【摘要】傳統(tǒng)的電力電容器檢測通常為斷電,離線進行,影響了生產(chǎn)。已有的電力電容器在線診斷技術(shù)集中于對電容量、介質(zhì)損耗角的測量,檢測結(jié)果滯后于故障的發(fā)生,且檢測結(jié)果并不理想。主要針對電力系統(tǒng)中高壓電力電容器的常見故障,對其故障中發(fā)生放電現(xiàn)象的機理進行了分析,得到電力電容器種種故障,通常伴隨有放電現(xiàn)象的結(jié)論,指出放電現(xiàn)象為其故障初征兆。分析了對高壓電力電容器進行在線監(jiān)測其放電現(xiàn)象可行性,找到監(jiān)測其放電信號的處理方法,完整設(shè)計了一種在線監(jiān)測電力電容器放電新技術(shù)的理論。

【關(guān)鍵詞】電力電容器;放電現(xiàn)象;在線監(jiān)測;頻譜分析

0引言

電力電容器在電力系統(tǒng)中用途廣泛,是電力系統(tǒng)中重要的工作元件。電力電容器主要的兩種形式為并聯(lián)電容器和耦合電容器。并聯(lián)電容器裝置作為一種重要的無功電源,對于改善電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高電能質(zhì)量起著決定性的作用。耦合電容器主要承擔電力系統(tǒng)濾波、載波和高頻保護任務(wù)。電力電容器在運行中除長時間承受工作電壓外,還受到各種內(nèi)外過電壓作用而逐漸老化。運行條件下電力電容器與輸電線路直接聯(lián)接,采用常規(guī)檢測方法對電力電容器進行檢測時,使整個輸電線路停止運行才能進行,影響了生產(chǎn)。而且每年都曾因停電困難造成電力電容器預(yù)防性漏試,這對電力電容器的安全運行也留下隱患。

電力電容器在線事故統(tǒng)計表明,局部放電現(xiàn)象是電力電容器普遍事故的初征兆,繼而發(fā)展成部分元件的擊穿短路故障。目前在線對電力電容器的檢測,通常是在線檢測在運行高壓下流過這些電容試品的電流!、"和tg!,來判斷電力電容器是否故障。而電容量的變化和介質(zhì)損耗角的變化是放電積累到一定程度以后,產(chǎn)生的一個滯后的結(jié)果。采用直接對放電現(xiàn)象的監(jiān)測,能夠更早,更及時地發(fā)現(xiàn)和防范事故的發(fā)生。因此對電力電容器局部放電現(xiàn)象進行監(jiān)測是防止電力電容器事故的有效途徑。

對電力電容器進行局部放電的在線監(jiān)測少有報道。本文提出了一種新的在線監(jiān)測電力電容器放電的技術(shù),可以用于對它的工作狀況進行診斷。

1電力電容器放電現(xiàn)象分析

1.1并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器外表面封閉,通過出線端子與母線三相連接,有一端子接地線。內(nèi)部由絕緣紙、鋁泊和電容器油構(gòu)成串聯(lián)電容元件,內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部觀測不到。

并聯(lián)電容器的故障現(xiàn)象包括滲漏油、鼓肚、外殼閃烙、熔斷器熔斷、爆炸等。并聯(lián)電容器的故障幾乎都會伴有放電現(xiàn)象的發(fā)生。瓷套管及外殼滲漏油。由于滲漏油導(dǎo)致套管內(nèi)部受潮、絕緣電阻降低、油面下降、元件上部容易受潮而擊穿放電。所有并聯(lián)電容器的故障中,鼓肚現(xiàn)象是占比例大的。一般油箱隨溫度變化發(fā)生膨脹和收縮是正常的,但當內(nèi)部發(fā)生局部放電,絕緣油產(chǎn)生大量氣體,就會使箱壁變形,形成明顯的鼓肚現(xiàn)象,發(fā)生鼓肚的電容器不能修復(fù),只能更換。由于絕緣不良和表面污穢嚴重,在電網(wǎng)出現(xiàn)內(nèi)、外過電壓和系統(tǒng)諧振的情況下導(dǎo)致絕緣擊穿,表面放電,造成瓷套管閃絡(luò)破損。

熔斷器熔斷,源于電容器內(nèi)部元件放電,發(fā)生故障擊穿。電容器爆炸,當電容器內(nèi)部元件故障擊穿引起電容器極間貫穿性短路時,與其并聯(lián)運行的其他電容器將對故障電容器放電,如果注入電容器的能量大于外殼能承受的爆破能量,則電容器爆炸。

并聯(lián)電容器事故除了運行中的臟污、受濕問題外,事故原因與電容器自身結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量也相關(guān),綜合分析如下:

1)在高場強下,電容元件擊穿的部位多在電極邊緣、拐角和引線與極板接觸處,以及元件出現(xiàn)褶迭部位。這些地方電場強度和電流密度都較高,容易發(fā)生局部放電和過熱燒傷絕緣。在制造過程中應(yīng)采取適宜隔離措施以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2)運行中電壓過高或開關(guān)重燃引起的操作過電壓,也將產(chǎn)生局部放電。電極對油箱的絕緣一般較高。制造工藝和產(chǎn)品元件質(zhì)量如絕緣材料質(zhì)量差,電容器油不純凈等是造成此類放電的主要原因。

3)密封不良。耦合電容器是全密封電器,如果密封不良,在運行過程中有可能進水受潮而導(dǎo)致?lián)p壞。密封不良運行中常表現(xiàn)為滲漏油。長期滲漏油的耦合電容器,除內(nèi)部壓力降低進水受潮外,也會因油量減少上部漏油而發(fā)生放電故障。

4)電力電容器運行電壓過高,產(chǎn)生大量損耗,破壞絕緣。運行環(huán)境溫度過高和諧波的加入也會成為誘發(fā)電容器放電的原因。前者破壞絕緣,后者提升了作用電壓。

1.2耦合電容器

耦合電容器事故大多發(fā)生在陰雨污穢天氣之中,事故現(xiàn)象為表面放電產(chǎn)生閃烙,內(nèi)部放電積累可能引起擊穿短路,熔斷器熔斷乃至本身爆裂。其故障現(xiàn)象分析雷同于并聯(lián)電容器。其除了運行中的臟污、受濕問題外,事故原因與電容器自身結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量也相關(guān),綜合分析如下:

1)交直流放電機理不同,等效電路不同,直流放電更易擊穿,制造過程中應(yīng)采取適宜隔離措施以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2)制造過程中,電容芯子位置處的絕緣設(shè)計不當,導(dǎo)致運行中芯子尖角處場強過大,容易引起放電。電容芯子烘干不好,殘留水分或芯子卷制后又在空氣中滯留時間過長而受潮也會形成隱患。

3)關(guān)于密封不良。耦合電容器是全密封電器,如果密封不良,在運行過程中有可能進水受潮而導(dǎo)致?lián)p壞。每只耦合電容器均裝有膨脹器,并經(jīng)過出廠前的檢查,密封不良運行中常表現(xiàn)為滲漏油。長期滲漏油的耦合電容器,除內(nèi)部壓力降低進水受潮外,也會因油量減少上部漏油而發(fā)生放電故障。

4)制造過程中工藝上的不合理和缺陷以及搬運過程中引起的損傷也會成為耦合電容器事故的隱患。由已有經(jīng)驗來看,存在的隱患包括夾板在制造加工過程中有缺陷,電容器油中所含芳香烴成分偏少、元件開焊、元件錯位等。這些缺陷也是易誘發(fā)放電現(xiàn)象。

結(jié)論:電力電容器外部放電為電極或母線高壓對箱體放電,內(nèi)部放電為極板間放電。電容器內(nèi)部放電是不可觀測的。

2在線監(jiān)測技術(shù)的設(shè)計

關(guān)于該技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1,由傳感裝置、信號處理裝置、計算機分析三大部分組成。

技術(shù)的核心思想在于:理清電力電容器故障放電的機理,表面放電為內(nèi)部電極或母線高壓對電容器外殼箱體放電,內(nèi)部放電為電容器極板間放電。電容器表面放電可見閃烙,內(nèi)部放電至今無成熟方法探測。表面放電信號閃烙很快,頻率很高,而內(nèi)部放電則相對緩慢,頻率較低,產(chǎn)生故障為一逐步積累的過程,導(dǎo)致發(fā)熱和絕緣擊穿。整個電力電容器裝置電位低處位于它的接地線上,因此,無論是電容器的表面放電或內(nèi)部放電大多信號都應(yīng)該通過該地線游走。所以采用寬頻的羅可夫斯基線圈作為傳感器從電容器地線上取放電信號,送入頻譜分析儀,可得到取出信號的頻譜圖,由于內(nèi)部和外部放電信號頻率差異較大,與計算機數(shù)據(jù)庫中的規(guī)范頻譜分析數(shù)據(jù)進行比較,可判定電容器內(nèi)部是否放電。放電強度,信號的辨識可采用相應(yīng)的能量傳感器和消噪方法進行測量的完成。

關(guān)于羅可夫斯基傳感線圈。把一個空芯的螺線管線圈的兩頭對接并環(huán)繞在一個載流導(dǎo)體上,就構(gòu)成一個羅可夫斯基線圈。電弧放電產(chǎn)生頻帶很寬的電磁波,其中一部分傳向測量端子的接地引出線。是由于測量端子接地引出線上的對地電位很低,耦合電容器任何部位的閃絡(luò)放電信號都會通過它流向大地。將羅可夫斯基線圈繞制在此接地線上,可以準確測量放電信號。羅可夫斯基線圈的頻率響應(yīng)較寬(高測量頻率可達3OMHz),適于在線采集各種高壓設(shè)備的放電信號。

監(jiān)測儀用來測定測試線圈所接收到的平均峰值能量。通過對射頻電流的監(jiān)測,可以判斷耦合電容器的放電程度,然后決定如何處理。與羅可夫斯基線圈相配套的射頻監(jiān)測裝置,由射頻放大器、對數(shù)放大器、檢波器和峰值保持器等部分組成。由羅可夫斯基線圈采集的信號,經(jīng)射頻放大和對數(shù)放大后送到檢波器中,再經(jīng)過峰值保持后送到A/D轉(zhuǎn)換裝置。以上各部分電路均可選用標準的集成電路芯片。射頻監(jiān)測裝置的頻率取多少,要根據(jù)使用情況和背景射頻噪聲而定。它可以通過傳感裝置感知并聯(lián)電容器的放電電弧信號,以發(fā)現(xiàn)并聯(lián)電容器的放電現(xiàn)象,但不能確定放電發(fā)生的部位,但這對于僅需量測耦合電容器放電強度的目的而言是足夠了。

信號經(jīng)過射頻監(jiān)測裝置后送入A/D轉(zhuǎn)換,再由頻譜分析儀進行頻譜分析,得到取出信號的各個頻率分量,計算機對頻譜分析數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的規(guī)范頻譜數(shù)據(jù)進行比較,由新出現(xiàn)的頻率分量來決定內(nèi)部電場是否處于常態(tài)范圍,是否需要對內(nèi)部場強進行計算分析,再決定是否進行進一步處理,如停電檢修。技術(shù)中使用基于有限元方法的軟件對需進一步處理的電力電容器內(nèi)部電場場強進行分析計算,軟件用C語言來進行實現(xiàn)。

3安科瑞AZC/AZCL智能集成式電容器介紹

3.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/span>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動尋找投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

3.2產(chǎn)品選型

AZC系列智能電容器選型：

3.3產(chǎn)品實物展示

AZC系列智能電容模AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

4結(jié)束語

由于電力電容器幾乎所有故障的前兆都伴隨放電,表面放電可以觀測,內(nèi)部放電卻很難監(jiān)測,給電容器的運行維護帶來難度。提出的方法在線監(jiān)測并聯(lián)電容器的放電現(xiàn)象,是防范事故于未然的一種積極可取的完善措施。該技術(shù)理論上嚴密可行,元器件易于實現(xiàn),思考角度新穎。成熟產(chǎn)品的推出正處于實施過程之中。

參考文獻

[1]黨曉強,劉念.電力電容器在線監(jiān)測技術(shù)研究.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.6版