无功补偿电容器故障机理研究

专业学位硕士学位论文无功补偿电容器故障机理研究作者姓名谢建容学科专业电气工程指导教师刘刚副教授所在学院电力学院论文提交日期2011年10月华南理工大学硕士学位论文TheResearchofReactivepowercompensationcapacitor’sFaultmechanismADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XieJianrongSupervisor：Prof.LiuGangSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou，China2分类号：学校代号：10561学号：华南理工大学硕士学位论文无功补偿电容器故障机理研究作者姓名：谢建容指导教师姓名、职称：刘刚副教授郑风雷高工申请学位级别：工程硕士学科专业名称：电气工程研究方向：电力系统论文提交日期：2011年月日论文答辩日期：年月日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：委员：华南理工大学硕士学位论文华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保密论文外）；可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于：□保密，在年解密后适用本授权书。□不保密,同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社全文出版和编入CNKI《中国知识资源总库》，传播学位论4文的全部或部分内容。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：指导教师签名：日期：作者联系电话：电子邮箱：联系地址(含邮编)：华南理工大学硕士学位论文I摘要IIAbstract华南理工大学硕士学位论文-1-第一章绪论1.1选题背景及研究意义供电企业重要生产工作就是向用户经济可靠地提供电能，并且在电能质量的电压、谐波方面进行合理调节。因此，普遍在变电站内安装10kV并联无功补偿电容器组(以下简称电容器组)作为调节无功功率与电压的主要设备，电力电容器的组数和容量也随着电网发展而迅速增长。10kV并联电力电容器组通常由电容器、熔断器、串联电抗器、避雷器、放电线圈及相应的继电保护装置组成。并联电容器工作特点是交流电流相角超前于电压相角90度，用于向接入处提供无功功率；现在使用的电容器绝大多数采用全膜结构，是国内外最先进的结构形式，其介质损耗因素低至0.02%以下，但其工作场强高达50~60kV/mm。电容器组的组成设备较多，设备选型、安装布置形式差别很大，如果电容器组质量不高、而且与运行环境不适应，则容易出现电容器的本体损坏、电容器组的故障率偏高。在运行过程中，电容器绝大多数不是由雷电过电压引起损坏的，而是在稳态运行情况下的某些特殊条件发生介质击穿，因此，十分有必要开展电容器运行中的各运行条件对电容器损坏的影响研究，找出研究电容器的损坏原因及相关问题，以降低电容器运行损坏率，提出相应措施提高电力电容器组的运行可靠性。1.2国内外研究现状由于国外生产采用的新材料和新工艺不断提高，电容器的性能也日渐改善，表现在电容器的可靠性和功率密度提高、内部工作温度提高、滤波电容的工作频率提高和使用寿命延长。国外绝大部分国家均采用分体式电容器构成电容器组，没有发展集合式的电容器组。外国曾对配电网电容器在10年间的运行状况进行研究，通过对损坏形式、损坏物理原因进行统计分析，为提高电容器运行的可靠性，对供电企业和电容器生产厂提供有益的建议。操作过电压影响：在电容器的过流、过电压、自动重投等方面具有智能控制，使电容器的投切更合理，使电容器投入时冲激电流较小，过电压时启动电容器保-2-护。部分电容器组采用油开关作为电容器的投切设备，由于开关的重燃性，浪涌电流对电容器组的冲击大，分合电容器的过渡过程中会出现比稳态高的电压，展开了理论分析。电网谐波影响方面：大量非线性电力电子设备接入电网中，使得电力谐波污染加重，用于工频的并联无功电容补偿器，电网的高次谐波对电容器的电介质和有效电流影响很大，会加速电介质的老化。温度对介质老化影响：电容器在一天内温差变化大，会导致材料的膨胀收缩不均匀，易产生气隙，可加剧电容器的局部放电，电容器过高的运行温度将降低绝缘介质的介电强度，造成热击穿。电容器质量缺陷影响：电容器有四类典型的质量缺陷，都将导致局部的电场畸变，易发生局部放电，加速老化，甚至会导致电容器的早期失效。国内对电容器损坏研究集中在个别站或者特定问题上，主要在电容器的保护熔丝的特性选择、保护动作原因分析、事故的分析与反措、谐波对电容器影响的理论分析、防止过电压的措施、电容器维护等进行探讨。结合地区电网特点，对整个地区的电容器组进行统计分析并深入研究的资料未见报道。国内电容器经历了膜纸电容器向全膜电容器转变的阶段，现全面生产全膜电容器，新产品的投运，故障率反而有较大的上升，引起了用户及厂家的重视，促进了制造及运行单位对电容器使用寿命影响的研究，以期降低电容器的故障率、提高电容器的可靠性。西安电力电容器研究所在温度、电压、谐波、涌流等对电容器的理论分析有所研究，特别是操作过电压、温度对寿命估计的影响开展了研究，但只是在理论层面的研究，没有结合典型的环境及有代表性的电容器进行研究。其他的谐波研究也是针对电气牵引变电站谐波治理的方面，没有深入探讨谐波对电容器的影响程度。国内相关厂家主要集中在电容器的设计、材料、散热和生产工艺等制造方面的问题，对于用户的运行要求没有足够的关注。如电容器组配套的断路器没有严格按投切容性负荷进行选择。用户集中在使用条件、事故分析方面开展故障原因分析、反措措施制定等工作，对于类似的运行条件及故障的查找有一定参考价值，没有从多因素方面进行华南理工大学硕士学位论文-3-全面统计、深入研究分析电容器的损坏规律。1.3课题研究主要内容及意义1.3.1主要研究内容本课题主要完成而来以下研究内容：（1）统计及分析东莞地区10kV无功补偿电容器的故障数据，找出故障规律；（2）分析温度对电容器运行的影响，研究有效散热面积与电容器外壳散热的关系；（3）介绍了四种电容器的典型质量缺陷，并一一进行了电场仿真，分析该四种典型缺陷对电容器元件的局部放电及击穿的影响；1.3.2研究意义本课题的研究，为电容器的设计、选型及运行维护方面提供了工程意义上的参考，对于降低10kV无功补偿电容器的故障率有比较重要的意义。-4-第二章电容器击穿故障统计分析2.1统计的数据范围根据《2009年东莞供电局电容器类工作总结》及附件，其中《09年电容器缺陷汇总》详细列出了2008年9月之后，2009年全年，2010年4月之前的故障电容器组数据，共记录了195条。2009年原有220kV变电站25座，共配置426组电容器组、总容量为3800.136Mvar；110kV变电站108座，共配置686组电容器组，总容量为3594.368Mvar，电容器组形式大多数为框架式，单台容量以334kvar为主。2009年新增10kV并联电容器组104组、容量共为829.104Mvar。2.2故障电容器组的统计根据《09年电容器缺陷汇总》数据表中记录的故障描述可知，电容器组的故障涉及到电容器及其他附件，包括串联电抗器、接地刀闸、连接母线及软导线、避雷器、熔断器、放电线圈、中性CT、中性避雷器、围栏等。因此，故障的各类统计主要以电容器组进行统计，也突出电容器个体的损坏统计。由于需要研究导致电容器击穿故障的影响因素，首先对总数据进行初步筛选，筛选出各类击穿故障再进行统计分析。电容器故障分本体故障及其附件故障。对于研究电容器击穿故障，其附件的故障不具有统计分析价值，所以首先把总数据中附件故障都一一排除。再根据理论分析和现场运行经验从各种电容器本体故障中找出击穿故障。统计的击穿故障有：电容值变化、电容器鼓肚、群爆故障。2.3选取击穿故障的必要性及依据由国内电容器多年运行的经验可知，电容器的故障多是电容器本体的故障，并且本体故障中多是击穿性的不可修复故障。有东莞提供的09年电容器故障记录数据也充分的验证了上述现象，东莞09年电容器总故障数为183次，其中电容器本体故障占140次，比例达到76.503%。而其中的电容值变化、鼓肚、爆炸等电容器击穿类故障高达116次，占总体故障的63.388%，电容器本体故障的82.857%。由上述数据可以看出对电容器击穿故障的研究具有相当的必要性，为华南理工大学硕士学位论文-5-了完成故障的表面现象向内在机理的研究进程，初期的击穿故障收集与统计分析必不可少。从东莞提供的09年电容器故障表中可知：电容器本体故障有电容变值、绝缘降低、渗漏油、鼓肚、群体爆炸事故。而电容值变化、鼓肚、群爆故障是由于谐波、过电压、开断涌流等原因导致聚丙烯薄膜承受过高的电压，电场陡增，从而薄膜被部分击穿或全部击穿的严重故障。为了研究聚丙烯薄膜的击穿原理，需要对以上三种击穿类故障从故障时间、运行环境、故障站点方面进行统计分析。2.4基于生产厂家的统计所统计的数据涉及生产厂家包括220kV和110kV变电站电容器组的所有厂家：桂林电力电容器厂、无锡电容器厂、锦州电容器厂、西安电容器厂、日新无锡电容器厂、上海库柏电容器厂、顺德润华电容器厂。2.4.1各厂家击穿故障占全部击穿故障的比率在统计时间段内，以电容器组击穿类故障总数作为基数，分别对7个电容器厂家的击穿故障进行统计。厂家的故障率=该厂故障组数/故障总组数。表2-1厂家电容器组击穿故障占故障总数的比例厂家名称击穿类故障电容器组数故障率%无锡电容器厂2954.716桂林电力电容器厂1426.415锦州电容器厂23.773西安电容器厂35.660日新无锡电容器厂23.773上海库柏电容器厂11.886顺德润华电容器厂23.773总计53100由上表可知，无锡电容器厂和桂林电容器厂产品发生的击穿故障居于前两位，分别是29次，14次，占总故障数的54.7165%与26.415%。其他5个厂家的故障率均低于6%，此现象与东莞供电局使用无锡电容器厂与桂林电容器厂的产-6-品基数较大有关。2.4.2厂家自身击穿故障率对比统计东莞供电局所使用各厂家的电容器组数量不同，单单考虑各厂家电容器故障组数不能完全反应各厂家产品可靠性，所以还需要从厂家自身故障率这个角度进行统计分析。厂家自身击穿故障率=该厂击穿故障电容器组数/该厂在用的数组表2-2厂家自身击穿故障率统计厂家名称击穿电容器组数在用组数厂家击穿故障率%无锡电容器厂2914020.71桂林电力电容器厂145522.53锦州电容器厂21612.5西安电容器厂3793.80日新无锡电容器厂22340.85上海库柏电容器厂1601.67顺德润华电容器厂21910.53有上表可知，无锡电容器厂的自身击穿故障率最高，高达20.71%，质量在同类产品中最差。而日新无锡电容器厂的击穿故障率最低，仅仅只有0.85%，单从统计数据来看质量最好，桂林电力电容器厂、西安电容器厂、上海库伯电容器厂的自身击穿故障率都较低在1.67%~3.8%之间。锦州电容器厂与顺德润华电容器厂的故障率在10%左右。部分厂家的使用量较低，所以统计出的故障率偏差也会较大，其可靠性等实际情况还需进一步通过长期运行来观察。在投入电容器组数超过60组的电容器厂家中，击穿故障率从高到低依次为：无锡电容器厂、西安电容器厂、桂林电容器厂、上海库伯电容器厂、日新无锡电容器厂。2.5发生击穿故障月份的统计根据《09