发电机出口断路器冲击保护电容漏油分析及处理

熊 舟，饶 蕾，廖诗宇，叶华松，任 波

(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133)

某电站发电机出口与变压器低压侧间安装有额定电压24 kV，额定短路开断电流160 kA的发电机出口断路器(以下简称GCB)，GCB两侧安装2个并联对地的充油型冲击保护电容，受安装空间限制，电容采用倒挂式安装。GCB运行情况直接影响厂用电运行效率及可靠性[1]。2017年2月GCB电容出现渗油现象，本文主要分析电容渗油对GCB运行的影响以及对发电机组运行的影响，提出改进措施。

1 电容渗油分析

1.1 GCB电容渗油对介损及电容值的影响

1)GCB电容渗油对介损的影响[2]。某电站共计发现2例GCB电容漏油，测量的介损见表1。

表1 测量的介损表

从表1可以看出，漏油电容介质损耗明显偏大，当漏油故障扩大时，介质损耗值会有明显的上升。

2)GCB电容渗油对电容值的影响。该电站GCB两端电容为浸油式平板电容，受安装空间限制，采用倒挂式安装，其内部采用锡箔纸缠绕方式，中间利用绝缘介质隔开，最终组成串联式电容器。由此结构可以在计算中将其等效为标准电容器极板。电容器理论计算公式[3]：

C=εS/4πkd

式中：ε是一个常数；S为电容极板的正对面积；d为电容极板的距离；k则是静电力常量。

对于GCB并联电容器，按照电容器理想模型，电容器渗油对其极板间的正对面积S，电容极板距离d无影响，电容器的电容量与极板间介质的介电常数ε成正比，考虑极端情况，当电容器中油全部泄漏完时，电容的极板间介质的介电常数ε变为空气介电常数，约为1.0，按照电容器中介质油为变压器油计算，其介电常数ε约为2.2，电容器渗油时，其电容值逐渐变小，当电容器中油全部泄漏完后，其电容量下降约为原来值的0.45。

1.2 GCB电容解体情况分析

发电机出口断路器两端冲击保护电容内部采用两层锡箔纸交叉串联缠绕，其高压引线通过瓷套管引入至电容器首端极板，此极板靠近电容背部，而电容背部与GCB外壳相连，电容尾端极板焊接至电容外壳。高压侧引线接入至电容器首端极板时，内部结构图见图1。

图1 GCB电容内部结构图

从图1中可以看出，电容高压引线外部包裹白色绝缘管，在引线与电容外壳间，电容首端极板与电容外壳间隔离有绝缘纸板，在电容器内部绝缘油无泄漏时，可以保证其绝缘强度。由于冲击保护电容器倒挂在GCB外壳上，当内部绝缘油出现泄漏时，电容器首端极板最先暴露在空气中，此时对绝缘纸板的绝缘值有一定的影响。

冲击保护电容首端极板在稳态时有20 kV的对地线电压，电容绝缘油泄漏容易造成电容器极板对地击穿放电，当发电机组正常并网运行时，GCB冲击保护电容器对地放电会造成发电机定子一点接地故障，发电机出口断路器断开，采用系统倒送电至主变压器运行时，GCB主变压器侧冲击保护电容击穿会导致发变组出口断路器CCB跳闸，从而引起主变压器停运，直接影响电站厂用电的可靠性。

1.3 GCB电容值变化对发变组的影响

某右岸带GCB机组在合主变压器或主变压器三相合闸时，变压器绕组会产生励磁涌流，其主要特征为数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波)，进而在主变压器低压侧绕组会产生一个高频的震荡电压，由于GCB靠近主变压器冲击保护电容的存在，低压绕组的涌流会经过冲击保护电容对地形成回路[3]。此时，GCB冲击保护电容器等效于短路状态，此冲击电压通过GCB靠近主变压器侧电容与外壳形成通路，将此能量全部施加在了冲击保护电容上，避免了该冲击电压在主变压器内部进行震荡进而干扰主变压器正常运行。

GCB等效电路图见图2。

图2 GCB等效电路图

实际运行过程中，GCB两端波阻抗Z1、Z2为不变量，当系统或电源侧有过电压波传播时，行波经过一个对地电容后，行波穿过电感或旁过电容时，波前均被拉平，波前陡度减小，L或C越大，陡度越小，电容漏油后电容值下降，波前陡度降低幅度变小，行波传递的陡度削减程度变低，此时对系统内发电机、变压器等电气设备带来很大的威胁，对发电机出口三相的首根定子线棒绝缘影响最大[4]。

1.4 GCB冲击保护电容换型可行性分析

GCB冲击保护电容在瞬态过程中由于高频电压的存在相当于短路，此时的高频电压所产生的能量在电容内部消耗，虽然持续的瞬态时间短，但频率高，此时若改用固体介质的电容，会在固体介质能频繁的放电损耗，从而损坏固体绝缘，故建议仍然采用油浸式电容。

2 漏油电容处理

更换漏油的GCB两端冲击保护电容后，电容试验数据合格，设备运行正常。

3 结 语

电容漏油会使其电容值下降，严重时可能会造成发电机定子一点接地。电容值降低会造成波前陡度降低幅度变小，行波传递陡度削减程度变低，过电压波峰值对系统内发电机、变压器等电气设备带来很大的威胁，尤其对发电机出口的首根线棒绝缘影响最大。在现有电容结构漏油时，会产生电容击穿的风险[5]，由于电容量较大，目前固体电容结构无法满足电容量要求，故只能采用充油电容结构，满足建议改进现有电容内部结构，将电容首端极板接入至电容底座接地，使其在漏油时电容首端极板全部浸没在绝缘油中，保证高压侧极板的绝缘强度。