变压器空载时投切并联电容器造成设备损坏实例分析

变压器空载时投切并联电容器造成设备损坏实例分析

俞瑞茂 济南经纬电力工程咨询有限公司山东省济南市 250022

摘要：针对新投运的３３０ｋＶ／３５ｋＶ降压变电站在投入３５ｋＶ电容器期间产生谐振过电压，造成电容器和变压器损坏。通过分析保护动作情况、录波图（数据）及电容器和变压器设备现场故障现象，判断谐振过电压导致绝缘击穿是引起设备损坏的原因，提出变压器空载时不得投入电容器组，禁止空母线带电容器运行等相应改进措施。

关键词：变压器空载；投切电容器；谐振过电压；设备损坏

1变压器空载概括

变压器空载即变压器的空载运行。是指变压器的一次绕组接入电源，二次绕组开路的工作状态。

数学表达式：I2 = 0

此时，一次绕组中的电流称为变压器的空载电流。空载电流产生空载磁场。在主磁场（即同时交联一、二绕组的磁场）作用下，一、二次绕组中便感应出电动势。

变压器空载运行时，虽然二次侧没有功率输出，但一次侧仍然从电网吸取一部分的有功功率，来补偿因为磁通饱和，在铁芯内引起的磁滞损耗和涡流损耗简称铁耗。

磁滞损耗的大小取决于电源的频率和铁芯材料磁滞回线的面积；涡流损耗与最大磁通密度和频率的平方成正比。另外还存在空载电流引起的铜耗。对于不同容量的变压器，空载电流和空载损耗的大小是不同的。

2基本情况

某３３０ｋＶ／３５ｋＶ降压变电站的主变型号为ＳＦＰＺ－２０００００／３３０，３５ｋＶ电容器型号为ＴＢＢ３５－２００００／３３４ＡＣＷ。因为该变电站新投运，无负荷，所以用并联电容器组作为其变压器的负荷进行＃２主变差动保护带负荷测试。测试过程中，需拉开＃１主变３５ｋＶ侧３５０１、３５０３开关，将＃１、＃３电容器负荷转移至＃２主变，在拉开３５０３开关时发生变压器和并联电容器损坏事故。

3事故前运行方式

３５ｋＶ系统为单母线四分段（Ｉ－ＩＩ联接、ＩＩＩ－ＩＶ联接）接线。＃１主变经３５０１开关、３５０３开关分别带３５ｋＶ　Ｉ母、ＩＩＩ母运行。３５１１＃１电容器在３５ｋＶ　Ｉ母运行，３５３１＃３电容器在３５ｋＶ　ＩＩＩ母运行。＃２主变经３５０２开关、３５０４开关分别带３５ｋＶ　ＩＩ母、ＩＶ母运行。３５２１＃２电容器在３５ｋＶ　ＩＩ母运行，３５４１＃４电容器在３５ｋＶ　ＩＶ母运行。２３５１　３５ｋＶ　Ｉ－ＩＩ母分段开关在合位，４３５３　３５ｋＶ　ＩＩＩ－ＩＶ母分段开关在合位。＃１和＃２主变有载调压档位位于１档。３５ｋＶ　Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ母出线均无负荷，＃１和＃２主变空载并列运行。该３３０ｋＶ／３５ｋＶ降压变电站３５ｋＶ部分主接线如图１所示。

图1330kV/35kV降压变主接线图(35kV部分)

4事故现象

在已拉开＃１主变３５ｋＶ侧３５０１开关的情况下，拉开＃１主变３５ｋＶ侧３５０３开关，３０ｓ后站用电失压，主控室后台机全部失电黑屏。现场检查发现＃１电容器Ａ、Ｂ相爆炸起火，＃２主变本体压力释放器动作喷出少量油；＃２主变保护一、二的差动、压力释放、重瓦斯、轻瓦斯保护动作，＃１～＃４电容器过电压保护动作，＃２主变故障录波器起动。

5原因分析

5.1并联电容器投入电网引起母线电压升高

３３０ｋＶ母线侧最高运行电压为３５５ｋＶ，主变变比为９．８７５，故未接入并联电容器时３５ｋＶ侧电压为３５５／９．８７５＝３６ｋＶ。接入４组并联电容器后，＃１、＃２主变并列运行，稳态时３５ｋＶ母线二次电压为６２Ｖ，换算到一次侧为６２×３５０×槡３／１０００＝３７．６ｋＶ，母线电压升高３７．６／３６＝１．０４４倍。＃１主变退出运行，＃２主变带４组电容器运行，稳态时３５ｋＶ母线二次电压为６４．８Ｖ，换算到一次侧为３９．３ｋＶ，母线电压升高１．０９倍。电容器组串联电抗器会进一步引起电容器端子间的电压升高。电容器端电压升高倍数在１２％电抗率下为１．０９／（１－０．１２）＝１．２４倍；在５％电抗率下为１．０９／（１－０．０５）＝１．１５倍。

5.2切除＃１变压器负荷发生谐振过电压

进行带负荷测试工作时２台主变空载，４组电容器全部投入。每台主变低压侧出线为二路分支，每分支补偿电容器为２００００ｋｖａｒ，即每台主变补偿电容为４００００ｋｖａｒ。在拉开＃１主变３５０３开关时４组电容器同时并入＃２主变，使＃２主变容性负载剧增，达到谐振容量，发生铁磁谐振。故障录波图显示，低压侧电压瞬时值已达到８９．５４ｋＶ，持续８００多毫秒，在电容器组极间和相间产生过电压，造成＃１电容器爆炸，Ａ相接地短路；而高次谐波产生的谐振过电压更高，电容器爆炸时谐波已达到３０次以上。

5.3电容器缺少保护造成事故扩大

该电容器组不平衡保护为相电压差动保护，电容器内部元件有内熔丝保护。当电容器内部熔丝熔断，使完好元件上的过电压倍数超过１．３倍，单元电容器过电压倍数达到１．１倍时，相电压差动保护起动，延时０．２ｓ跳闸后切除故障电容器组。而现场实际没有投入差压保护，在出现高的过电压时，电容器内部损伤而故障运行，造成事故扩大。

5.4高次谐波过电压引起＃２变压器低压侧放电性故障　　

变压器发生故障部位为ｂ、ｃ相间铜排，ｂ相铜排外包０．５ｍｍ绝缘纸板４层单边２ｍｍ，ｃ相铜排外包绝缘皱纹纸６层约２ｍｍ，均已烧伤局部碳化。ｂ相铜排内侧烧出约５ｍｍ缺口，长约１０ｍｍ，铜排两侧表面有许多放电电弧形成的焊瘤。ｃ相铜排内侧角被放电电弧烧掉，压钉支板角部被放电电弧烧出约Φ２５的一块疤痕。谐振时产生的高次谐波过电压也破坏了变压器低压侧相间绝缘。

根据主变故障点的损伤状况分析，主变故障初期，过电压引起的弧光放电破坏了低压侧ｂ、ｃ相间铜排的绝缘，并导致了ｂ、ｃ相间铜排持续放电。在＃１电容器Ａ相短路接地时，非故障相对地电压升高，使＃２主变低压侧ｂ、ｃ引线对地击穿，＃２主变差动保护动作，切除故障。

５改进措施

并联电容器投入电网会引起母线电压升高，因此在投入电容器组时要严格核算母线电压升高值及无功补偿量，选择相应的变压器变比（档位），以避免电压升高和补偿不当造成系统损坏。变压器空载时不得投入电容器组，禁止空母线带电容器运行（写入现场运规）。对于一台变压器而言，３５ｋＶ双分支两段母线两组电容器投切时，应分组进行，轻载操作。完善电容器不平衡保护相电压差动保护的设置。若有２种电抗率的并联电容器装置（５％，１２％），则需对电抗率较高的装置进行先投后切，以避免谐波放大对电容器造成损害。依据国家电网《高压并联电容器装置运行规范》第三十一条规定“投切一组电容器引起母线电压变动不应超过２．５％”，所以在投入一组电容器时应检测母线电压升高的情况。

结语

本次事故是新建变电站交接验收试验时，使用六角图法检查变压器差动保护接线的正确性，把并联电容器装置作为变压器的负荷，在变压器空载（无感性负载）时投入电容装置，发生串联谐振，产生谐振过电压，引起电容器爆炸、变压器损坏。本文通过对事故现象、设备损坏情况及保护动作记录和数据的分析判断，找到了事故发生原因，采取了有效的改进措施，保障了大企业超高压用户变电站的安全运行。

参考文献

［１］ＧＢ　５０２２７—２００８并联电容器装置设计规范［Ｓ］．

［２］ＧＢ／Ｚ　１１０２４．３—２００１标称电压１０００Ｖ以上交流电力系统并联电容器第３部分：并联电容器和并联电容器组的保护［Ｓ］．

［３］ＧＢ／Ｔ　３０８４１—２０１４高压并联电容器装置的通用技术要求［Ｓ］．

［４］李国庆，彭石，张少杰，等．变压器与并联电容器的铁磁谐振分析［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１４，４２（９）：２６－３２．

［５］陈柏富，杨言孝．并联电容器装置在变压器空载时投入引发串联谐振［Ｊ］．电力电容器与无功补偿，２０１７（６）：７－１１．