淺析電力電容器故障的紅外診斷

國網(wǎng)保定供電公司 張保寧 丁 斌

1 電力電容器的種類及結(jié)構(gòu)

電力電容器是電力系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的一種電氣設(shè)備，按用途可分為8種：①并聯(lián)電容器。原稱移相電容器。主要用于補(bǔ)償電力系統(tǒng)感性負(fù)荷的無功功率，以提高功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，降低線路損耗。②串聯(lián)電容器。串聯(lián)于工頻高壓輸、配電線路中，用以補(bǔ)償線路的分布感抗，提高系統(tǒng)的靜、動態(tài)穩(wěn)定性，改善線路的電壓質(zhì)量，加長送電距離和增大輸送能力。③耦合電容器。主要用于高壓電力線路的高頻通信、測量、控制、保護(hù)以及在抽取電能的裝置中作部件用。④斷路器電容器。原稱均壓電容器。并聯(lián)在超高壓斷路器斷口上起均壓作用，使各斷口間的電壓在分?jǐn)噙^程中和斷開時(shí)均勻，并可改善斷路器的滅弧特性，提高分?jǐn)嗄芰?。⑤電熱電容器。用于頻率為40～24000赫的電熱設(shè)備系統(tǒng)中，以提高功率因數(shù)，改善回路的電壓或頻率等特性。⑥脈沖電容器。主要起貯能作用，用作沖擊電壓發(fā)生器、沖擊電流發(fā)生器、斷路器試驗(yàn)用振蕩回路等基本貯能元件。⑦直流和濾波電容器。用于高壓直流裝置和高壓整流濾波裝置中。⑧標(biāo)準(zhǔn)電容器。用于工頻高壓測量介質(zhì)損耗回路中，作為標(biāo)準(zhǔn)電容或用作測量高壓的電容分壓裝置。

盡管不同用途的電力電容器外形結(jié)構(gòu)有較大差異，但他們的核心元件（即電容芯子和電容包）卻大體相似。這些電容元件通過一定的串并聯(lián)組合形成不同容量和電壓等級的電容器芯子，再用絕緣支承層或板將其包封或固定，密封于封裝容器內(nèi)，就構(gòu)成了相應(yīng)形式的電容器基本結(jié)構(gòu)。

2 電力電容器的常見故障

電力電容器的常見故障，除外部連接不良外，內(nèi)部故障主要包括、受潮、絕緣老化、支架放電、漏油、連接片脫焊、浸漬不良等幾種類型。這些故障除了與材質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)工藝條件有關(guān)外，還受運(yùn)行工況的影響。并且，一般都是從小范圍、程度較輕逐漸發(fā)展惡化。如果后期監(jiān)測不力，則會導(dǎo)致整體貫穿性擊穿放電，甚至釀成更嚴(yán)重的事故。

2.1 受潮

因制造質(zhì)量不良或安裝工藝不佳，會引起密封不嚴(yán)或密封件老化，造成電容器芯體受潮。大多數(shù)故障點(diǎn)出現(xiàn)在電容器上不，通過冷熱循環(huán)產(chǎn)生負(fù)壓而進(jìn)水，致使內(nèi)部容易吸潮的原件或絕緣介質(zhì)（如電容器油、絕緣支架、紙板等）吸收水分后，鐵件生銹，絕緣材料介質(zhì)損耗增大（例如，紙含水量從1%增加到8%時(shí)，tgδ可增大幾百倍），并嚴(yán)重過熱，最終會造成局部或整體放電擊穿等事故。

2.2 絕緣老化

電力電容器長時(shí)間運(yùn)行后，長期耐壓會導(dǎo)致絕緣介質(zhì)性能的劣化，介質(zhì)損耗及發(fā)熱量增加。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)，投運(yùn)時(shí)間過久的多數(shù)移相電容器tgδ值都不同程度的升高。通過絕緣油老化還伴有氣泡產(chǎn)生，引起內(nèi)部局部放電，還可造成酸值增高，并與某些金屬形成鹽類，使tgδ進(jìn)一步增大。

2.3 支架放電

耦合電容器內(nèi)部一般使用絕緣支撐桿。由于與浸漬絕緣介質(zhì)之間的介電常數(shù)不一致，如果材料不好，支架顏面就容易在場強(qiáng)集中處發(fā)生局部放電腐蝕，繼而擴(kuò)大缺陷。通常，支架放電在某種程度上與電容器受潮有內(nèi)在聯(lián)系，放電時(shí)可產(chǎn)生油分子聚縮成X蠟而放出氣體，這又會進(jìn)一步加劇油中的局部放電過程。

2.4 漏油

當(dāng)電力電容器底部密封結(jié)構(gòu)不良時(shí)，會引起漏油。漏油通過呼吸作用吸入潮氣，導(dǎo)致一定程度的受潮。當(dāng)漏油較多，油位過低，電容器極板間或端面出現(xiàn)氣隙而發(fā)生放電。嚴(yán)重時(shí)會造成局部元件擊穿或引發(fā)其他事故。

2.5 連接片脫焊

這種故障多為組裝工藝不嚴(yán)所致。脫焊可引起小范圍局部放電和發(fā)熱，長期作用則可引發(fā)絕緣介質(zhì)普遍劣化，并伴隨產(chǎn)生大量的X蠟。

2.6 浸漬不良

電容器生產(chǎn)過程中若浸漬時(shí)抽真空不夠，會造成浸漬不良，使電容器芯子內(nèi)部殘存氣體，因而在電廠作用下發(fā)生放電，并增大介質(zhì)損耗和發(fā)熱量，這種故障引起的劣化作用較為普遍。產(chǎn)生的X蠟和氣體加劇了局部放電。如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致設(shè)備整體性能惡化。

上述電力電容器的故障一般伴隨著整體或局部發(fā)熱的特征，因此應(yīng)用紅外成像技術(shù)可以進(jìn)行電力電容器故障診斷。

3 電力電容器發(fā)熱故障的紅外診斷

眾所周知，電力電容器即使沒有任何故障，在交流電壓作用下介質(zhì)也會因交變極化而消耗能量并發(fā)熱，這就是正常運(yùn)行狀態(tài)下的介質(zhì)損耗發(fā)熱。通常，對于任何特定規(guī)格型號的電容器，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性，正常狀態(tài)下內(nèi)部發(fā)熱與表面溫度分布或熱像都有相對的穩(wěn)定性，而且，溫度也會局限在一定范圍之內(nèi)。為了在紅外診斷中根據(jù)表面溫度分布或溫升來判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在故障，基本前提應(yīng)了解正常狀態(tài)下的發(fā)熱及其熱像特征。下面我們以最常見的耦合電容器、移相電容器和串聯(lián)電容器為例加以說明

3.1 耦合電容器

耦合電容器正常狀態(tài)下，因介質(zhì)損耗發(fā)熱的表面熱像特征是一個(gè)具有軸對稱的整體發(fā)熱熱像，溫度最高點(diǎn)接近頂部附近，向下遞減。由于無故障耦合電容器介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ很小，加上散熱條件較好，因此表面溫升不高。但對于非直接接地系統(tǒng)而言，當(dāng)出現(xiàn)長時(shí)間單項(xiàng)接地故障時(shí)，可以引起非故障相的耦合電容器的電容量明顯增加。

當(dāng)耦合電容器發(fā)生受潮和其他故障時(shí)，其發(fā)熱特征與正常運(yùn)行時(shí)的熱像特征類似，即以整體發(fā)熱為主，符合溫度自上而下遞減的規(guī)律。但是表面溫升高于正常狀態(tài)下的溫升，因受潮程度不同產(chǎn)生的溫升差異也不同。應(yīng)該指出的是，某些故障（如支架或斷路引起的放電）可能伴隨有局部發(fā)熱的熱像特征；底部附近的發(fā)熱故障，可通過油對流循環(huán)導(dǎo)致整體性均衡發(fā)熱；中上部故障發(fā)熱時(shí)使故障點(diǎn)以上區(qū)域普遍發(fā)熱；而漏油故障一般在上部呈現(xiàn)一個(gè)以油位面為分界線的冷熱分明的熱像。

由于耦合電容器溫升一般較小，所以，檢測時(shí)應(yīng)特別重視選擇環(huán)境參照體。通常可以選取不發(fā)熱的斷路器支柱、支柱絕緣子或其他體積相近的合適瓷表面設(shè)備作為參照體。另外，與其它高壓電氣設(shè)備一樣，耦合電容器也會有外部連接不良故障。此類故障熱像特征也與其它設(shè)備外部故障熱像相同。

3.2 移相電容器和串聯(lián)電容器

移相電容器和串聯(lián)電容器一般為鐵殼封裝的扁型箱體。因介質(zhì)損耗相對較大，而且散熱條件欠佳，所以表面溫升略高。正常運(yùn)行狀態(tài)下的熱像特征，一般是一個(gè)溫度分布以寬側(cè)面垂直平分線的2/3高度處為最高溫度點(diǎn)的熱像圖，其余部位溫度略有下降。但是，由于傳熱介質(zhì)不完全一致，因此，也可能出現(xiàn)輕微的局部溫度不平衡。通常，在電力電容器中，移相電容器的運(yùn)行監(jiān)測都以控制單元的最高溫度為準(zhǔn)。因而，介質(zhì)損耗值得測量并不重要。

移向電容器和串聯(lián)電容器主要故障有受潮、局部放電、介質(zhì)老化和漏油等，一般受潮和老化故障的熱像特征呈現(xiàn)為整體發(fā)熱的熱像。發(fā)熱嚴(yán)重者，伴隨有“鼓肚子”的外觀特征，此時(shí)的熱像特征是一個(gè)以“肚子”上部為中心的熱像，“肚子”鼓起的移相電容器比正常電容器在運(yùn)行中的溫度高出許多，很容易因發(fā)生內(nèi)部擊穿而引發(fā)爆炸事故。除整體發(fā)熱外，局部性故障的熱像特征往往是在整體發(fā)熱的同時(shí)伴隨著局部過熱的熱征。而缺油故障則形成以油位面為分界線的明顯溫度梯度熱像。

除上述故障外，移向電容器或串聯(lián)電容器因外部連接不良造成的外部故障熱像熱證，同樣是以故障點(diǎn)為中心的熱像。