电力电容器常见故障分析及预防研究*

王肃朝，白宏伟，刘玉超

(国网陇南供电公司，甘肃 陇南 746000)

0 引 言

随着我国基础设施建设加速，电力系统容量快速增长，电网中感性电荷急剧增长，无功功率需求持续上升。电力电容器作为电力系统中重要的无功补偿设备，具有结构简单、运行稳定、使用灵活等特点，在电力系统中应用日益广泛。在电力系统长期运行中，受电力电容器生产质量、补偿回路设计和系统谐波污染等因素影响，容易产生电力电容器故障[1]，威胁电力系统长周期稳定运行，甚至引发大面积停电事故，严重威胁生命财产安全。从电力电容器常见故障来看，主要体现为内部电容元件击穿、熔丝熔断、内部短路故障、外部放电故障等[2]，故障原因多样，给电力电容器故障预防和维修造成一定的困难。笔者结合电力电容器常见故障现象，深入研究了电力电容器故障原因，并针对性提出了电力电容器常见故障预防措施，以期降低电力电容器故障发生风险，提高电力系统运行可靠性。

1 电力电容器常见故障机理研究

电力电容器是用于电力系统和电工设备的电容器，由任意在两块金属导体、中间绝缘介质隔开[3]。电容器的大小取决于几何尺寸和极板间绝缘介质特性决定[4]，常见的电力电容器主要由壳体、电容器芯子、绝缘介质和进出线结构组成[5]，壳体多为薄钢板或不锈钢板，出线套管焊接在壳体上，电容器芯子由聚丙烯薄膜和铝箔卷制形成极板，壳体内充满绝缘油作为绝缘和散热介质。在电力系统中，电力电容器作为全密封设备，其故障类型主要包括内部电容元件击穿、熔丝熔断、外部放电故障和内部短路故障等，详见表1所列。

表1 电力电容器典型故障形成机理及风险

1.1 内部电容元件击穿

电容元件击穿主要是由于绝缘受潮、介质老化、生产质量和运行环境等原因导致[6]。当电容器内无内熔丝，则当电容器内单个电容元件出现击穿现象时，相邻电容元件可能出现短路现象，不再分担电容器工作电压，导致电容器内部串联回路电容元件承受的工作电压增大，并造成整个电容器故障[7]，当电容器内部存在内熔丝时，可在故障电容元件故障时及时隔离。根据电容元件击穿故障发生机理，可分为热击穿、电击穿和局部放电击穿等原因导致[8]，其中，热击穿形成机理主要为电容元件发热量过高，导致绝缘介质劣化、分解并引起电容元件击穿。电击穿主要是受过电压、高次谐波等因素影响，基板之间形成较高的电场场强，当场强达到击穿条件时发生电容元件击穿现象。局部放电击穿故障主要是电容器场强较高且达到击穿场强时出现的局部击穿现象，并引发绝缘介质劣化、老化[9]。在三种电容元件击穿故障中，热击穿故障特点是在电容器运行过程中发生且发生延续时间较长；电击穿特点是场强高、作用时间短，主要与场强和电场均匀程度相关；局部放电击穿特点为非连续性，即由非贯穿性局部故障逐渐演变为贯穿性击穿故障[10]。

1.2 熔丝熔断故障

熔丝保护是电力电容器主要保护措施之一，熔丝保护对电容器的安全稳定运行起到重要作用。当前，根据电容器熔丝保护方式可分为外熔丝保护和内熔丝保护两种，其中，内、外熔丝保护均可实现电容器电容元件保护、隔离作用。但在电容器投切操作中，由于电容器投切频繁、熔丝选型不当、熔丝接触不良等原因，可能造成非故障状态下熔丝异常熔断，从而造成电容器误动。同时，熔丝选型不当，可能当电容器达到熔丝条件未能起到相应的熔断保护作用，并可能引发严重事故。根据《低压并联电容器装置使用技术条件》(DL/T842-2003)规范要求，熔断器额定工作电流应按单组电容器额定电流2～3倍选型，以满足熔丝熔断保护要求[11]。

1.3 外部放电故障

电容器外部放电故障是指电容器壳体发生外部放电现象。外部放电故障主要由于外部因素引起，受电容器运行环境影响显著，一般可通过日常巡检、继电保护等方式及时发现和处理，其故障危害程度相对较低。

1.4 内部短路故障

电容器内部短路故障主要是电容器长期运行中绝缘介质老化、过电压、生产质量缺陷等原因引起的电容器极板对外壳短路或极板间短路现象。

综上所述，电力电容器故障形成受多方面因素影响，需结合故障现象具体分析故障原因，并采取相应的控制和预防措施。

2 电力电容器常见故障现象及原因分析

2.1 电力电容器鼓肚变形现象及原因

电容器鼓肚变形是最为常见的故障之一，其形成原因是电容器内部场强过高并发生局部放电或内部击穿故障时，绝缘介质劣化并分解产生大量气体，导致电容器内部压力增大，造成电容器壳体变形，如图1所示，形成明显的鼓肚变形现象[12]。一旦出现壳体变形故障，一般不能采取修复措施，只能通过更换方式解决。电容器鼓肚变形问题形成主要由于电容器产品质量缺陷，如极板质量差、浸渍液非吸气性电容器油、净化处理不合格原因等造成电容器生产质量不合格。当存在质量缺陷的电容器在高场强状态下持续运行时，极易发生内部击穿、鼓肚变形故障。因此，加强电力电容器采购质量把关是保障电容器稳定运行的重要措施。

图1 电力电容器鼓肚变形 图2 电容器绝缘介质渗漏

2.2 漏油故障现象及原因

由于电力电容器为全密封、高场强电力装置，当电容器密封性出现故障时，会造成绝缘油界面下降和绝缘水平下降问题，并可能因外部环境潮湿、空气进入而造成电容元件受潮，引发内部电容元件击穿放电现象，严重时可能引发电容器爆炸事故。电容器漏油故障高发于油箱焊缝、套管等部位，如图2所示，其主要原因是电容器壳体焊接工艺不良、厂家密封实验未严格按实验要求进行检验等原因导致[13]。同时，除焊接原因外，螺栓、螺盖焊接机械强度低、易脱焊、母线连接线螺杆受力拉扯焊口、搬运过程中提拉套管等都可能造成电容器焊缝开裂，进而引发漏油问题。轻微渗漏问题可采用环氧树脂和锡焊补焊解决，严重渗漏应停止投入使用。

2.3 电容器温升异常现象及原因

电容器温升异常主要是由于环境通风条件较差或长期过电流运行，导致电容器长期在较高温度下运行，导致电容器过流发热、加速老化等故障。根据电容器使用寿命与运行温度“8°”规则，当电容器运行温度超出设计运行温度时，其使用寿命缩短至设计使用寿命1/2。在日常巡检中，可通过热成像仪检测发热部位，如图3所示，并对易发热部位进行重点监测、处理。改善电容器运行环境通风条件，减少异常温升问题发生。

图3 电力电容器红外线测温 图4 电容器套管闪络放电短路

2.4 套管表面闪络放电故障现象及原因

电容器成套装置一般布置较为紧凑，运行状态下周围场强较高，易吸附空气中带电颗粒、灰尘，导致套管表面灰尘密度大，表面泄露电流增大，并在系统电压和电网谐波作用下，套管瓷瓶易出现局部沿面电弧放电现象，并产生放电异响，严重时可能产生对地短路故障，如图4所示。针对该故障，应定期清理套管表面灰尘，防止灰尘集聚过多引发闪络放电问题。

2.5 电容器异响现象及原因

在电力系统中，电容器属于静止无功补偿电气设备，正常运行状态下应静止无声运行。当电容器出现异响时，其主要原因可能是由于电容器内部存在局部放电现象导致，应立即停止运行并检查维修。

2.6 电容器爆炸现象及原因

电容器爆炸主要原因是由于极间游离放电造成极间击穿短路，并联运行的电容器对故障电容器持续充放电且超过故障电容器壳体承受能力时，可能造成电容器爆炸喷油现象，并引发爆炸火灾事故，如图5所示。针对电容器爆炸事故，一般可通过合理选型并安装保护熔丝预防和控制。当电容器发生击穿短路时，通过熔丝熔断电源，能够避免爆炸事故发生，并能够防止因故障电容器爆炸而连锁影响相邻电容器。

图5 电容器爆炸现场 图6 因接触不良导致电容柜接头熔断

同时，由于全膜电容器和纸膜电容器极间击穿短路特性存在一定差异，纸膜和全纸复合介质电容元件发生局部放电现象后，绝缘纸在击穿放电高温作用下碳化，并能够维持击穿放电故障持续发生，由此产生大量气体，如未设置熔丝保护，可能导致电容器油箱爆裂故障。而全膜电容器薄膜受击穿高温熔化，两个电极形成接触短路，从而避免了电弧放电和气体爆炸现象发生，因此，在电容器选型时，应优先选择防爆全膜电容器。

2.7 接触不良发热故障现象及原因

在电力系统中，电容器投入使用后长期处于满负荷运行状态，且由于运行过程中回路电流较大，当电容器接头接触不良时可能出现电阻增加、接触部位异常发热现象，当接触部位发热量过大时可能造成接触连接线熔断，如图6所示，接触不良主要集中在线夹与导线接触部位、接头部位、连接部位等，其主要原因是安装质量差、接头松动、连接部位氧化等。

3 电容器常见故障预防措施研究

针对电力电容器常见故障，应在加强电容器生产和安装调试质量的基础上，优化电容器运行操作方式、合理调节运行环境温度，并借助信息技术实现电容器运行状态实时监控，动态收集电容器运行状态数据，预防和控制常见故障发生。

3.1 电容器设备安装质量控制

电力电容器生产质量缺陷是造成电容器故障的重要原因，如焊接质量缺陷、密封实验不到位等，可能导致不合格电容器投入使用并引发电力系统故障，甚至可能造成严重爆炸火灾事故。为确保电力电容器长周期稳定运行，应采用安装质量控制措施：①加强电容器出厂质量检验，严格落实出厂质量检验程序和要求，防止存在质量缺陷的电容器投入使用；②电容器现场安装时，应遵循“分组、分相”原则，确保“相与相”、“段与段”电容匹配，如图7所示；③安装过程质量控制，严禁接线时用力过猛、过大造成瓷套焊接部位损伤、裂缝、渗漏等问题。如出现少量渗漏时，可适当减轻负载或降低环境温度，并使用环氧树脂和锡焊补焊处理，当出现严重渗漏问题时，应向上汇报并停止使用、检查处理；④电容器安装完成后，检查接触部位连接有无松动、过度振动、温度变化大、腐蚀气体等情况，确保电容器设备安装无误后方可正式投入使用。

图7 电容器“分组、分相”安装

3.2 优化电容器操作

在电容器运行操作中，非正常操作可能造成电容器过电流而出现热击穿、局部放电等故障。为预防和控制电容器故障发生，电力系统操作人员应严格按操作规程操作电容器:①电容器停送电时，电容器组应遵循“先断后合”的操作原则，负载出线应按“先合后断”的操作顺序，严禁违规操作；②电容器恢复运行时，必须确保电容器放电时间，待电容器组充分放电后方可合闸操作，避免电容器频繁投切。合闸操作时，如发现保护装置动作，则应在查明故障电容器、故障原因并处理后方可投用，防止因错误投用而造成事故；③为降低高次谐波对电容器组造成不利影响，应根据电力系统负载合理选择电抗率，降低电容器组合闸涌流与过电压，确保电容器成套装置长周期稳定运行。

3.3 重视电容器日常巡检

加强日常巡检，应结合电容器设备运行特点，重点加强电容器设备渗漏、变形、灰尘集聚、外部放电、异响等故障现象的检查、记录、反馈。为确保日常巡检工作效能，及时发现电容器设备故障、异常温升等故障症状，为故障预判、分析和处置提供可靠依据。

3.4 加强电容器运行环境温度控制

针对室内运行的电容器设备，应加强室内通风设备，具备条件时可增设环境温度在线监控设备，及时发现电容器设备环境温度异常。室外运行电容器设备环境温度控制时，应搭设设备遮挡设施，避免阳光直射电容器组，防止因局部照射造成温度、密度差异而产生击穿故障。

3.5 开发利用设备运行状态在线监测系统

为全面掌握电容器设备运行状态，动态感知电容器设备故障风险，及时预警电容器设备故障，应借助信息技术开发电容器设备状态在线监测系统，通过收集电容器设备温度传感器和设备运行状态传感器、电压电流监测仪表等设备设施状态信息，如图8所示。

图8 电容器温度在线监测系统示意图

合理设置设备故障警戒值，当电容器组状态参数达到警戒值时，应及时排查故障原因并排除故障。借助在线监测系统，长期在线监测系统电容器负载、温度数据，建立电力电容器运行状态参数与故障类型之间的数学模型，为电力电容器维修、检修提供依据。

4 结 语

通过对电力电容器典型故障类型及形成机理进行研究，探讨了电力电容器常见故障现象，分析了常见故障原因和预防控制措施，并从电容器安装质量控制、优化电容器操作、重视电容器日常巡检、加强电容器运行环境温度控制和开发利用设备运行状态在线监测系统等方面提出建议措施，以期降低电容器故障发生率，确保电力设备长周期稳定运行。