一種高壓電容器故障隱患測(cè)試分析裝置設(shè)計(jì)

樊鳳敏，李文亮，陳昆，楊龍，張建，張方榮

(1.云南電網(wǎng)公司普洱供電局，云南 普洱 665000;2.成都高斯電子技術(shù)有限公司，成都 610000)

1 前言

典型的高壓電容器故障有漏油，裂痕，破損，老化等，早期輕微的故障隱患可能累加導(dǎo)致特性不良，使得電容器補(bǔ)償效果變差，甚至補(bǔ)償能力變得不穩(wěn)定。以下提出的故障隱患試驗(yàn)方法，通過(guò)一種便攜式設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的試驗(yàn)變頻信號(hào)，在較寬頻率范圍內(nèi)對(duì)電容器進(jìn)行快速充放電研究，從而分析電容器的故障嚴(yán)重程度及故障發(fā)展趨勢(shì)。該技術(shù)立足于高壓電容器的等效阻抗理論，將電容器看做代表不同頻率分支回路的電容器并聯(lián)組成，因此不同支路出現(xiàn)故障，即會(huì)在對(duì)應(yīng)頻率范圍的容抗參值上出現(xiàn)較明顯的變化，基于此提出了一套便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)框架，既可以用于實(shí)驗(yàn)室，也可以用于現(xiàn)場(chǎng)。下面就該試驗(yàn)設(shè)備的功能及原理分別進(jìn)行描述。

2 容性等效阻抗的研究

1)電容器介質(zhì)阻抗響應(yīng)分析對(duì)于內(nèi)部缺陷的可行性:電容器內(nèi)部故障會(huì)導(dǎo)致電容器等效電容的分布發(fā)生變化，通過(guò)等效電路分析，如果在早期缺陷或故障隱患存在的情況下，阻抗在高頻階段會(huì)吸收更多的電流成分，因此曲線會(huì)發(fā)生偏移，隨著故障嚴(yán)重程度的加劇，阻抗變化會(huì)向低頻段移動(dòng)。因此頻率的變化會(huì)捕捉到內(nèi)部隱患的細(xì)節(jié)，相對(duì)常規(guī)的電容值測(cè)量，靈敏度會(huì)高很多。

2)對(duì)等效阻抗測(cè)試數(shù)據(jù)的描述分析:由于需要提高檢測(cè)靈敏度，將試驗(yàn)頻率盡可能覆蓋到代表故障的微小阻抗變化，本文提出的基于曲線差異的分析模式，包括阻抗頻譜、相角曲線、奈奎斯特曲線。同時(shí)具備數(shù)據(jù)圖譜的存儲(chǔ)管理，可比較其差異性和關(guān)聯(lián)性。雖然電容器的早期缺陷或隱患很難通過(guò)電容值直接測(cè)量出來(lái)，但是高頻等效電容可能發(fā)生數(shù)倍甚至數(shù)十倍的變化，對(duì)高頻成分的吸收會(huì)出現(xiàn)明顯增加。通過(guò)頻譜分解，觀察數(shù)赫茲到數(shù)千赫茲范圍的阻抗譜值，便可以拓寬到高頻成分的分析，分析細(xì)微故障對(duì)于高頻電容的明顯變化。因此只需要一個(gè)阻抗掃頻的裝置，分析阻抗頻率曲線以及相角和奈奎斯特曲(實(shí)部和虛部的關(guān)聯(lián)曲線)，即可快速查看內(nèi)部異常。除了基于曲線建立相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析手段外，曲線查看與分析的經(jīng)驗(yàn)同樣是必不可少的。

3 試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 試驗(yàn)源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用關(guān)鍵

信號(hào)源可以直接施加在絕緣層和導(dǎo)體之間，受被測(cè)容量的影響，輸出功率會(huì)做響應(yīng)自動(dòng)的調(diào)整。嚴(yán)格上說(shuō)，只有經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，才能夠得到相對(duì)最優(yōu)的試驗(yàn)電壓，以及最佳匹配的特征試驗(yàn)頻率。內(nèi)部絕緣部件的變質(zhì)、破損是老化和隱患的主要特征之一，早期的缺陷不會(huì)導(dǎo)致工頻范圍的電容值變化，但會(huì)導(dǎo)致高頻范圍電容變化數(shù)倍。同時(shí)除了對(duì)比分析阻抗頻率響應(yīng)曲線外，還可通過(guò)實(shí)部與虛部的關(guān)聯(lián)曲線－奈奎斯特特性進(jìn)行分析，如圖 (1)所示。

圖1 奈奎斯特曲線分析 (X為實(shí)部，Y軸為虛部)

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

設(shè)備的功能模塊主要分為試驗(yàn)電壓發(fā)生器，試驗(yàn)電源功放，試驗(yàn)反饋信號(hào)通道，以及控制試驗(yàn)電壓頻率和電壓，AD采樣的MCU單元，以及的通信和供電設(shè)備等。

通過(guò)對(duì)電容器結(jié)構(gòu)的等效電氣回路仿真，主要的電容器故障隱患可以通過(guò)在頻率0.1－30kHz內(nèi)進(jìn)行阻抗譜值分析體現(xiàn)出來(lái)。因此本技術(shù)路線主要基于:

1)阻抗譜曲線的獲取，包括阻抗頻率特性曲線、奈奎斯特曲線 (實(shí)部與虛部的關(guān)系)

2)特征曲線的解釋?zhuān)⑴c故障的關(guān)聯(lián)

阻抗譜的獲取主要采用非破壞性測(cè)試手段，基于寬頻域的阻抗測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻帶的阻抗特性曲線繪制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括:

a.頻可調(diào) (變頻變壓)試驗(yàn)源:目前市面上用的掃頻儀僅能針對(duì)功率 (DB)進(jìn)行測(cè)試，難以區(qū)分功率角，而功率角是反映復(fù)阻抗特性的關(guān)鍵參數(shù)，因此有必要研制專(zhuān)用的可進(jìn)行準(zhǔn)確的復(fù)阻抗測(cè)試的信號(hào)源，要求幅頻特性均可調(diào)整，才能針對(duì)不同容量和結(jié)構(gòu)的電容器進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，為確保試驗(yàn)源不受電容器對(duì)于沖擊電流的吸收影響，要求試驗(yàn)源有足夠的功率，至少達(dá)到20 VA的輸出，比常規(guī)掃頻儀的功率提高了5～10倍。

b.寬頻信號(hào)響應(yīng)采集:要求能夠快速準(zhǔn)確捕捉試驗(yàn)源輸出的復(fù)響應(yīng)信號(hào)，包括輸出電壓及輸出電流和角差。

c.圖形生成與解釋?zhuān)?chǔ)能響應(yīng)分析平臺(tái):通過(guò)復(fù)阻抗特征曲線建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，比較試驗(yàn)電容器的曲線差異來(lái)反映電容器內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的等效高頻阻抗的變化。主要分析的圖表工具為阻抗模值及曲線、奈奎斯特曲線、角差頻率曲線。

3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)功能描述

系統(tǒng)核心由FPGA擔(dān)任本地控制的采集與試驗(yàn)輸出控制。軟件平臺(tái)通過(guò)移動(dòng)PC與FPGA交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，儲(chǔ)存與分析，見(jiàn)圖2。

硬件控制流程圖

圖2 高壓電容器故障隱患測(cè)試硬件框圖

3.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線

圖3 高壓電容器故障隱患測(cè)試系統(tǒng)接線

由于試驗(yàn)輸出受內(nèi)部程序控制頻率，幅值及重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)等，因此輸出端只需兩端接線，內(nèi)部采用補(bǔ)償參數(shù)的方法對(duì)輸出試驗(yàn)接線的阻抗影響進(jìn)行補(bǔ)償，本試驗(yàn)采用的DIRA600電容器故障隱患測(cè)試系統(tǒng)，如圖3所示。

3.5 應(yīng)用控制流程說(shuō)明

試驗(yàn)裝置的接線簡(jiǎn)單

為確保試驗(yàn)輸出有較寬的應(yīng)用覆蓋面，本試驗(yàn)系統(tǒng)在頻率設(shè)置，掃頻頻段等方面做了特殊考慮。

4 曲線分析

容性電流頻譜特征曲線如圖4、圖5所示

圖4 容性電流頻譜曲線

圖5 容性阻抗頻譜曲線

容性阻抗頻譜特征曲線如圖6示，該電容器在125角頻率附近出現(xiàn)較明顯的突變，經(jīng)設(shè)備解體發(fā)現(xiàn)一路分支串聯(lián)電容已經(jīng)短路。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，小信號(hào)容性儲(chǔ)能分析方法用于電容器故障隱患測(cè)試是可行的，該方法基于等效阻抗理論的出發(fā)點(diǎn)將高壓電容器理解成代表不同頻率分支的支路并聯(lián)組成，因此通過(guò)發(fā)現(xiàn)不同頻率點(diǎn)的阻抗變化特征來(lái)分析電容器內(nèi)部故障的情況具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度。而且本文建立的以曲線差異分析為主的方法簡(jiǎn)化了分析的難度，無(wú)需計(jì)算單一頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化，使得測(cè)試和分析顯得直觀，容易掌握。

［1］Jian Zhang，Tianbin Wang，HV capacitive equipments equivalent circuits analysis，2012，Ieeetm(ORG)

［2］Samuel M.Goldwasser，Capacitor Testing，Safe Discharging and Other Related Information，2004，SciElectronics

［3］S.D.GOKHALE，Variable frequency HV Testing of Capacitor an Embedded approach，Textile＆ Engineering Institute，RAJWADA Ichalkaranji，International Journal of Engineering Science and Innovative Technology(IJESIT)，Volume 2，Issue 3，May 2013H