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摘要：随着电网自动化与智能化的发展，电力设备对运行环境的要求愈加苛刻，而高次谐波的存在成为电力电子技术发展应用的巨大障碍，甚至危及整个系统的安全运行。谐波在电力系统变电、输电和用电每一环节都不可避免的产生，就变电站而言非线性负荷如中频炉、电弧炉等使站内各母线谐波含量丰富，经测量分析造成该站并补装置损坏的主要原因是谐波水平较高，谐波频谱丰富。
关键词：变电站;并联电容器组;故障;技术措施
10kV并联电容器是现阶段我国采用的最先进的无功功率补偿设备，且该设备对供电企业的日常运转具有重要意义。然而，在10kV并联电容器组的使用过程中，常会出现各种故障，进而对电容器组的运行产生不良影响。因此，10kV并联电容器组的运维管理人员需要及时对故障发生的原因进行总结分析，进而采用有针对性的处理措施，保证电容器组运行时的安全性、可靠性和稳定性。
1变电站运行情况
2018年3月4日14时52分，某10kV变电站电容器保护装置三相电流不平衡动作。无功补偿装置停运后，现场检查发现10kV#1电容器组A相3支外熔断器熔断，避雷器计数器未动作。该变电站10kV母线为单母线接线方式，有2回进线;10kV母线为单母线带旁路接线方式，最小方式运行时的短路容量为39.25MVA。10kV出线共7回，其中1回为2018年2月新增负荷，主要用电负荷为中频炉。无功补偿装置于2007年投运，运行情况稳定，故障时现场无操作任务，系统未见异常波动。
10kV电容器组采用成套装置，主要包含并联电容器、串联电抗器、避雷器等设备。该电容器组型号为TBBB110-4008/334AKW，整组容量为4008kvar，单台容量为334Kva，熔丝结构为外熔丝，串联5%铁芯电抗器，投运日期为2007年5月。
2故障原因分析
2.1电容量超标
造成电容器组容量过剩的主要原因有：（1）电容器组本身的制造工艺，如电容器芯的线圈数、聚合温度等不符合要求。（2） 长时间运行导致电容器组绝缘降低。（3） 电容器单元内部的保险丝熔断，切断故障元件，导致电容不平衡。根据对报告缺陷的分析，第三个原因是我局电容器组容量超标。
2.2保险丝加热或熔断
熔断器作为高压并联电容器的单体保护，其主要功能是切断故障电容器组，保证其他电容器不受影响。然而，近年来，保险丝的发热一直是电容器失效的主要原因。如果处理不及时，容易造成保险丝过热和熔断，导致电容器故障停机。根据焦耳定律和欧姆定律，当流过电容器的电流恒定时，加热的主要原因是接触电阻过大。导体的接触电阻与导体的材料性质、接触形式、接触压力、接触面积和加工工艺有关。经过分析，保险丝加热的主要部件如下：（1）保险丝接头与电容器铝条的连接。由于螺钉紧固不良，保险丝接头与电容器铝条接触面积小，接触压力小，接触电阻大，导致发热。（2） 保险丝的上端和保险丝接头。由于内外螺纹配合不良，保险丝上端与保险丝座之间有间隙，接触压力小，接触面为铜铝接触面，接触电阻大，产生热量。（3） 保险丝过渡连接。这里，由于压接不良，接触压力小，压接点和加热处的接触电阻高。
2.3身体或接触严重过热
电容器组发热主要是由于過负荷运行引起的。当电容器两端负载的电压超过其额定电压时，电容器处于过电压运行状态，将导致电容器本体发热，甚至发生更严重的爆炸和燃烧。其次，电容器的接触发热主要体现在电容器母线的连接点上。与熔断器的发热原理类似，母线连接点发热的主要原因是连接点接触电阻值过大，主要包括以下两个方面：（1）连接螺栓紧固强度不够。安装电容器时，需要大量的连接螺栓。如果螺栓拧紧力不足，螺栓会松动，电容器接触不良，导致运行中发热。（2） 铜和铝的结合处有氧化和腐蚀。铜和铝的连接点容易生锈，这也会增加电容器的接触电阻，引起发热。因此，铜铝过渡板可以安装在连接点。同时，端子连接前用砂纸将氧化、生锈的部位打磨光滑，并在接触面上涂一层导电性好的防腐材料，以减少连接处的腐蚀。
3改进措施
3.1学选型串联电抗器
电抗器的配设要本着可以确保其所处的网络系统中占据较大比例的谐波分量的电抗值趋向于0，要尽量让谐波分量的感抗同于容抗，也就是要达到以下关系：：XL>Xc/n2，整个系统中选择5次谐波，达到以下关系：XL>Xc/52=0.04Xc，现实的谐波控制中通常选择5次，对此适合串联电抗值达到6%Xc的电抗器，对于3次的谐波，则适合配置电抗值达到12%Xc。
其中需要重点关注的是，要区分开Xc与XL，二者不可相同，从而预防电磁谐振，控制过电压的出现，通常来说为了稳妥起见，可以尝试容抗更大的容抗，这样不仅可以回避谐振点，也有利于控制谐波。
通过科学的仿真能够得出，如果系统串联一个电抗值为6%的电抗器，将两个电容器组开启，整个系统可能出现三次谐波变大，此时则将造成电抗器受损、毁坏，同时，因为谐波源中谐波超出了特定范围，特别是5次谐波，此时如果依然串联6%的电抗器则可能加剧谐波共振，对此应该尝试提升电抗值，安装12%的电抗器，达到高度仿真模拟的作用。
3.2提高熔断器的质量稳定性
电容器外部熔断器的选择应考虑质量有保证、信誉好的厂家。对于已运行一段时间的外部保险丝，必须及时更换。安装应符合技术规范的要求，避免因安装不当而降低外熔丝的可靠性。另外，在设计新的变电站时，可选用质量可靠的内熔丝电容器，大大降低了电容器组的故障概率。
3.3选择适合频繁切换的真空断路器
对经常发生故障的10kV并联电容器组，应检查配套的真空断路器，淘汰再燃率高的真空断路器。在新建电容器组的设计中，优先选用质量可靠、再燃率低的真空断路器。
3.4控制电容器室的环境温度
电容器在高温环境下长期运行，会对其绝缘性能产生不良影响，加速电容器的绝缘老化。因此，电容器在设计和安装时，单个电容器之间必须保持10毫米以上的间隙，电容器室必须有合理的通风装置。特别是无人值守站，应设置温度控制和自动驾驶通风装置。当温度达到设定值时，自动启动电容器室通风装置，为电容器的安全运行创造良好的环境。
3.5加强电容器组日常维护
加强电容器组的日常维护，确保电容器组的健康安全运行。通过日常维护，及时发现电容器的运行缺陷，降低电容器的故障率。
结论
通过现场试验和理论分析，确认了谐波谐振是并联电容器损坏的原因。该变电站存在短时的3次谐波，为负荷不对称运行造成的;而无功补偿装置电抗率选取不当，导致运行中发生3次谐波的并联谐振。对无功补偿装置进行技术改造，将电抗率由5%提高到12%，同时为了防止电容器运行过压，将全部并联电容器更换为额定电压为13.3kV的电容器，避免系统发生串、并联谐振。
参考文献：
[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2018.
[2]刘书铭，李琼林，杜习周，等.无功补偿电容器组串联电抗器的参数匹配[J].电力自动化设备，2018，32（4）：145-150.
[3]李妍红，陈荃，刘明波，等.配电网低压无功装置的补偿度及电容器分组方式研究[J].继电器，2019，34（23）：29-34.
[4]陈伯胜.串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择[J].电网技术，2019，27（12）：92-95.
关键词：变电站;并联电容器组;故障;技术措施
10kV并联电容器是现阶段我国采用的最先进的无功功率补偿设备，且该设备对供电企业的日常运转具有重要意义。然而，在10kV并联电容器组的使用过程中，常会出现各种故障，进而对电容器组的运行产生不良影响。因此，10kV并联电容器组的运维管理人员需要及时对故障发生的原因进行总结分析，进而采用有针对性的处理措施，保证电容器组运行时的安全性、可靠性和稳定性。
1变电站运行情况
2018年3月4日14时52分，某10kV变电站电容器保护装置三相电流不平衡动作。无功补偿装置停运后，现场检查发现10kV#1电容器组A相3支外熔断器熔断，避雷器计数器未动作。该变电站10kV母线为单母线接线方式，有2回进线;10kV母线为单母线带旁路接线方式，最小方式运行时的短路容量为39.25MVA。10kV出线共7回，其中1回为2018年2月新增负荷，主要用电负荷为中频炉。无功补偿装置于2007年投运，运行情况稳定，故障时现场无操作任务，系统未见异常波动。
10kV电容器组采用成套装置，主要包含并联电容器、串联电抗器、避雷器等设备。该电容器组型号为TBBB110-4008/334AKW，整组容量为4008kvar，单台容量为334Kva，熔丝结构为外熔丝，串联5%铁芯电抗器，投运日期为2007年5月。
2故障原因分析
2.1电容量超标
造成电容器组容量过剩的主要原因有：（1）电容器组本身的制造工艺，如电容器芯的线圈数、聚合温度等不符合要求。（2） 长时间运行导致电容器组绝缘降低。（3） 电容器单元内部的保险丝熔断，切断故障元件，导致电容不平衡。根据对报告缺陷的分析，第三个原因是我局电容器组容量超标。
2.2保险丝加热或熔断
熔断器作为高压并联电容器的单体保护，其主要功能是切断故障电容器组，保证其他电容器不受影响。然而，近年来，保险丝的发热一直是电容器失效的主要原因。如果处理不及时，容易造成保险丝过热和熔断，导致电容器故障停机。根据焦耳定律和欧姆定律，当流过电容器的电流恒定时，加热的主要原因是接触电阻过大。导体的接触电阻与导体的材料性质、接触形式、接触压力、接触面积和加工工艺有关。经过分析，保险丝加热的主要部件如下：（1）保险丝接头与电容器铝条的连接。由于螺钉紧固不良，保险丝接头与电容器铝条接触面积小，接触压力小，接触电阻大，导致发热。（2） 保险丝的上端和保险丝接头。由于内外螺纹配合不良，保险丝上端与保险丝座之间有间隙，接触压力小，接触面为铜铝接触面，接触电阻大，产生热量。（3） 保险丝过渡连接。这里，由于压接不良，接触压力小，压接点和加热处的接触电阻高。
2.3身体或接触严重过热
电容器组发热主要是由于過负荷运行引起的。当电容器两端负载的电压超过其额定电压时，电容器处于过电压运行状态，将导致电容器本体发热，甚至发生更严重的爆炸和燃烧。其次，电容器的接触发热主要体现在电容器母线的连接点上。与熔断器的发热原理类似，母线连接点发热的主要原因是连接点接触电阻值过大，主要包括以下两个方面：（1）连接螺栓紧固强度不够。安装电容器时，需要大量的连接螺栓。如果螺栓拧紧力不足，螺栓会松动，电容器接触不良，导致运行中发热。（2） 铜和铝的结合处有氧化和腐蚀。铜和铝的连接点容易生锈，这也会增加电容器的接触电阻，引起发热。因此，铜铝过渡板可以安装在连接点。同时，端子连接前用砂纸将氧化、生锈的部位打磨光滑，并在接触面上涂一层导电性好的防腐材料，以减少连接处的腐蚀。
3改进措施
3.1学选型串联电抗器
电抗器的配设要本着可以确保其所处的网络系统中占据较大比例的谐波分量的电抗值趋向于0，要尽量让谐波分量的感抗同于容抗，也就是要达到以下关系：：XL>Xc/n2，整个系统中选择5次谐波，达到以下关系：XL>Xc/52=0.04Xc，现实的谐波控制中通常选择5次，对此适合串联电抗值达到6%Xc的电抗器，对于3次的谐波，则适合配置电抗值达到12%Xc。
其中需要重点关注的是，要区分开Xc与XL，二者不可相同，从而预防电磁谐振，控制过电压的出现，通常来说为了稳妥起见，可以尝试容抗更大的容抗，这样不仅可以回避谐振点，也有利于控制谐波。
通过科学的仿真能够得出，如果系统串联一个电抗值为6%的电抗器，将两个电容器组开启，整个系统可能出现三次谐波变大，此时则将造成电抗器受损、毁坏，同时，因为谐波源中谐波超出了特定范围，特别是5次谐波，此时如果依然串联6%的电抗器则可能加剧谐波共振，对此应该尝试提升电抗值，安装12%的电抗器，达到高度仿真模拟的作用。
3.2提高熔断器的质量稳定性
电容器外部熔断器的选择应考虑质量有保证、信誉好的厂家。对于已运行一段时间的外部保险丝，必须及时更换。安装应符合技术规范的要求，避免因安装不当而降低外熔丝的可靠性。另外，在设计新的变电站时，可选用质量可靠的内熔丝电容器，大大降低了电容器组的故障概率。
3.3选择适合频繁切换的真空断路器
对经常发生故障的10kV并联电容器组，应检查配套的真空断路器，淘汰再燃率高的真空断路器。在新建电容器组的设计中，优先选用质量可靠、再燃率低的真空断路器。
3.4控制电容器室的环境温度
电容器在高温环境下长期运行，会对其绝缘性能产生不良影响，加速电容器的绝缘老化。因此，电容器在设计和安装时，单个电容器之间必须保持10毫米以上的间隙，电容器室必须有合理的通风装置。特别是无人值守站，应设置温度控制和自动驾驶通风装置。当温度达到设定值时，自动启动电容器室通风装置，为电容器的安全运行创造良好的环境。
3.5加强电容器组日常维护
加强电容器组的日常维护，确保电容器组的健康安全运行。通过日常维护，及时发现电容器的运行缺陷，降低电容器的故障率。
结论
通过现场试验和理论分析，确认了谐波谐振是并联电容器损坏的原因。该变电站存在短时的3次谐波，为负荷不对称运行造成的;而无功补偿装置电抗率选取不当，导致运行中发生3次谐波的并联谐振。对无功补偿装置进行技术改造，将电抗率由5%提高到12%，同时为了防止电容器运行过压，将全部并联电容器更换为额定电压为13.3kV的电容器，避免系统发生串、并联谐振。
参考文献：
[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2018.
[2]刘书铭，李琼林，杜习周，等.无功补偿电容器组串联电抗器的参数匹配[J].电力自动化设备，2018，32（4）：145-150.
[3]李妍红，陈荃，刘明波，等.配电网低压无功装置的补偿度及电容器分组方式研究[J].继电器，2019，34（23）：29-34.
[4]陈伯胜.串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择[J].电网技术，2019，27（12）：92-95.