10kV變電站無功補償裝置可靠性和保護技術

10kV變電站無功補償裝置可靠性和保護技術
1）投切開關是影響變電站10kV無功自動跟蹤補償裝置可靠性的主要因素
在10kV無功補償裝置中，電容器投切開關與普通負載的高壓開關的要求有很大差別，除了短路分斷外其它性能指標均比普通高壓開關要求還高，幾年來電容器投切開關一直是影響10kV無功自動補償裝置可靠性和安全性的關鍵問題。
⑴頻繁動作
變電站10kV無功自動補償裝置中的電容器投切開關，要跟蹤變電站的負荷變化開合動作投切電容器，每天可能要開合幾次甚至十幾次，遠比普通用途的高壓開關動作頻繁。普通開關長時間的頻繁動作難以做到不出故障，電容器投切開關不能勝任頻繁動作一直是影響裝置可靠運行的主要原因。
⑵湧流對開關觸頭的燒損
在電容器投入的瞬間會產生湧流，其頻率約為250～4000Hz。單獨一組電容器的合閘湧流約為額定電流的5～15倍，大小和時間取決於係統電源的阻抗和電容器容量的大小，多組電容器逐級投入時，會產生追加合閘湧流，約為電容器額定電流的25倍～250倍，大小主要取決於已投入電容器組與追加投入電容器組間的阻抗。即使裝有串聯電抗器合閘湧流仍在數倍以上，特別是合閘有彈跳的湧流會更大。普通負載的開關合閘分閘時沒有以上現象。所以投切電容的開關要求：合閘彈跳時間要短，觸頭壓力不能太小，以承受合閘湧流的衝擊、減小觸頭燒損。
⑶開關重燃是影響補償裝置安全的重大隱患
切電容時，分閘開始時刻可能在交流電的正半周峰值或負半值峰值，而開關的分閘時間一般都在10毫秒左右，約為交流電的半個周期。分閘時電容器保持了交流電的正半周或負半周的峰值，分閘後電容器保持的電勢和電網上交流電的峰值疊加在開關觸頭的間隙上，若不考慮其它因素開關觸頭間隙上的電壓約為2～3倍的額定電壓。一般情況下，電容器都串有電抗器，在分閘的瞬間都帶有複雜的振蕩，所以在分閘後的瞬間加在開關觸頭間隙上的電壓可能是幾倍的額定電壓，開關觸頭間隙要盡量大，以承受分閘時的過電壓避免重燃。
切電容器時真空開關一旦發生重擊穿，很有可能連續多次重擊穿，就會產生很高的過電壓，電容器和真空開關滅弧室都有可能引起爆炸，對係統的運行安全造成重大危險。 電容器是儲能元件，在電網上並聯運行時它的充放電是隨交流電的周期變化而變化的，分閘後的瞬間，電容器兩端保持了分閘時的交流電的瞬時電壓，同時儲存了一定的能量。如果開關的觸頭間隙不夠大、真空度不夠高、開關彈跳等原因造成觸頭間絕緣耐壓不夠都會發生重擊穿。第一次重擊穿一旦發生電容器上就又保持了第一次重擊穿時的電壓，數值大小約為2倍以上的額定電壓，第二重擊穿更容易發生。第二次重擊穿發生後電容器上的電壓就會更高，第三次重擊穿就更不可避免了。這樣惡性循環電容器上的電壓一次比一次高，直至到某種保護起作用切斷電源，或電容器和開關發生爆炸上一級保護動作切斷電源重燃才能停止。開關重燃是影響電容器補償裝置安全的重大隱患。
從以上分析看，常規的斷路器開關因不適於頻繁動作不能使用。接觸器雖然適於頻繁動作但是因為觸頭壓力僅為斷路器的1/10或更小，承受電流衝擊能力差，觸頭燒損嚴重；觸頭間隙小切電容時易重燃。投切電容的開關應選用適合頻繁動作、重燃幾率小的斷路器或電容器投切專用開關。
2）電容器故障保護和事故保護
隨著電容器製造工藝和絕緣材料技術的提高，目前電容器在額定電壓下長期運行，故障率已降的很低。但是，如果電容器頻繁投切卻容易發生擊穿故障，特別是當投切開關出現重燃時，故障或事故就很有可能發生。一旦發生擊穿故障，就有可能引起電容器爆炸著火的事故。
根據多例故障電容器的解剖情況來看，電容器發生故障的開始大多是內部某一個單元串段發生擊穿，然後剩餘的某一個單元串段又發生擊穿，最後故障顯現出來或事故發生。如何及時發現電容器的早期故障，並盡快切除故障電容器，是保證高壓無功自動補償設備安全運行、避免爆炸事故發生的根本條件。
⑴電容器故障分析

單隻高壓電力電容器內部是由多個小單元電容器串聯而成，如10kV係統的電容器一般有4個組或5個組單元電容串聯而成，額定電壓就分配在幾個單元電容器上（如圖），某個電容器損壞時，首先是內部一個單元電容發生擊穿損壞，使剩下的單元電容運行電壓升高，這時電流增大很小，電容器繼續運行，由於每個單元電容的運行電壓提高，很快又出現某個單元電容損壞，剩下單元電容運行電壓又被提高，這隻電容器此時有可能已經出現鼓肚，重者出現鼓裂、漏油。這樣繼續運行下去，很可能會造成這隻電容器由鼓肚、鼓裂、漏油到起火爆炸。
根據實際運行經驗和對多起被燒毀電容器的解體分析證明，電容器組的爆炸起火一般僅是某一隻電容器爆炸起火所引起的，而某一隻的爆炸起火是因電容器內部幾個串聯單元中有被擊穿損壞的單元不能被發現繼續運行造成的，雖然故障發展到起火爆炸的惡性事故，但故障的過程電流的變化依然不大，熔斷器和一般的過流保護是在事故發生以後才動作，事故可能已經發生了。
⑵故障保護和事故保護
分組電容器高壓無功自動補償裝置，通常有兩種連接方式：一種是通過斷路器把各組電容器直接連接在變電站母線上。另一種是通過分組投切開關（斷路器或負荷開關）把電容器組連接在補償裝置的母線上，再通過總開關斷路器連接在變電站母線上。

各組電容器通過斷路器直接連接變電站母線的方式，適用於分組要求較少（單組或兩組）的自動補償裝置，每組電容器必須加短路事故保護和電容器故障保護。

總開關分開關小母線連接方式，適用於分組要求較多（3組以上）的自動補償裝置，總開關裝設事故保護，分開關裝設電容器故障保護。
電容器早期故障的發現，用常規的電流保護不容易解決，特別象熔斷器保護方式，因其參數離散性較大、靈敏度較低，不宜作為電容器的故障保護，隻能作為事故保護。電容器的故障保護應根據單組電容器容量大小和電壓等級（串段數量）不同選用以下保護方式：
① 單星相電壓式零序（開口三角）微機保護。（單組電容器容量較小時）；
② 多星相電壓式零序（開口三角）微機保護（單組電容器容量較大時）；
③ 單星相電壓差動微機保護（串段數較多單組容量較小時）；
④ 多星相電壓差動微機保護（串段數較多單組容量較大時）。