基于超聲檢測(cè)的并聯(lián)電力電容器故障預(yù)警裝置研究

周 鵬，黃 濤，朱月凱

（國(guó)網(wǎng)鎮(zhèn)江市供電局，江蘇 鎮(zhèn)江 212001）

1 概述

在現(xiàn)代高壓電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的作用日益突出，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行作用巨大。其中，高壓并聯(lián)電力電容器是高壓電力網(wǎng)絡(luò)中的一種主要的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，能夠有效地補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功功率，對(duì)改善電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率因數(shù)、提供電壓質(zhì)量和穩(wěn)定性、降低電力傳輸過(guò)程中的線路損耗等方面有著非常重要的作用。但由于高壓并聯(lián)電力電容器一般應(yīng)用于高壓輸電線路中，主要工作在戶外，容易受到環(huán)境溫度、工作溫度、工作電壓、諧波等各種因素的影響，電容器損壞（甚至爆炸）等事故仍經(jīng)常發(fā)生，對(duì)整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全運(yùn)行威脅較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成大面積停電和一定的人員傷亡，給國(guó)家、社會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［1-3］。因此，必須通過(guò)一定的技術(shù)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)解決電力電容器中存在的微小故障，以避免發(fā)生更為嚴(yán)重的電力事故。

一直以來(lái)，電力公司主要通過(guò)檢修人員完成電容器組電容量測(cè)量、拆解引線、電容量計(jì)算以及三相電容量平衡配置計(jì)算等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電容器的故障檢測(cè)，需要投入大量的人力、財(cái)力和時(shí)間，成本巨大。但隨著我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的快速擴(kuò)大，人工檢修方式已經(jīng)無(wú)法完成對(duì)不斷增加的電力電容器裝置的檢測(cè)工作，電力公司也就不能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握眾多變電站內(nèi)電力電容器的劣化情況，無(wú)法保證整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全，電力公司迫切需要新的檢修方式以滿足不斷擴(kuò)大的電力網(wǎng)絡(luò)的檢修需求。因此，對(duì)高壓并聯(lián)電力電容器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)／預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決電力電容器在運(yùn)行過(guò)程中小的故障，從而可以有效避免電容器損害、爆炸等嚴(yán)重事故的發(fā)生，對(duì)保證高壓電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有非常重要的意義［4-5］。近年來(lái)，高壓并聯(lián)電力電容器的在線檢測(cè)／預(yù)警系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)科研人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一，成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

本文提出一種基于超聲檢測(cè)的電力電容器故障檢測(cè)／預(yù)警系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和軟件功能，給出主要的功能模塊和實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)到電容器發(fā)生故障時(shí)所激發(fā)的局部放電信號(hào)，并根據(jù)局放信號(hào)的特征量判定局放類型、局放強(qiáng)度、局放趨勢(shì)等，及時(shí)以聲、光、短信通知等方式完成報(bào)警。

2 基于超聲檢測(cè)的電力電容器故障預(yù)警技術(shù)

2.1 電力電容器故障分析

一般而言，電力電容器是由電容器元件并聯(lián)或串聯(lián)組成的，電容器的外表面完全封閉，內(nèi)部由絕緣紙、鋁泊和電容器油構(gòu)成電容元件，通過(guò)出線端子與輸電線路母線上的三相相連接，內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部觀測(cè)不到，因此人工無(wú)法及時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)故障。當(dāng)電容器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，內(nèi)部電流增大，致使內(nèi)部氣體壓力增大，輕者發(fā)生漏油或鼓肚現(xiàn)象，重者會(huì)引起爆炸。

系統(tǒng)電壓過(guò)高或過(guò)低也可能危及電容器的安全運(yùn)行。因電容器內(nèi)部功耗與電壓平方成正比，過(guò)電壓時(shí)電容器因內(nèi)部功耗增大使溫度顯著增高，將進(jìn)一步損壞電容器內(nèi)部絕緣介質(zhì)。外部短路故障時(shí)，使電容器失壓，但在電荷尚未釋放時(shí)，可能在恢復(fù)供電時(shí)再次充電使電容器過(guò)壓；另一種情況是恢復(fù)供電時(shí)，變壓器與電容器同時(shí)投入，容易引起操作過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓，從而使電容器過(guò)壓。另外，電容器故障的發(fā)生與運(yùn)行中的臟污、受濕受潮等環(huán)境因素密切相關(guān)，也與電容器的制造工藝、電容器材料質(zhì)量、電容器結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。

從電容器故障的具體表現(xiàn)分析，電力電容器的故障主要有絕緣不良、過(guò)電壓、外力破壞、滲漏、鼓肚、炸裂等，其中炸裂是非常嚴(yán)重的故障，會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。但炸裂并不是突然發(fā)生的，炸裂發(fā)生前必然長(zhǎng)期存在其它小的故障，比如長(zhǎng)期滲漏、鼓肚等。如果能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電容器運(yùn)行中的小故障，就可以避免炸裂等嚴(yán)重電力事故的發(fā)生。

2.2 主要的電容器故障檢測(cè)方法

電力電容器的故障檢測(cè)方法主要可分為兩大類：基于非電量的故障檢測(cè)方法和基于電量的故障檢測(cè)方法［6-9］。其中，基于非電量的故障檢測(cè)方法主要是利用電容器中的油氣、設(shè)備噪聲、設(shè)備振動(dòng)、環(huán)境溫度變化等指標(biāo)，基于電量的故障檢測(cè)方法主要是利用電壓電流變化、電容量變化、泄露電流、局放信號(hào)等指標(biāo)。

油中溶解氣體分析法是一種比較典型的基于非電量的電容器故障檢測(cè)方法，主要是通過(guò)檢測(cè)電容器絕緣油中的各種氣體的組成和濃度來(lái)判定判定故障類型、故障程度等，較為成熟且有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，抗外界電磁干擾的能力較強(qiáng)，所獲得的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確可靠，但由于氣體在油中的擴(kuò)散有一定的時(shí)間，油中的氣體濃度需要較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)累積到較高的水平，實(shí)時(shí)性較差。同時(shí)，由于電容器是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，對(duì)油中氣體的檢測(cè)無(wú)法在線完成。因此，該方法主要適用于故障的后續(xù)判定，而無(wú)法用于電容器的故障實(shí)時(shí)檢測(cè)。

作為電容器的主要參數(shù)之一，電容器的任何故障都會(huì)引起電容量發(fā)生不同程度的變化。因此，基于電容量的電容器故障檢測(cè)方法是一種傳統(tǒng)而又重要的故障檢測(cè)方法，多年來(lái)一直是業(yè)界的研究重點(diǎn)。但是，該方法需要故障持續(xù)一段時(shí)間之后導(dǎo)致電容量有較為明顯的變化才有效，無(wú)法有效檢測(cè)前期的微小故障。

隨著傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是近年來(lái)的局放檢測(cè)技術(shù)的提高，基于局放的電容器故障檢測(cè)／預(yù)警技術(shù)成為新的電容器故障檢測(cè)方法。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，電容器的局放是由于設(shè)備中的微小故障（如：懸浮導(dǎo)電顆粒物、尖狀突起、空洞、氣泡等）在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電火花式的放電現(xiàn)象，是促進(jìn)電力設(shè)備加速老化而產(chǎn)生嚴(yán)重故障的重要因素。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，電力設(shè)備在額定工作電壓下的運(yùn)行壽命與其絕緣介質(zhì)中是否存在局部放電以及局放的強(qiáng)度緊密相關(guān)，一般而言，局放越強(qiáng)則設(shè)備的運(yùn)行壽命越短，越容易發(fā)生嚴(yán)重故障。同時(shí)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)局放可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)微小故障或突發(fā)性故障，從而可以預(yù)防電容器爆炸等重大事故的發(fā)生，這也是優(yōu)于油中溶解氣體分析法的重要一點(diǎn)?，F(xiàn)有的局部放電在線測(cè)量方法主要有甚高頻法（VHF）、超高頻法（UHF）、電脈沖測(cè)量法、超聲波測(cè)量法等［10］。其中，超聲波法存在安裝方便、無(wú)須打開(kāi)電容器、強(qiáng)弱電分離、測(cè)量精度較高等優(yōu)勢(shì)，因此本文選擇超聲波測(cè)量法作為主要的研究對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于超聲檢測(cè)的并聯(lián)電力電容器故障預(yù)警系統(tǒng)，深入分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程及軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了有效實(shí)現(xiàn)基于超聲檢測(cè)的并聯(lián)電力電容器的硬件功能，本文設(shè)計(jì)完成的硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)特征鑒別模塊、特征提取模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源穩(wěn)壓模塊和看門狗電路模塊等組成。

在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)接收超聲傳感器傳送過(guò)來(lái)的模擬超聲信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入信號(hào)特征鑒別模塊進(jìn)行下一步處理。數(shù)據(jù)采集模塊具體電路圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集模塊電路圖

信號(hào)特征鑒別模塊可編程邏輯芯片，在該芯片內(nèi)設(shè)計(jì)了信號(hào)特征鑒別電路，主要負(fù)責(zé)接收由數(shù)據(jù)采集模塊傳送過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)，提取信號(hào)的包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)包絡(luò)信號(hào)的基本特征量的提取，最后將包絡(luò)及基本特征量送入特征提取模塊進(jìn)行下一步處理。信號(hào)特征鑒別模塊的具體電路如圖2所示。

特征提取模塊采用微處理的接口總線接收由特征鑒別模塊送來(lái)的包絡(luò)信號(hào)，通過(guò)微處理器完成對(duì)信號(hào)的降噪、濾波，統(tǒng)計(jì)計(jì)算信號(hào)的特征信息，并將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線送給遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)，由軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收、顯示和進(jìn)一步處理。特征提取模塊的具體電路如圖3所示。

圖2 信號(hào)特征鑒別模塊電路圖

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)微處理器與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸功能，為了實(shí)現(xiàn)快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸主要通過(guò)CAN總線完成。此外，為了后續(xù)系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，系統(tǒng)預(yù)留了RS485網(wǎng)絡(luò)接口模塊，數(shù)據(jù)也可以通過(guò)該接口完成傳輸。數(shù)據(jù)傳輸模塊的具體電路如圖4所示。

為了保證系統(tǒng)的電力供應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了直流穩(wěn)壓電源模塊，負(fù)責(zé)為整個(gè)硬件系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源，能夠有效滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需求。為了防止硬件系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖等異常情況，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了看門狗電路，在硬件系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)復(fù)位，有效保證了整個(gè)硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，后臺(tái)軟件系統(tǒng)接收由硬件系統(tǒng)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析、計(jì)算，根據(jù)設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的軟件系統(tǒng)具備多模式數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、局放趨勢(shì)分析、多種方式自動(dòng)報(bào)警等功能，系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

軟件系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口和硬件系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一方面接收由硬件系統(tǒng)傳送過(guò)來(lái)的波形數(shù)據(jù)，另一方面是向硬件系統(tǒng)傳送采集卡參數(shù)數(shù)據(jù)，完成對(duì)采集卡的參數(shù)設(shè)置。數(shù)據(jù)分析模塊完成數(shù)據(jù)的分析、處理，形成多類型圖譜并提取報(bào)警特征量，通過(guò)實(shí)時(shí)顯示模塊完成多類型圖譜的實(shí)時(shí)顯示，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。自動(dòng)報(bào)警模塊通過(guò)接收由數(shù)據(jù)分析模塊提供的報(bào)警特征量，依據(jù)特征量實(shí)現(xiàn)聲／光報(bào)警、自動(dòng)電話報(bào)警等，并將報(bào)警信號(hào)送入數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)歷史報(bào)警數(shù)據(jù)查詢模塊可以查詢歷史報(bào)警記錄，依據(jù)歷史報(bào)警記錄進(jìn)行趨勢(shì)分析。查詢／回放模塊通過(guò)檢索波形圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)查詢特定通道的特定時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，并以多種波形圖譜方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，以方便事后判定。

圖3 特征提取模塊電路圖

圖4 數(shù)據(jù)傳輸模塊電路圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

在完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)之后，文中針對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了多方面的模擬實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

針對(duì)典型的放電類型，本文設(shè)計(jì)了金屬針尖，內(nèi)部氣泡，懸浮電極和自由金屬等4種典型的放電模型，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)以獲取放電波形和放電的基本特征量，通過(guò)對(duì)比所獲得的放電波形對(duì)硬件系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。4種放電模型如圖6所示。

圖6 4種放電模型

在完成放電模型設(shè)計(jì)后，本文通過(guò)對(duì)電容器提供不同高電壓以激發(fā)局放，然后通過(guò)超聲波傳感器采集超聲信號(hào)，并通過(guò)采集卡進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、濾波、分析，形成最終的包絡(luò)波形。4種典型放電模型所形成的包絡(luò)波形如圖7所示。

圖7 4種典型放電模型的包絡(luò)波形

多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果：同一缺陷模型所產(chǎn)生的局部放電時(shí)域信號(hào)特征基本相同，包絡(luò)也大致相同；不同的缺陷模型所產(chǎn)生的局部放電時(shí)域信號(hào)波形特征不同，其包絡(luò)形狀也不同，具體表現(xiàn)在幅值和相位上。因此可以提取包絡(luò)信號(hào)的特征參數(shù)，通過(guò)模式識(shí)別方法判定局放類型、局放強(qiáng)度、局放持續(xù)時(shí)間等主要參數(shù)，以此作為自動(dòng)報(bào)警的主要指標(biāo)；當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，軟件系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)到局放信號(hào)并自動(dòng)形成報(bào)警信號(hào)，及時(shí)通過(guò)聲、光、短信等方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警，有效幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高壓輸電系統(tǒng)中的電力電容器存在老化、滲漏等引起的各類電器故障，本文在深入分析故障類型、故障成因、故障檢測(cè)預(yù)警技術(shù)的基礎(chǔ)上，指出超聲檢測(cè)具有安裝方便、無(wú)須打開(kāi)電容器、強(qiáng)弱電分離、測(cè)量精度較高等方面的優(yōu)勢(shì)，提出了基于超聲檢測(cè)的并聯(lián)電容器故障檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，詳細(xì)分析了硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于超聲檢測(cè)的并聯(lián)電力電容器故障預(yù)警系統(tǒng)。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)完成的采集卡能夠有效提取局放發(fā)生時(shí)所激發(fā)的超聲波信號(hào)，提取獲得的包絡(luò)波形具有較高的可區(qū)分性，能夠根據(jù)超聲波信號(hào)的特征量區(qū)分典型的局部放電模型。軟件系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)多類型圖譜的實(shí)時(shí)顯示，局放檢測(cè)精度高，能夠及時(shí)根據(jù)局放類型、強(qiáng)度和趨勢(shì)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于超聲檢測(cè)的并聯(lián)電力電容器故障檢測(cè)／預(yù)警系統(tǒng)能夠幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力電容器可能存在的安全隱患，有效降低了重大安全事故發(fā)生概率，具有較大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。

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