配網(wǎng)補(bǔ)償電容器故障監(jiān)測(cè)研究

康軍強(qiáng)，鄭江峰，陳 偉

(1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100044;2.北京國華能源投資有限公司，北京 100007)

1 引言

電網(wǎng)輸送的功率分為有功功率和無功功率，一般負(fù)載如電機(jī)類的負(fù)載均屬于感性的，工作時(shí)需要消耗無功功率，線路缺乏無功會(huì)使系統(tǒng)電壓降低，無功功率遠(yuǎn)距離輸送會(huì)增大電能損耗，從經(jīng)濟(jì)性角度應(yīng)當(dāng)避免無功功率的遠(yuǎn)距離輸送，一般需要在負(fù)荷端就地給電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，最簡(jiǎn)單和最方便的是用靜止并聯(lián)電容補(bǔ)償，利用電容發(fā)出的無功給負(fù)載提供無功功率，這樣可減小電網(wǎng)的損耗，還能提高設(shè)備的使用效率，提高電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。

補(bǔ)償電容器作為電網(wǎng)重要部分，它本身的安全、可靠地運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。電網(wǎng)上的并聯(lián)補(bǔ)償電容器，在長(zhǎng)期運(yùn)行中除了承受運(yùn)行電壓外還會(huì)受到各種操作過電壓的影響而逐漸老化。如果在實(shí)際運(yùn)行中沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)具有故障隱患的電容器以及故障電容器，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生巨大危害，對(duì)社會(huì)造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失和不利影響。傳統(tǒng)的電容器故障檢測(cè)手段，需要電網(wǎng)斷電通過預(yù)防性試驗(yàn)才能夠進(jìn)行，這樣會(huì)影響人們的生活和生產(chǎn)用電，降低了電網(wǎng)的利用效率和社會(huì)生產(chǎn)效率。同時(shí)離線的電容器狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有滯后性，不能及時(shí)反映運(yùn)行時(shí)的實(shí)際狀態(tài)等缺點(diǎn)。因此尋找一種能夠在線監(jiān)測(cè)電容器運(yùn)行狀態(tài)的方法，對(duì)提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率，保證電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性等有重要的意義。本文通過對(duì)比幾種電容器在線監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提出一種經(jīng)濟(jì)、合理的檢測(cè)手段。

并聯(lián)電容器的在線故障統(tǒng)計(jì)表明，局部放電現(xiàn)象是并聯(lián)電容器事故的普遍征兆，繼而發(fā)展成部分元件的擊穿短路故障。目前電容器的在線監(jiān)測(cè)手段有局放在線監(jiān)測(cè)法和介損在線監(jiān)測(cè)法，

2 并聯(lián)電容器的故障及危害

并聯(lián)電容器外表封閉，內(nèi)部有絕緣紙、鋁箔和電容器油構(gòu)成串并聯(lián)電容元件，內(nèi)部元件從外部無法觀察。補(bǔ)償電容器通過出線端套管與三相母線連接，根據(jù)電容器承受的電壓高低和無功補(bǔ)償容量大小補(bǔ)償電容器組有星形接法和三角形接法。

電容器在運(yùn)行過程中受到諸多因素的影響，包括其本身故障的影響，所處環(huán)境溫度的影響，過電壓、過電流的影響，惡劣氣候的影響，電容器附屬設(shè)備的故障影響以及系統(tǒng)運(yùn)行方式的調(diào)整和系統(tǒng)諧波源接入等都會(huì)影響電容器的正常運(yùn)行。

并聯(lián)電容器的故障現(xiàn)象包括電容器漏油、鼓肚、外殼閃絡(luò)、熔斷器熔斷、瓷套管老化等。并聯(lián)電容器的故障都會(huì)伴隨有放電現(xiàn)象發(fā)生。并聯(lián)電容器的所有故障中鼓肚的發(fā)生率最高，一般油箱隨溫度的變化而產(chǎn)生膨脹、收縮屬于正?，F(xiàn)象。但是在內(nèi)部發(fā)生局部放電嚴(yán)重時(shí)絕緣油會(huì)產(chǎn)生大量氣體，會(huì)時(shí)油箱變形，形成明顯的鼓肚現(xiàn)象。發(fā)生鼓肚的電容器一般不能維修，只能更換。漏油現(xiàn)象主要是電容器密封不嚴(yán)或不牢固等原因造成，電容器是全密封設(shè)備，密封不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致空氣和水分等雜質(zhì)進(jìn)入油箱內(nèi)部，造成絕緣受損，危害極大，應(yīng)該杜絕電容器漏油現(xiàn)象。

電容器故障將會(huì)引起補(bǔ)償電容器的補(bǔ)償容量降低進(jìn)而造成對(duì)電網(wǎng)的無功補(bǔ)償不足，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行效率變低，電容器燒毀甚至?xí)?dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)斷電等危害。

如何盡早發(fā)現(xiàn)電容器的初期故障，是擺在廣大技術(shù)人員面前的一道課題。

3 故障檢測(cè)方法介紹

3.1 離線定期巡檢的檢測(cè)方法

目前有幾種電容器故障檢測(cè)手段，其中最原始的是系統(tǒng)斷電，離線定期通過預(yù)防型試驗(yàn)巡檢的方法。該種方式需要一定范圍內(nèi)的電網(wǎng)斷電，由巡檢人員帶著相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備檢測(cè)補(bǔ)償電容器的各種性能。該方式需要耗費(fèi)大量的人力資源，并且工作效率低下，具有一定的滯后性，同時(shí)需要斷電影響電網(wǎng)的運(yùn)行等缺點(diǎn)。由于人員可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)設(shè)備會(huì)有較好的檢測(cè)效果，同時(shí)會(huì)減少檢測(cè)設(shè)備的數(shù)量降低成本。在早期由于電網(wǎng)規(guī)模不是很大，系統(tǒng)復(fù)雜程度不高，同時(shí)受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平所限該種方式具有一定的優(yōu)勢(shì)，但隨著人力成本的提高，和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和運(yùn)行效率的高要求，該種方只能作為一種輔助的檢測(cè)手段。

3.2 補(bǔ)償電容器的局部放電在線測(cè)量監(jiān)測(cè)方法

補(bǔ)償電容器在線發(fā)生各種故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，因此在線局放檢測(cè)手段可以非常準(zhǔn)確的判斷電容器運(yùn)行是否正常。局部放電的監(jiān)測(cè)是以伴隨局放放電的各種現(xiàn)象為依據(jù)，通過能代表該現(xiàn)象的物理量的測(cè)量來評(píng)定電容器的放電情況。主要包括前端傳感器、前置放大單元、信號(hào)處理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通訊、控制等部分組成。其基本原理如圖1所示:

該種方法具有非常高的準(zhǔn)確性，可以較可靠地判斷電容器是否能夠正常工作。但是此方式的實(shí)現(xiàn)需要非常高的設(shè)備成本，現(xiàn)場(chǎng)安裝復(fù)雜。尤其當(dāng)前電網(wǎng)中補(bǔ)償電容器設(shè)備數(shù)量巨大，采用此種方法會(huì)使對(duì)補(bǔ)償電容器的監(jiān)測(cè)成本大大增加。并且該設(shè)備對(duì)環(huán)境的要求較高，會(huì)因環(huán)境的變化而受到干擾。在配電電網(wǎng)中難以大規(guī)模應(yīng)用。

圖1 補(bǔ)償電容器局部放電檢測(cè)基本原理圖

3.3 補(bǔ)償電容器的電容值在線監(jiān)測(cè)方法

并聯(lián)補(bǔ)償電容器的內(nèi)部放電，為電容兩極板之間的放電。內(nèi)部放電相對(duì)緩慢，頻率較低，產(chǎn)生故障是逐步積累的過程，該過程會(huì)導(dǎo)致電容器發(fā)熱和絕緣擊穿。外部動(dòng)態(tài)特性看來是電容量發(fā)生變化，這會(huì)從其流過的電流表現(xiàn)出來。

該方法的基本原理是通過實(shí)時(shí)測(cè)量母線電壓U和電容器電流I，根據(jù)電壓和電流的相位差和電流、電壓值來計(jì)算電容器的電容量。可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來對(duì)比電容值的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器的狀態(tài)監(jiān)視，來及時(shí)發(fā)現(xiàn)電容器的故障隱患。

該方法的測(cè)量精度低于在線局放測(cè)量，在實(shí)際應(yīng)用中也能夠滿足對(duì)電容器狀態(tài)監(jiān)視的功能要求，但是本方案的成本較局放監(jiān)測(cè)要低很多同時(shí)安裝復(fù)雜程度也較在線局放監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)單。其基本原理如圖2所示。

該套系統(tǒng)由精密電壓互感器、精密零磁通電流互感器、信號(hào)采集模塊和計(jì)算機(jī)監(jiān)控平臺(tái)以及通道選擇開關(guān)等及部分組成。

精密零磁通互感器可以將補(bǔ)償電容器電流信號(hào)變換成0－10V的電壓信號(hào)，傳送到監(jiān)控模塊。該傳感器采用零磁通穿心結(jié)構(gòu)電流傳感器，它是專為電流在線監(jiān)測(cè)研制的單匝穿心式結(jié)構(gòu)。外殼采用屏蔽密封式。能防雨、防塵、防銹，抗電磁干擾。該傳感器精度能夠達(dá)到比差在±0.01%，非線性度±0.005，角差在±0.01°以內(nèi)，可以在－40～55℃度的寬溫范圍內(nèi)正常工作。零磁通互感器的這些特性使得對(duì)電網(wǎng)上補(bǔ)償電容器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加可靠、準(zhǔn)確。零磁通互感器如圖3所示。

信號(hào)采集模塊，采用多通道同步采集的AD7606采集芯片，該采集卡可以達(dá)到200kps的采樣率，分辨率為16位，采集卡內(nèi)有倍數(shù)放大器，可以自動(dòng)將小信號(hào)進(jìn)行放后再采集，保證采集的信號(hào)精度在±0.03%以內(nèi)。

圖2 補(bǔ)償電容器電容值監(jiān)測(cè)基本原理圖

采集卡內(nèi)由FPGA來作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)高速采集和同步觸發(fā)功能，同時(shí)該采集卡具有光纖通訊功能。通過光纖與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，保證了高通訊速率的同時(shí)可以將監(jiān)控平臺(tái)的計(jì)算機(jī)與采集模塊進(jìn)行電氣隔離，提高整套系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能。采集模塊的電路如圖4所示。

圖3 零磁通互感器實(shí)物圖

通過可編程控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)選擇接觸器的遠(yuǎn)程控制，選擇接觸器的應(yīng)用可以將監(jiān)控平臺(tái)的成本大大降低。本系統(tǒng)利用輪詢?cè)?，即通過選擇接觸器來切換監(jiān)控通道，這樣可以利用一套信號(hào)采集模塊就可以分時(shí)監(jiān)控多個(gè)補(bǔ)償電容器的工作狀態(tài)。例如一分鐘切換一個(gè)監(jiān)測(cè)通道這樣可以在一小時(shí)內(nèi)監(jiān)控60組補(bǔ)償電容器的當(dāng)前狀態(tài)。

圖4 采集模塊的電路實(shí)物圖

監(jiān)控平臺(tái)將采集到的信息進(jìn)行擬合、運(yùn)算，可以準(zhǔn)確得出測(cè)量回路的電容值，根據(jù)電容量的變換可以判斷被測(cè)回路的補(bǔ)償電容器工作狀態(tài)是否正常。

該方案可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)在一個(gè)負(fù)荷補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)利用一套信號(hào)采集模塊和一套監(jiān)控平臺(tái)就可以監(jiān)視所有電容器的工作狀態(tài)，保證了補(bǔ)償電容器安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上同時(shí)降低了人力成本和設(shè)備成本。通過檢測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將當(dāng)前的測(cè)量電容值與設(shè)備原始的電容值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)其趨勢(shì)曲線可以及時(shí)將具有故障隱患的的電容器組位置進(jìn)行確定，大大降低了人員檢修的工作量，同時(shí)為后期設(shè)備維護(hù)提供了可靠依據(jù)。

4 監(jiān)測(cè)手段比較

通過上面的介紹我們可以發(fā)現(xiàn)各種監(jiān)測(cè)手段的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 各監(jiān)測(cè)手段優(yōu)缺點(diǎn)比較

5 結(jié)論

通過以上分析，配電網(wǎng)補(bǔ)償電容器的電容值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，對(duì)配電網(wǎng)的安全高質(zhì)量運(yùn)行具有一定輔助作用。隨著國家對(duì)電網(wǎng)改造力度加大，智能電網(wǎng)必然會(huì)快速發(fā)展，該技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)大大提高配電網(wǎng)補(bǔ)償電容器運(yùn)行的安全性，提高智能化水平管理水平。該技術(shù)在理論上是完全可行的，目前該系統(tǒng)正在調(diào)試過程中，通過調(diào)試運(yùn)行將該系統(tǒng)中的一些不足暴漏出來，進(jìn)一步進(jìn)行完善，然后推向市場(chǎng)，為智能電網(wǎng)的發(fā)展添磚加瓦。

［1］王昌長(zhǎng)，李福琪，高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［2］李巖，楊民軒.電力電容器局部放電聲電檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.電氣化鐵道，2008，(1):20－21.

［3］黃新波.輸電線路在線監(jiān)測(cè)與故障診斷［M］.北京:中國電力出版社，2008.