帶內熔絲電容器爆炸事故的仿真研究

帶內熔絲電容器爆炸事故的仿真研究

0電容器裝置差動保護定值仿真分析2006年，500kv河姆變換和鳳陽變換發(fā)生了兩次35kv電動汽車電池爆炸。500kV河姆變3#主變3#電容器組容量60120kvar,三星形接法,差壓保護(定值9V/0.5s),單臺電容器額定電壓6kV。事故時,電容器組差壓保護動作,差壓值65.69V,電容器開關跳閘,三星形中間一星形電容器爆炸起火,中間一星形有4臺電容器箱殼爆裂。繼電保護記錄顯示,差動保護分別于03∶56∶44∶780、03∶56∶46∶357、03∶56∶47∶613連續(xù)三次“起動”,并于03∶56∶48∶965“動作”。該組電容器于2006年7月31日12點34分投入運行,至8月3日凌晨3點56分48秒持續(xù)運行63小時22分,運行電壓不大于37kV。500kV富陽變2#主變2#電容器組容量60120kvar,三星形接法,差壓保護(定值5V/0.2s),單臺電容器額定電壓6kV。事故時,電容器組合閘后即差壓保護動作跳閘,3臺電容器箱殼爆裂。兩起事故反映出裝置中的差壓保護定值未起到抑制事故擴大的作用,暴露了帶內熔絲單臺電容器的電容器組差壓保護整定值靈敏度不足的缺陷,因此特對全省500kV變電站35kV并聯(lián)電容器組保護定值配置的合理性進行研究,并做仿真計算。本文不對電容器故障起因進行分析,僅對電容器發(fā)生故障后,配置的保護定值是否及時隔離故障進行探討。1電容器元件運行動態(tài)保護定值截至2006年底,浙江省已有12座500kV變電站中共33組35kV并聯(lián)電容器組投運。這33組電容器組按電容器制造廠家、接線方式和保護方式分類,可以分為9種類型,均采用帶內熔絲的單臺電容器,雙星形或三星形接線方式中每個星的容量為20040kvar。我們分別對不同廠家電容器接線方式及其保護方式進行仿真計算,計算單臺電容器內熔絲熔斷后故障電容器電壓和電流、同一串聯(lián)段上完好電容器電壓和電流、相同故障相上其他完好電容器的電壓和電流、相鄰相完好電容器電壓和電流以及電容器組保護輸出值等,表1為不同廠家電容器9種典型電氣接線方式和保護方式。本次計算研究采用美國Mathworks公司MATLAB軟件中Simpowersystem模塊,Simpowersystem是TransE′nergieTechnologies和Hydro-Québec的專家和研究人員共同開發(fā)的用于Simulink環(huán)境下的電力系統(tǒng)建模與仿真軟件。計算時假定全部電容值相等,三相電源對稱,內熔絲熔斷時只切除與之串聯(lián)的電容元件,不影響其他元件。實際運行中影響保護定值的因素包括:①三相電容不平衡,DL/T604-1996中要求三相任意兩相電容量之比不大于1.02,同相中串聯(lián)段電容量之比不大于1.02;②三相電源不平衡;③放電線圈誤差±0.5%,且兩個放電線圈伏安特性存在偏差;④電流互感器有一定的變比誤差。綜合考慮計算時電源電壓偏差等因素,計算值與實際值偏差約10%。GB11024.1-2001《標稱電壓1kV以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器第1部分:總則-性能、試驗和定額-安全要求-安裝和運行導則》表4的規(guī)定,電容器在1.3倍工頻額定電壓下允許工作時間不超過1min。DL/T840-2003《高壓并聯(lián)電容器使用技術條件》第5.3.1條也規(guī)定了電容器和電容器元件的工頻穩(wěn)態(tài)過電壓和相應的運行時間,即:當輕負荷電壓升高時,工頻過電壓倍數(shù)1.20下允許運行5min,工頻過電壓倍數(shù)1.30下允許運行1min,且工頻加諧波的過電壓以不使過電流超過5.3.4規(guī)定值,過電壓1.20倍,1.30倍及其對應的運行時間在電容器的壽命期間總共應不超過200次,其中若干次過電壓可能是在電容器內部溫度低于0℃,但在下限溫度以內發(fā)生的。DL/T840-2003《高壓并聯(lián)電容器使用技術條件》第5.3.4規(guī)定了電容器穩(wěn)定過電流“電容器應能在有效值為1.3In的穩(wěn)定過電流下運行,但這種過電流是由于高次諧波和穩(wěn)態(tài)過電壓引起的,對于電容量有最大正偏差的電容器,這種過電流允許達到1.37In?！蓖ǔ＿x擇電容器額定電壓時,考慮到串聯(lián)電抗器等因素,電容器額定電壓會比系統(tǒng)電壓高一些,約抬高5%～12%。GB11024.4-2001《標稱電壓1kV以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器第4部分:內部熔絲》性能要求第4.2條隔離要求規(guī)定:“當元件在u1和u2電壓范圍內發(fā)生電擊穿時,熔絲應能使故障元件隔離開來。其中U1=0.9×2√UN,U2=2.0×2√UNU1=0.9×2UΝ,U2=2.0×2UΝ分別為故障瞬間單元端子間電壓的最低與最高瞬時值。”因此,為保證故障單元中剩余元件運行電壓維持在1.3倍額定電壓以下,考慮電容器額定電壓比系統(tǒng)額定電壓高一些,電容器保護設定值宜設計在保證完好元件上電壓不超過正常運行電壓的1.4倍～1.5倍。超過這個值,應及時切除電容器組,使故障單元退出運行,避免電容器內部故障進一步發(fā)展。故障電容器的解剖過程表明,電容器內部元件擊穿常常發(fā)生在元件的端部高場強部位,伴隨發(fā)生局部內熔絲群爆,直接損壞(擊穿)相鄰的元件,與標準試驗中設計的情況有所不同。當單元電容器已有內熔絲熔斷,剩余元件電壓達到正常運行電壓的1.4倍～1.5倍時,如發(fā)生局部內熔絲群爆,熔斷2根～3根,則其余元件電壓將達到正常運行電壓的2倍左右,處在內熔絲隔離性能的邊緣,可能引發(fā)內部元件短路,甚至箱殼爆破,對電容器安全運行造成極大的危害。結合制造廠元件耐壓要求和IEEEC37.99-2000《并聯(lián)電容器組保護導則》等電容器專業(yè)標準中的安全運行要求等,電容器保護設定值宜設計在保證完好元件上電壓不超過正常運行電壓的1.4倍～1.5倍。下面我們分別對上述九種情況進行計算1bam6-33-1w電容器單星形基線、2臺串聯(lián)、差壓保護對照表1.①BAM6-500-1W電容器(雙星形接線、零序電流保護)根據(jù)表2序號1,一個串聯(lián)段中剩余7個元件并聯(lián)時,達到1.44倍正常電壓;查表3序號1,對應的零序電流為0.58A。②BAM6-334-1W電容器(單星形接線、2臺并聯(lián)或3臺并聯(lián)后串聯(lián)、差壓保護)根據(jù)表2序號2,一個串聯(lián)段中剩余6個元件并聯(lián)時,達到1.43倍正常電壓;查表3序號2,對應的差壓為0.73V;查表3序號3,對應的差壓為0.74V。③BAM6-334-1W電容器(三星形接線、差壓保護)對照表2序號3,剩余的7個元件上電壓為正常電壓的1.32倍;對照表3序號4查出對應(ABB)BAM6-334-1W單臺電容器中一個串聯(lián)段中4個元件(3串11并)內熔絲熔斷,差壓定值為1.59V。2桂林能源壓縮廠產品bam12-334-1w雙向線、零序電流保護根據(jù)表2序號4,一個串聯(lián)段中剩余8個元件并聯(lián)時,達到1.41倍正常電壓;查表3序號5,對應的零序電流為0.15A或差壓0.65V。橋差電流的查根據(jù)表2序號5,一個串聯(lián)段中剩余9個元件并聯(lián)時,達到1.46倍正常電壓;查表3序號6,對應的橋差電流為0.90A;查表3序號7,對應的橋差電流為0.79A。3無錫日信能源供電公司產品正常電壓調查12%電抗率時,根據(jù)表2序號6,一個串聯(lián)段中剩余12個元件并聯(lián)時,達到1.43倍正常電壓;查表3序號8,對應的差壓為1.43V。6%電抗率時,根據(jù)表2序號6,一個串聯(lián)段中剩余12個元件并聯(lián)時,達到1.43倍正常電壓;查表3序號9,對應的差壓為1.33V。bff12。2-34.1w容量雙向線、零序電流保護根據(jù)表2序號7,一個串聯(lián)段中剩余12個元件并聯(lián)時,達到1.43倍正常電壓;查表3序號10,對應的零序電流為0.25A。bfm8612-134w電動汽車雙向連接和零序電流保護根據(jù)表2序號8,一個串聯(lián)段中剩余6個元件并聯(lián)時,達到1.50倍正常電壓;查表3序號11,對應的零序電流為0.11A或差壓0.47V。4串聯(lián)段剩余8元件串聯(lián)①BAM6-334-1W電容器(三星形接線、差壓保護)12%電抗率時,根據(jù)表2序號9,一個串聯(lián)段中剩余8元件并聯(lián)時,達到1.40倍正常電壓;查表3序號12,對應的差壓為2.0V。6%電抗率時,根據(jù)表2序號9,一個串聯(lián)段中剩余8元件并聯(lián)時,達到1.40倍正常電壓;查表3序號13,對應的差壓為1.87V。2電容器保護定值通過對比,可以發(fā)現(xiàn)原保護定值偏大,不能及時切除有故障的整組電容器。當內部元件出現(xiàn)故障,內熔絲切除故障元件后,在原定值條件保護動作之前,與原故障元件并聯(lián)的正常