非柔性直流輸電系統中，兩端換流站都配有大量的交流濾波器，其作用主要為補償無(wú)功功率和濾除諧波。以某±800kV換流站為例，其直流輸電容量為5000MVA，站內配有15組交流濾波器，每組交流濾波器主要由電力電容器組成。

電力電容器常見(jiàn)故障為本體發(fā)熱、本體漏油以及內部放電擊穿。本文就電力電容器內部放電典型故障進(jìn)行分析。

一、電力電容器內部結構

交流濾波器一般由高壓塔和低壓塔兩座電容器塔構成，每座塔由一定數量的電力電容器串并聯(lián)組成（因設計要求，采用不同的連接方式）。如下圖1所示，該換流站內交流濾波器高壓塔稱(chēng)為上橋臂，分為左右兩個(gè)臂（現場(chǎng)稱(chēng)為A臂與B臂），每個(gè)臂由40只電容器單元（單只電力電容器），通過(guò)每?jì)芍徊⒙?lián)后再逐對串聯(lián)組成。

圖1  交流濾波器電容器塔結構

單只電力電容器內部結構如下圖2所示，單只電容器由5個(gè)電容串聯(lián)段組成，每個(gè)串聯(lián)段由19個(gè)電容元件單元并聯(lián)組成。其中，每個(gè)電容串聯(lián)段有一個(gè)并聯(lián)電阻R1，整個(gè)電容有一個(gè)并聯(lián)電阻R2，起到內部故障放電保護作用；并且，每個(gè)電容元件單元都單獨串聯(lián)一個(gè)內熔絲，該內熔絲作用非常大，在電容元件單元單個(gè)被過(guò)電壓等其它因素擊穿時(shí)，對應的內熔絲會(huì )同步熔斷，將故障電容元件單元進(jìn)行隔離，防止電容器內部故障持續擴大。

圖2  電力電容器內部結構

二、電力電容器內部故障對繼電保護的動(dòng)作影響

圖1中所示的T2電流互感器，為不平衡電流互感器，理想情況時(shí)流過(guò)T2的電流為零，當電容器內部單個(gè)元件故障擊穿時(shí)，會(huì )導致該只電容器電容值發(fā)生變化，從而使電容塔的橋臂電容值出現變化，當橋臂值不一致時(shí)，會(huì )有不平衡電流流過(guò)T2電流互感器，該電流達到一定值時(shí)，保護裝置會(huì )出現告警與跳閘出口動(dòng)作，該換流站保護整定的定值如下圖3所示。

圖3  電容器不平衡電流保護整定值

可見(jiàn)，如果一個(gè)電容器內部電容單元元件有1至2個(gè)擊穿，且熔絲即時(shí)熔斷，對整個(gè)保護系統是沒(méi)有影響的。

三、典型故障

該換流站交流濾波器電容器頻繁出現不平衡電流保護直接出口跳閘，每次現場(chǎng)檢查均發(fā)現有1只電容器的電容值變化特別大，后續經(jīng)過(guò)電容器解體分析，發(fā)現了跳閘的根本原因為該電容器內部的電容元件被擊穿時(shí)，熔絲未及時(shí)熔斷，導致整個(gè)串聯(lián)段（19個(gè)串聯(lián)電容元件）短路，如下圖4所示。

圖4  電容器解剖情況

故障電容器比額定值偏大了約25%，理論分析為5個(gè)串聯(lián)段變成了4個(gè)串聯(lián)段；現場(chǎng)解剖也證實(shí)了這一點(diǎn)，內部存在一個(gè)串聯(lián)段短路，且短路的串聯(lián)段中存在兩個(gè)相鄰電容器元件擊穿，擊穿點(diǎn)均在元件表面，僅一個(gè)擊穿電容器元件熔絲熔斷，另一擊穿電容器元件熔絲未熔斷，未熔斷的熔絲導致整個(gè)串聯(lián)段短路。

四、原因分析與總結

該換流站交流濾波器跳閘時(shí)刻故障錄波如下圖5所示，跳閘時(shí)刻，T2不平衡電流突然出現兩次高頻的大不平衡電流，可知兩次異常的高頻不平衡電流由電容器單元內同一串聯(lián)段的兩個(gè)相鄰電容元件連續擊穿引起。第一次擊穿時(shí)，持續時(shí)間約2ms，熔絲熔斷；第二次擊穿時(shí)，持續時(shí)間約4ms，熔絲未熔斷，保護出口跳閘。

圖5  跳閘時(shí)刻故障錄波

電容內部單個(gè)元件表面擊穿時(shí)會(huì )產(chǎn)生電弧，由于電弧溫度高，引起相鄰電容器元件因燒灼而擊穿，雖第一次發(fā)生擊穿的電容器元件熔絲已熔斷，但依據內熔絲設計參數和故障時(shí)刻錄波曲線(xiàn)，殘余放電能量不足以熔斷另一擊穿電容器元件熔絲，導致其所在串聯(lián)段短路，使整體容值陡增約25%，引起電容器組不平衡電流突增而發(fā)生跳閘事故。后續電力電容器制造方，需多方面考慮內熔絲的熔斷基理，合理設計參數，保證電容器運行時(shí)的可靠性。