.进而在EMTP中建立了电容元件击穿的 仿真模型.并选择合适的电路参数进行仿真计算.最 后以并联电容器组在线监测装置的故障数据记录为 依据.验证了理论分析和仿真计算的正确性.指出了 研究结果的应用价值 1并联电容器组中电容器击穿的特征分析 1.1并联电容器组的电气接线 选取典型220kV变电站的电容器组进行研究 电能从变电站220kV侧输送进来.通过三绕组主变 压器将电能送往110kV侧和1Okv侧主变压器的 型号为SFSZ一180000/220.联结方式为额定容量 180MV.A10kV侧每段母线上有10回出线和4组 无功补偿并联电容器组.每组容量为8016kvar.由 24只电容器接成双星型中性点不接地方式.单组电 容器组接入系统的接线见图1电容器组自10kV 三相母线后.主要以真空断路器S之后每相接入的 串联电抗器,并联电容器C(F与C示熔断器与 电容器串联的电容器支路.A1,4表示A相编号 1,4的电容器支路并联,其余类推.),中性线电流 互感器CT组成电容器组主要设备的电路参数见 表1. 1.2电容器击穿的特征量 高压并联电容器作为无功补偿设备.常常运行 于额定容量或以上.电力电容器内部电介质的工作 场强很高,电容器的过负荷,内部温度过高及过电压 等因素极易导致电容器的电介质击穿l5J设A相 Al,4Bl,4C1,4CTA5,8B5,8C5,8 图1并联电容器组的接线图 表l电容器组主要设备的电路参数 设备名称型号参数 串联电抗器c?一相 熔断器BRW一10/79PL=79A.U~=IOkV 并联电容器川-334-1w霭' 8只电容器中某一只电容器发生1串贯穿性击穿. 发生击穿的等效电路见图2.图2中,Ca=184.8F, 为一相中7只并联电容器的等效,Cg=105.6F,为 一 只电容器内部一串电容元件的等效,Cb=35.2o,F, 为一只电容器内部3串串联电容元件的等效. — ,芦 1c丰 图2一相中一只电容器内部一串击穿的等效电路 电容器的内部元件击穿发生在电压最大值附 近.即U为击穿前瞬间电压,约等于相电压峰值.因此,一串电容元件上击穿电压为 器? 计算得vg=2245V.击穿后Cg上电压迅速降低,电压 V可近似为0. C上击穿局部放电量l6_.根据 QF』oi=(一)(c+GC+aCcb,](2) 计算得Q=0.303C. C上击穿局部放电时电极问(C两端)的电压 变化?为 ?击() 计算得AU=359V. (3) 在放电过程中,电容器的电压最大,电容器上的 工频电流接近零,可认为与i相等.放电处可等效 为电阻.则电容元件击穿的局部放电电流波形近似 为双指数尖峰波形.利用等腰三角形近似等效局部 放电电流波形.根据公式 2009年10月高压圣苌第45卷第5期?75? QFrI?(4)在相电压峰值附近,仿真中设定击穿发生在9?8ms. 2.2电容器击穿一串时的仿真计算 可计算放电电流的峰值i,放电电流峰值与放电时 间关系见表2. 表2放电电流峰值与放电时间关系 放电时间At/ms放电电流峰值i/kA O_2 0.3 0.4 O.5 3.03 2.O2 1.52 1-21 2电容器击穿的EMTP仿真计算 2.1电容器击穿的EMTP仿真模型 EMTP是加拿大HWDommel教授首创的电 磁暂态分析软件.它具有分析功能多,元件模型全和 运算结果精确等优点.可作为电网稳态和暂态的仿 真分析及电力系统谐波分析的有力工具.是世界上 广泛使用的电磁暂态分析程序之一它可以模拟复 杂网络和任意结构的控制系统_7.引 仿真参照变电站的实际设备参数及输电线路工 况.建立的电容元件击穿仿真模型见图3.仿真模型 中的主要参数设置如下:?u为电源,电压有效值为 174.8kV,频率为50Hz;?变压器为YN,yn0,dl1接 线的三绕组变压器.变比为220:l15:10.5.变压器额 定容量为180MV.A,中,低压侧额定容量分别为 180MV.A和90MV?A.中压侧中性点直接接地: ?10kV母线电压为10.5kV.变电站一段10kV母线 上的负荷用6条恒定负荷的支路来等效.其中支路 的功率因数取0.9;?考虑电容内部元件的击穿时刻, II 叫}__ J一一一 雅茗"'l=____ -._Oo一一 .1I' 卜 I 图3并联电容器组中电容元件击穿仿真模型 电容器内部的固体介质是仅有几十微米的薄 膜.电容器内部电容元件的击穿属于电压击穿l9lm】 因此.仿真模型对C相电容器击穿进行仿真计算. 电容元件击穿发生在C相承受峰值电压的时刻由 于电容上正弦交流电流的相位超前于电容两端的电 压相位90~.击穿时击穿相的电流近似为O.在仿真 计算中.设定C相在9.8ms时,电容两端电压接近 相电压峰值.击穿过程模拟为控制开关合上.电容的 一 串元件击穿处用小电阻及小电感串联支路进行等 效主要观测的量有击穿电容所在支路的电流,三相 电容电路的电压与电流图4是击穿过程中击穿电 容支路上的电流波形.图5是三相电容上的电压波 形.图中的电压正峰值波形分别为B,C,A相电容器 上的.C相电容上的电压出现快速的电压降落.电压 降为392V ————,//一—\ 152O2530 t/ms (a)击穿电流波形 (b)击穿电流放大图 图4击穿电容支路上的电流波形 图5击穿过程中三相电容上的电压波形 0O00OO0O姗啪鲫伽瑚0瑚 f1 ? 76?HighVohageApparatus 2I3电容器击穿元件的等效电阻与放电电流的关系 在仿真计算中.击穿放电电流为高频量.考虑外 导线及引线的电感.击穿处等效电路的电感取值为 9uH.通过改变击穿等效电路的电阻值.可得击穿电 容器支路的击穿电流峰值受电阻值影响很大仿真 中.电阻取表3中的数值.相对应的击穿电流峰值 见表3.可见,电阻值越大,则击穿电流峰值越小.随 着电阻值的增加.击穿电流峰值下降减缓 表3击穿电流峰值与等效电阻值的关系 等效电阻值/n放电电流峰值i/kA 0.10 0.15 0-20 O.25 0-3O 0-35 0.40 1450 l293 1164 1025 967 890 825 3仿真结果与监测装置记录的故障数据对 比分析 广东某供电局为了监测电容器组的故障过程. 在故障频繁的几组电容器组上安装了高压并联电 容器在线监测装置.可以及时记录电容器组中多种 故障数据,包括各电容器支路上的电流,相电压等 数据…】该监测装置的数据采样频率为10kHz.能 快速记录击穿过程的各种波形图6,7是监测装置 记录的C相某一电容器内部电容元件击穿的故障 录波,电容器内部发生了两次击穿.图6为电容器 电流有效值由55.2A上升到83.4A,并联电容器 在线监测装置显示其故障并报警.其他各台电容器 电流大小没有明显变化.电容器组在此工作状态维 持了大约75rain后,电容器电流有效值再次增 大到134.4A,其他各台电容器电流大小基本不变, 电容器组在这种状态持续约200ms后.从系统中切 除电容器组.电容器组故障发生后,经检测.故障电 容器的电容值变值为53.6uF由各电容器支路 的故障电流记录及故障后检测结果可推知:C第一 次电流增大为其内部四串中的一串电容元件击穿 的表现.第二次电流增大为其内部余下三串的一串 电容元件击穿的表现此时中性线不平衡保护检测 到不平衡电流,约经过保护整定值220Ins后.电容 器组继电保护动作.使该电容器组的真空断路器在 740ITIS开断电容器组 从故障波形记录图8可见.电容器内部击穿一 兰: 0 },,,,,,,,,,?,,,,I.,,,,,,八,,八八八八兰0o}i厂,厂,厂,厂,厂\,,厂,厂1八八八八八八八八八 一 335.354L—————————————————————————————— ————————.————————一 兰震- 400 - 800 1973004005006007008009001o02 t/ms 图7C电容器内部击穿第二串电容元件的电流波形 串电容元件时,所在电容支路击穿前电流约为0,随 后有一高频放电振荡维持约2ms.放电的前沿非常 陡,第一峰值达到1050A左右.在击穿电流峰值, 振荡频率,过渡时间方面,前述的理论及仿真分析 与故障波形记录非常吻合. 4结论 t/ms 图8C击穿一串电容元件的电流波形局部图 根据应用广泛的电容器组中全膜电容器为研 究对象.对电容器内部元件击穿的电气特征进行了 理论分析与仿真计算,得到了击穿时的电压,电流, 放电量和击穿电流峰值等特征参数仿真模型的等 效电路在选择合适参数时.与实际电容器运行的故 障波形记录很相似.证明了前述的内部元件击穿的 理论分析合理,仿真计算正确.深入研究分析电容 器的击穿故障特征.可为电容器的实时监测,快速 保护,保护定值设置和故障快速定位提供有价值的 参考 参考文献: [1]倪学锋,盛国钊,林浩.我国电力电容器的运行与改进建议 【J】.电力设备,2004(9):10—13. 【2】RAMASAMYNATARAJAN.电力电容器【M】.徐政,译.北京: 机械工业出版社.2007. [3]张星海,张血琴,吴广宁.无功补偿电容器绝缘保护技术的研究 (下转第79页) 2009年10月高压圣.点第45卷第5期.79. 在公式(2)中,P(AIBj)表示干扰源出现时微 机保护装置发生故障的概率,P(Bi)表示干扰源 出现的概率,P(AIB矗…B)表示多个干扰源同时出 现时微机保护装置发生故障的概率,P(BiBi…B)表 示多个干扰源同时出现的概率 按照上述方法,求出每一个网格交叉点处微机 保护装置发生故障的概率.然后应用数值拟合的方 法预测变电站整体空间的电磁环境笔者提出的预 测与分析变电站中电磁环境的数据挖掘算法.不仅 能够预测变电站中电磁环境的未来趋势.还能够与电磁兼容分析相结合.制定改善变电站中电磁环境 的电磁干扰抑制措施改善变电站中的电磁环境应 从以下两个方面着手:?抑制电磁干扰源;?切断电 磁干扰的耦合途径 根据贝叶斯公式.在点z(,Y)处微机保护装置 发生的故障是由干扰源B引起的.概率为 尸(iIA):(3) 』A 根据公式(3)计算变电站中每一个电磁干扰源 在z(,y)处引起微机保护装置发生故障的概率.然 后采取有效措施对概率大的电磁干扰源进行抑制. 同时采取电磁隔离措施切断它们到点(,)的主 要耦合途径 在提出的数据挖掘算法中.耦合途径可以看作 是电磁干扰源的属性按耦合途径划分的样本空间 = {u:uu},根据贝叶斯公式,通过 置(=1,2,3,4)耦合到点(,Y)的概率为 P(XjlB)=(4) 式(4)中,P(XilBi)表示干扰源鼠通过耦合路径i到 点z(x,Y)的概率;P(Bi)表示干扰源日i出现的概率; P(Xi)表示耦合路径Xj出现的概率;P(BiIXj)表示耦 合路径i出现时,干扰源出现的概率. 根据公式(4)可以计算出干扰源B通过耦合路 径Xi耦合到z(,y)处的微机保护装置的概率,进而 分析得出干扰源i的主要耦合方式,然后结合电磁 干扰源的特点采取科学有效的电磁隔离措施.从而 可以改善变电站的电磁环境. 3结论 应用数据挖掘技术预测与分析变电站中的电磁 环境是可行和有效的但是.目前结合数据挖掘算法 的变电站中电磁环境的测量工作还没有开展.只是 做了初步的,探索性的研究工作.实际的验证以及对 应用于实际时问题的发现与解决将是下一步的研究 课题 参考文献: 梁志成,傅静波,李富同.等.微机保护装置的电快速瞬变脉冲 群抗扰度研究[电力系统自动化,2003,27(11):65—68. 肖保明.王泽忠.卢斌先.等.微机保护装置对开关瞬态干扰的 敏感度研究【JJ.电力系统自动化,2005,29(3):61—64. 李清泉.李彦明.牛亚民.变电站开关操作引起的瞬变电磁场及 其防护明.高Eg/~,技术,2001,27(4):35—37. 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