店 它谍 ＧＵＡＮＧＸＩＤＩＡＮＹＥ 分析与探讨 串补电容器运行特性与故障分析 谢（１．广西大学电气工程学院，南宁市宁 ，ｚ ５１０６２０） ５３０００４；２．中国南方电网超高压输电公司培训与评价中心，广州市【摘要］本文介绍了串补装置中，内熔丝电容器与无熔丝电容器的基本原理。分别以平果可控串补站ＦＳＣ部分电容器组和 百色固定串补站电容器组为例，介绍了内熔丝电容器组与无熔丝电容器组的结线方式和电容器不平衡保护配置情况；分析、阐述 了电容器发生元件损坏后产生不平衡电流以及对其它健全电容器产生的过电压；提出了查找故障电容器单元的方法与思路。 【关键词】内熔丝电容器；无熔丝电容器；电容器组；不平衡电流；过电压 ０ 引言 在超高压远距离输电系统中，为提高输电线路的输送能 力，在输电线路中串入电容器，利用电容器容抗抵消部分输电 线路感抗，以减小线路的等值电抗的做法称为串联电容补偿 容器组中每个电容单元的连接采用“先串后并”的连接方式。 ２ 平果可控串补ＦＳＣ电容器组与百色 固定串补站电容器组的结构 ２．１ 平果可控串补站天平ｌ线串补 （简称串补）。在输电线路上装设串联补偿电容装置后，对改善 输电系统的稳定性，提高输电容量和网络电压水平，减少系统 损耗有显著的作用。 串补电容器组是串联电容补偿装置的主要设备。串补工 程中使用的电容器从结线结构上可分为内熔丝电容器和无熔 丝电容器两种。本文将以平果可控站天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容 器组和百色固定串补站罗百Ｉ线串补电容器组为例，分别对串 补装置中的内熔丝电容器和无熔丝电容器的运行 特性和故障分析进行阐述说明。 平果可控串补站天平Ｉ线串补采用内熔丝电容器。 天平Ｉ线串补ＦＳＣ部分电容器组每相为“Ｈ”形连接（如图 １所示），共４个臂，每臂由４４个电容器单元组成，臂结线方式 为４串１１并，桥臂处安装有不平衡电流互感器。每个电容器 单元由６０个电容元件通过４串１５并构成（如图２所示）。 电容器基本参数如表１、表２。 １ 串补电容器 １．１ 内熔丝电容器 内熔丝电容器是指熔丝装置安装在电容器的 内部，在电容器单元内部，每个电容元件均串联一 内熔丝。当某个电容器元件故障时，该电容器元件 的熔丝熔断，切除该电容器元件。故障的电容器元 件切除后，该电容器单元仍然可以正常运行，损失 的电容器容量较小。 １＿２无熔丝电容器 无熔丝电容器是指在电容器组和电容器单元 中，既不装外熔丝也不装内熔丝。无熔丝电容器的 图１ 天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容器组单相结线图 每个电容器单元内部由多个电容元件串并联而成， 电容器内部元件故障时，绝缘介质击穿将故障元件 短路。 １＝＝ ＝＝１５ ｅｌｅｍｅｎｔｓ；＝ ２丰 ３丰 ４牟 ＝ 字 ÷ ± 士 为降低一个元件击穿时引起其它完好元件上 的过电压和整个电容器组的电容变化率，无熔丝电 图２天平ｌ线串补ＦＳＣ电容器单元结构图 困 ２０１４．１、２（总第１６５、１６６期） 分析与探讨 ＧＵＡＮＧＸＩ ＤＩＡＮ ＹＥ 虞 守景 表１ 天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容器组（单相）参数 表３罗百Ｉ线串补电容器组（单相】参数 名称 额定容量（ＭＶａｒ） 参数值 ３５０．４ １ 名称 参数值 额定电容（ Ｆ） 额定容抗（０） 额定电流（Ａ ） 额定电压（ｋＶ） 串联单元数（个） 并联单元数（个） １０９ ２９．２ ２Ｏ００ ５８．４ ８ ２２ ｌ额定容量（ＭＶ ） Ｉ额定电容（ Ｆ） ｌ额定容抗（Ｑ） 】额定电流（Ａ ） 额定电压（ｋＶ） ６６９．４ １０３．９９ ３０．６１ ２７ｏｏ ８２．６ 串联单元数（个） 并联串数（串） ８ ８４ 表２天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容器单元参数 表４罗百Ｉ线串补电容器单元参数 名称 参数值 名称 额定容量（ｋＶａｒ） 额定电容（ Ｆ） 参数值 ３３２．０ ９．９ 额定容量（ｋＶａｒ） 额定电容（ Ｆ） ６６４ ３９．４ ６电容器元件电容值 额定电压（ｋＶ） 并联元件数（个） 串联元件数（个） ２－２百色串补站罗百Ｉ线串补电容器 １０．６７ ７．３ ｌ５ ４ 电容器元件电容值 额定电压（ｋＶ） 串联元件数（个） ２９．７ １０．３３ ６ 并联元件数ｆ个） ２ 百色串补站罗百Ｉ线串补每相电容器组采用两组电容器 ３ 电容器组不平衡保护介绍 ３．１ 平果可控串补站天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容器组 并联的接线方式（如图３），每个电容器组由４２个“电容器单元 串”并联而成，每个“电容器单元串”有８个电容器单元串联。 每组电容器各配备一个不平衡ＣＴ，两ＣＴ电流之差即为该相 电容器组的不平衡电流。 在天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容器Ｈ型桥式连接方式中，电容 器安装时根据各单元的实测参数进行计算、配组，使得四个桥 臂参数均相等，理想情况下不会有电流流经桥臂中的电流互 感器。当某个桥臂出现电容器元件损坏时，四个桥臂不再平 每个电容器单元由１２个元件通过６串２并构成（如图４）。 电容器基本参数如表３、表４。 ｊ衡，于是有不平衡电流流经桥臂ＣＴ。 Ｉ 毒 ● Ｉ牟 车 【 。 ｊ ‘ 【 ’Ｉ 宰 Ｉ宰 ｝１ 车 电容器组不平衡保护系统分有不平衡比率差动和不平衡 绝对值两种计算判别方式。不平衡保护分为告警段、低定值旁 路段和高定值旁路段。不平衡保护告警段与低定值旁路段采 用比率差动判别，经较长延时后动作，而高定值旁路段则直接 采用不平衡电流作为动作值，经短延时动作出口。为避免动作 丰 ８ ｕｎｉｔｓ＝＝ 毒 ！ 士 ｉ ＝＝４２ ｓｉｅｒｉｅｓ 丰 ｌ＝＝ 丰 ＝＝【 值靠近零值时动作的不确定性，不平衡保护系统设置了电容 器电流启动阈值。 不平衡保护动作判据： 图３罗百Ｉ线串补单相相电容器组接线图 不平衡告警判据：Ｉ～＞ＵＮＭ＆ＲＡＴＩＯ￣ｂ＞ＵＮＡ 低定值旁路判据：Ｉｒ皿＞ＵＮＭ＆ＲＡＴＩＯ￣＞ＵＮＢ ～— 高定值旁率判据：Ｉ ＞ＵＡＢＳ 式中： ＲＡＴＩＯ￣：不平衡比率（ＲＡＴ１０ Ｉ．ｍｂ，Ｉ ） 卜王 三 ６ ｅｌｅｍｅｎｔ正 工＿一—工 王｛ 工 ］＿ ２ ｅ】ｅｍｅｎｔｓ Ｉ ：电容器组不平衡电流 Ｉ ：电容器组总电流 ＵＮＭ：不平衡电流启动阀值 ＵＮＡ：不平衡比率告警定值 图４罗百Ｉ线串补电容器单元结构图 ２０１４．１、２（总第１６５、１６６期） 衄 廑 室搽 ＧＵＡＮＧＸＩＤＩＡＮＹＥ 分析与探讨 ４．１．２一电容器单元有ｋ个元件损坏 ｃ （ｂ 一ｋ）． ＵＮＢ：不平衡比率旁路定值 ＵＡＢＳ：不平衡电流旁路定值 ３＿２百色串补站罗百Ｉ线串补电容器组 受损单元电容值 ’Ⅲ：＝ 罗百Ｉ线串补采用两电容器组并联的结构，每组分别配置 两个不平衡电流互感器（ＣＴ３、ＣＴ３０），把ＣＴ３和ＣＴ３０二次绕组 Ｃ ｂ（ 避一）ｋ ＋ （Ｃ （ １）＋ｃ ）・ （Ｃｕｔ ｎ 一１）＋ｃ’ ）＋＿Ｌ ａ ｔ 回路头尾相接后的回路电流作为电容器组的不平衡电流值。 不平衡保护系统分有不平衡比率差动和不平衡绝对值两 种计算判别方式。不平衡保护分为不平衡告警段和不平衡旁 路段。动作判据如下： 受损单元所在臂电容值：Ｃｔ 一——一— 一 受损单元所在臂电流：Ｉ’ｍ＝Ｉ Ｘ＋不平衡告警判据：Ｉ ＞ＵＮＭ＆ＲＡＴＩＯ ｍｂ＞ＵＮＡ 不平衡旁路判据：（１）Ｉ ＞ＵＮＭ＆ＲＡＴＩＯ￣，＞ＵＮＢ （２）Ｉ ＞ＵＡＢＳ 受损单元所在臂电压：Ｕ’ ：Ｉ’ ’ 受损单元电压：Ｕ ｕ，－Ｕ— ——！ ——一 ＋（ｃ （ｎ 一１）＋ｃ『ｌ ＿） ＩＴＩ广ｌ 式中： ＲＡＴ１０ｕｎｂ：不平衡比率（ＲＡＴＩＯ，￣＝ＩＪＩ一） Ｉ ：电容器组不平衡电流 Ｉｃａｐ；电容器组总电流 ＵＮＭ：不平衡电流启动阀值 ＵＮＡ：不平衡比率告警定值 受损单元中与损坏元件并联的健全元件电压： ｜ｂＩ ＵＩｅｔ－Ｕ ｕｔ 生＿Ｌ ＋ｃ （ｂ 一ｋ） 不平衡电流：Ｉ．ｍ＝ Ｉ Ｘ＊ａ两ｔ－Ｘａｌ 不平衡比率：ＲＡＴＩＯ ｍｈ＝ ×１００％ ＩＮｔ ＵＮＢ：不平衡比率旁路定值 ＵＡＢＳ：不平衡电流旁路定值 单元过压水平：Ｒ ＝（｛ 一１）×１００％ ４ 电容器出现元件损坏时电容量变 受损单元中与损坏元件并联的健全元件过压水平： Ｒ ：（． 一１）×１００％ Ｔ Ｔ＇ 化、过压水平及不平衡电流计算 ４．１ 平果可控串补站天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容器组 天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容器元件故障计算（如表６） ＩＥＥＥ ｓｔｄ Ｃ３７ ９９—２０００标准规定：电容器元件过电压水平 不能超过５０％，电容器单元的整体过电压水平不超过１０％。因 此，当损坏元件达到７个时，电容器单元的过压水平超过 ５０％，电容器不平衡保护系统即发旁路命令将串补退出运行。 ４＿２百色串补站罗百ｌ线串补 电容器的损坏一般是以电容器元件为单位。由天平Ｉ线串 补ＦＳＣ电容器单元的结构可知：某个电容器单元出现元件损 坏时，该单元的电容值减小，所承受的电压相应升高；该单元 内部与损坏元件并联的其它元件承受的电压亦有较大程度的 升高，这些电容元件的运行环境劣化，加大了损坏的几率。因 无熔丝电容器出现电容元件损坏时，损坏的电容元件形 成短路。由罗百Ｉ线串补电容器组的接线方式可知：电容元件 损坏将造成受损单元所在电容器单元串内的其它电容器过 压。（见表７） 此，在理论计算中，我们考虑的是损坏元件全部位于同一单元 且相互并联的情况，此种情况中，过压情况也最严重。下面我 们对电容器出现元件损坏时电容量变化、过压水平及不平衡 电流进行计算、分析。（如表５） ４．１．１正常运行状态 电容器单元电容值：ｃ ｔ： ａｔ 表５天平Ｉ线串补物理量符号表示 单臂电容值：Ｃ ： ｍｔ 物理量 电容器元件电容 电容器单元电容 单臂电容 参数符号 Ｃ ｔ Ｃ ｔ Ｃ 物理量 单臂电压 单元电压 元件电压 参数符号 Ｕ Ｕ 【 Ｕ 单臂电流：Ｉ ＝ 单臂电压：ｕ ＝Ｉｍ）（ 单个电容器单元电压：Ｕ ： ｍｔ 单臂容抗 不平衡电流 Ｘｎ Ｉ 每相电容器组额定电流 单臂电流 ＩＮｔ Ｉ 每单元串联元件数（个） 单个电容器元件电压：Ｕ ： 一 ａｔ ｈｔ 单臂串联单元数 单臂并联单元数 Ｉｍｔ ｎｔ 每单元并联元件数（个） ２０１４．１、２（总第１６５、１６６期） 衄 分析与探讨 ＧＵＡＮＣＸＩＤＩＡＮ ＹＥ ｇ，ａ，ｆ４ｔ ４．２．１正常运行状态 受损单元所在串的电容值：ｃ・ ＝ ａ． ａｌｍ广ｋ ～ 电容器单元电容值：ｃ 电容器单元串电容值：ｃ ＝ ＩＴｌ 受损单元所在组的电容值：ｃ’ｄ＝ｃ （ｎ－一１）＋ｃ’ 受损单元所在串的电流： ’ ：Ｉ Ｃｄ 不平衡电流：Ｉ’ ＝Ｉ Ｃ Ｉｒｔ￣单组电容值：Ｃｏ＝ｎｌＣ 电容器单元串电流：Ｉ ＝Ｉ — Ｉ＿ 二儿１ ｃ． ４．２．２一电容器单元有ｋ个元件损坏 受损单元电容值：Ｃｔ ： 不平衡比率：ＲＡＴＩ（）¨ 藉｝×１００％ 受损单元所在串其它电容器单元的过压水平： Ｒｍ＝（ Ｕｌｕｔ一１）×１００％＝（２ｌＣｎ＇ｓ乙 ｌ ２ｎｒ－ｌｌｊ 一１）×１００％ 置榀单元所存串其 申容器单元的讨乐 表６天平ｌ线串补ＦＳＣ电容器元件故障计算表 水平： （ 一损坏 单元 单元 与损坏元件并联的 不平衡 不平衡 不平衡 元件数 电容值 过压 健全元件 电流 比率 保护 （个） （ｇＦ） 水平 的过压水平 （Ａ） 动作情况 ｌ ２ ３ ３８．９４ ３８．１７ ３７．３１ ０．１４％ ０＿３０％ ０．４７％ ５．４１％ ｌ１．４４％ １８．２Ｏ％ ０．２０ ０．４２ ０．６７ ０．０１０％ ０．０２１％ ０．０３４％ ＿１）×１００％＝‘ １）ｘ １００％ 罗百Ｉ线串补电容器元件故障计算（见表 ８） 同样，根据ＩＥＥＥ ｓｔｄ Ｃ３７ ９９—２０００标准的 告警 告警 告警 ４ ５ ６ ３６．３４ ３５－２４ ３３．９８ ０．６７％ ０．８９％ １．１５％ ２５．８３％ ３４．５２％ ４４．５０％ ０．９５ ０．０４８％ １．２７ ０．０６４％ １．６４ ０．０８２％ 规定，当损坏元件达到５个时，电容器单元过 压水平超过１０％，电容器不平衡保护系统即发 旁路命令将串补退出运行。 『 ７ ８ ３２．５３ １．４５％ ３０．８３ １．８０％ ５６．０７％ ６９．６７％ ２．０７ ０．１０３％ 旁路 ２．５７ ０．１２９％ 旁路 注：表６中不平衡电流值对应的线路电流为额定电流２０００Ａ。实际不平衡电 ５ 受损电容器单元排查方法 从以上分析可知，当运行中的串补电容器 流可由表中数值进行折算。实际不平衡电流为表中数值乘以（Ｉ￣／ｌＯＯＯ） Ｉ为实际 线路电流。 表７罗百Ｉ线串补物理量符号表示 组不平衡电流异常增大，串补发电容器不平衡 告警信号时，应将串补退出运行。并派检修人 参数符号 Ｕ¨ｌ 物理量 电容器元件电容 参数符号 Ｃ。ｌ 物理量 单元电压 员上串补平台对电容器进行检查测试，查找出 电容器单元电容 单组电容 单串电容 每相电容器组额定电流 电容器单元串电流 不平衡电流 Ｃ ｌ Ｃｇｌ Ｃ ｌ ＩＮｌ Ｉｓｌ Ｉ ｌ 元件电压 每串电容器单元数 每组并联串数 每单元串联元件数（个） 每单元并联元件数（个） Ｕ。ｌ ｍｔ ｎｌ 巩 ｂ１ 现元件损坏的电容器单元。对于不平衡电流接 近告警值的情况，也可将串补退出运行进行检 查。 内熔丝电容器组与无熔丝电容器组由于 接线方式的不同，故障查找方法也不相同。 现场所使用的电容表的测试电压一般不 超过３０伏，远低于电容器的额定电压，测试数 据与电容单元的铭牌值（出厂值）有一定偏差。 表８罗百ｌ线串补电容器元件故障计算表 因此，在串补投产前电容器完成接线后，应采 用相应的方法通过电容表对串补电容器进行 电容量测试，将测试数据作为今后故障排查所 损坏 单元 电容单元 电容 不平衡电流 不平衡 不平衡保护 单元数 电容值 过压水平 元件 （Ａ） 比率 动作情况 （个） （ Ｆ） １ ２ ３ １１．８８ １４．８５ １９．８ ２．１０％ ４＿２９％ ６．５８％ ２．１Ｏ％ ４．２９％ ６．５８％ ０．６８ １．４０ ２．１４ ０．０２５％ ０．０５２％ ０．０７９％ 需的初始参考数据。串补投运后，每２－３年也 应对串补电容器进行全面测试。为了便于将来 告警 旁路 ４ ５ ２９．７ ５９．４ ８．９７％ ８．９７％ ２．９２ ３．７３ ０．１０８％ ０．１３８％ 查找故障电容，要求每次测试均使用相同的仪 器。 ５．１ 平果可控串补站天平Ｉ线串补ＦＳＣ电容 ｌ１．４７％ ｌ１．４７％ ６ ０ １４．０９％ １４．０９％ ４．５８ ０．１７０％ 旁路 注：表中不平衡电流值对应的线路电流为额定电流２７００Ａ ２０１４．１、２（总第１６５、１６６期） 皿 虞 它揲 ＧＩＪＡＮＧ ＸＩ ＤＩＡＮ ＹＥ 分析与探讨 测出故障电容单元。 器组 天平Ｉ线串补电容器单元采用的是先并后串的连接方式， 且电容器接线不便拆除。只能使用带钳形ｃＴ的专用电容测试 电桥（如ＡＢＢ ＣＢ１０型电容测试电桥）进行测试，测试时要求 逐一测试每个电容器单元，直至找出故障单元。 ５．２百色串补站罗百Ｉ线串补电容器组 ６ 结语 串补工程使用的电容器分为内熔丝电容器和无熔丝电容 器。为减少内部元件损坏后在健全电容器上引起的过电压水 平，改善暂时电流耐受能力，这两种电容器的结构与接线均不 同。内熔丝电容器单元内部并联元件较少，串联元件较少，电 容器组采用先并后串的接线方式。无熔丝电容器单元内部串 联元件数较多并联元件数较少，电容器组采用先串后并的接 线方式。 罗百Ｉ线串补电容器组采用的是“先串后并”的连接方式。 在不拆除电容器接线的情况下，可以先对“电容单元串”进行 检测，找出故障单元所在的串，然后在该串再进行检测，即可 查出故障单元。罗百Ｉ线串补电容器故障单元查找不要求必须 使用专用电容测试电桥，在测试精度满足要求的前提下，各类 电容表均可适用。 电容器不平衡保护是串补电容器最重要的保护之…，它 能够对运行中的串补电容器进行实时监测，灵敏的反映电容 串补装置处于检修状态时，串补平台进、出线的接地刀闸 均为合闸位置，电容器组两端通过地网被短接。由此，我们可 按图５（１）所示对罗百Ｉ线串补“电容单元串”进行检测：先测 量１～４号电容单元串与５－８号电容单元串并联后的电容值， 确定故障单元所在的串。找出故障单元所在串后，再按图５（２） 所示图逐一测试串内各电容单元，测试数据为该电容器单元 器内部故障。一旦电容器出现元件损坏故障，可通过不平衡电 流分析、判断出故障元件数目和健全电容器上的过压水平。 在故障电容器查找过程中，对于内熔丝电容器组，需要使 用带钳形ｃＴ的专用电容测试电桥，逐一测试每个电容器单 元，工作量较大；对于无熔丝电容器组，查找工作则相对简单、 快捷。 与串内其余７个单元并联后的电容值。 通过理论计算可知（如表９），出现１－２个电容器元件损坏 时，４ｓｒｔｉｎｇ／／４ｓｒｔｉｎｇ及１／／７ｓｒｔｉｎｇ的电容值明显增大，由此可以检 参考文献： ［１］Ｐｉｎｇｇｎｏ ＴＣＳＣ Ｐｒｏｊｅｅｔ，＂Ｂａｓｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｐｏｒｔ ＦＳＣ Ｓｅｇｍｅｎｔ【Ｒ】． 表９罗百Ｉ线串补故障电容器排查参考表 Ｇｅｒｍａｎｙ．ＳＩＥＭＥＮＳ，２００３． 电容值（ｔｘＦ） ［２］Ｐｉｎｇｇｕｏ ＴＣＳＣ Ｐ州ｅｃｔ：Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ＦＳＣ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ［Ｒ］．Ｇｅｒｍａｎｙ．ＳＩＥＭＥＮＳ，２００３． ｌ电容连接 正常 情况 １ 出现元件损坏 ２ ３ ４ ５ 【３］Ｐｉｎｇｇｎｏ ＴＣＳＣ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ［Ｒ］．Ｇｅｒｍａｎｙ．ＳＩＥＭＥＮＳ， ２００３． 单个电容器单元 ９．９ １１．８８ １４．８５ １９．８ ２９．７ ５９．４ ４ ｓｒｔｉｎｇ／／４ ｓｒｔｉｎｇ １／／７ｓｒｔｉｎｇ ４．９５ ７．８８ ８．４２ ９．０８ ９．９Ｏ １０．９６ １１＿３１ １３．２９ １６．２６ ２１．２ｌ ３１．１１ ６０．８１ 『４】ＢＡＩＳＥ ＦＳＣ Ｐｒｏｊｅｃｔ：ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ＆ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ［Ｓ１．ＵＳＡ：ＧＥ，２００５．． ［５］ＢＡＩＳＥ ＦＳＣ Ｐｒｏｊｅｃｔ：ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｄｅｓｉｎ ｓｔｇｕｄｙ［Ｒ］．ＵＳＡ：ＧＥ，２００５． ［６］房金兰．无熔丝电容器技术的发展与应用Ｕ】．电力电容器与 无功补偿，２００８，２ ２９（１）：１－３ 【７】祝谦，刘相．平果可控串补本体保护介绍［Ｊ１＿电网技术， ２００４，２８（１６）：７３—７７． 【８１樊口，向铁元，权白露．串联补偿装置电气设计与实现【Ｊ】．高 电压技术，２００３，２９（５）：５５—５７． （１）查找故障单元所在串 （２）查找故障单元 图５罗百ｌ线串补故障电容器查找示意图 ２０１４．１、２（总第１６５、１６６期） 圃
