基于相對測量的電容器組故障診斷和定位

/國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司通遼供電公司 陳清志 楊建飛 竇磊 丁健 崔旭東/

基于相對測量的電容器組故障診斷和定位

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并聯(lián)電容器作為一種重要的無功補償裝置，對于改善電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和提高電能質(zhì)量起著重要作用。目前，并聯(lián)補償電容器的檢測通常為離線測試，出現(xiàn)故障主要依靠保護裝置動作切除。依據(jù)相關(guān)標準，電容器電容量變化超過一定值時認為電容器故障。電容器運行電流的變化將反應電容器電容量的變化，本文基于相對測量原理對并聯(lián)補償電容器的故障定位方法進行研究，通過模擬不同形式的電容器故障，計算電容器中電流的變化，嘗試實現(xiàn)對故障電容器的判斷和定位，并對方法的可行性進行了分析。

并聯(lián)電容器；相對測量；故障定位；電流

0　引言

并聯(lián)補償電容器是一種常用的無功補償設備，對改善電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高電能質(zhì)量起著重要的作用。目前對并聯(lián)電容器組運行狀態(tài)的監(jiān)測為整組電容器的相間或單相段間的不平衡監(jiān)測，且現(xiàn)在的各種保護方式均存在保護盲區(qū)。當電容器組中的某臺或幾臺電容器故障后，保護裝置跳開開關(guān)，檢修人員根據(jù)實際情況，對組內(nèi)電容器進行逐個檢測，定位故障電容器并進行更換。上述檢測工作為一種事后方法，檢查和維護工作量繁重，需要付出較大的人力物力和時間，影響設備正常運行。因此，為及時發(fā)現(xiàn)和排除電容器組的故障，保證無功補償設備安全可靠運行，有必要對設備的運行狀況進行在線監(jiān)測［1-5］。

本文針對現(xiàn)有檢測技術(shù)的弊端，通過計算正常和故障狀態(tài)下電容器組內(nèi)各臺電容器運行電流的幅值和相位，獲得電容器狀態(tài)信息，進而依據(jù)電容器電流幅值或相位的相對變化情況，嘗試實現(xiàn)對電容器組的故障定位。

1　并聯(lián)補償電容器組模型

目前變電站所應用的電容器主要為薄膜電容器，薄膜電容器內(nèi)部芯子以金屬箔為電極，將其和聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜重疊后卷繞成圓筒狀，然后經(jīng)過壓裝、連線、打包、裝箱、封蓋等工藝流程制造。單臺電容器內(nèi)部包含多個小電容，這些小電容一般采用串并聯(lián)組合的方式連接，每個小電容接有一根內(nèi)熔絲。現(xiàn)場實際運行中，并聯(lián)電容器組三相一般為星型接線，每相中也采取多臺電容器串并聯(lián)組合的形式來滿足各項參數(shù)的要求［6-7］。圖1為并聯(lián)補償電容器組一種常見的接線方式，采用雙星型接線，中性點不接地。每相中每組電容器為12并4串，每臺電容器額定電容量為29.55μF，使用一臺放電線圈進行放電，兼做電壓互感器。

圖1　12并4串電容器組電路連接圖

通常，單臺電容器由高壓套管、高壓引出線、連接片、芯子和不銹鋼材質(zhì)的油箱等幾部分組成。電容器內(nèi)部通常帶有內(nèi)熔絲和放電電阻保護，內(nèi)熔絲保護——即每一個元件串聯(lián)一根鍍錫細銅絲，當其中的某一個元件發(fā)生故障，被擊穿的時候，就會造成極板短路，和這個元件并聯(lián)的其他正常的元件就會向該短路點釋放電能，產(chǎn)生很大的放電電流，將內(nèi)熔絲熔化燒斷，使這個元件就從電路中脫離，而其他沒有損壞的電容元件則繼續(xù)處于運行狀態(tài)［8-9］。

電容器故障將導致電容量發(fā)生變化，因而現(xiàn)場電容器故障檢測主要依據(jù)電容器電容量的變化情況進行判斷。電容器電容量增加一般是由于內(nèi)部元件的擊穿或者是元件發(fā)生部分放電的緣故，此時電容量的增加量往往在10%以上，甚至更大。電容器電容量的減少的原因是元件上通過的電流超過預定值而導致內(nèi)熔絲熔斷，若有1個或2個元件的內(nèi)熔絲熔斷，電容量的變化值一般在5%以內(nèi)。當電容器的電容量變化超過一定閾值時即認為是電容器的故障。電容器電容量的變化將導致流過電容器的電流幅值或相位發(fā)生改變，此變化對于故障電容器和非故障電容器存在區(qū)別，基于此可通過對電容器電流的監(jiān)測來判斷電容器的運行狀態(tài)［10-11］。

利用Matlab中Simulink模塊，對上述并聯(lián)電容器組建立仿真模型［12］，如圖2所示，其中電源電壓U=20207V，C101，C102，…，C412為組內(nèi)各臺電容器編號，各臺電容器電容值均為29.55μF，R101、R102，…，R412為損耗電阻，由于一般電容器的介損不超過0.02%，可設定每個損耗電阻值均為0.02Ω；回路中串聯(lián)電感L補償度6%～12%，串聯(lián)電阻R=0.5Ω以減少衰減時間。

回路總電容Cm=29.55×12÷4=88.65μF，電感補償度為12%時，L=15.585mH。以下仿真均設定電感補償度為12%［13］。

圖2　并聯(lián)補償電容器組仿真模型

3　基于相對測量的電容器故障定位方法

以圖1為例，現(xiàn)場電容器組是采用12并4串的連接方式，每個電容器的電容量為29.55μF，當電容器受到外界的過電壓，涌流影響或者電容器存在缺陷時，可能會出現(xiàn)內(nèi)熔絲熔斷的情況，當有一根熔絲熔斷時，電容量變?yōu)?8.8933μF，當有兩根熔絲同時熔斷（兩個熔絲在同一串段和不在同一串段）時，電容量變?yōu)?8.2652μF或者為28.1429μF，本文針對這3種故障情況進行故障定位分析，其中流過電容器的電流值及其相角分別作為判定的指標，并結(jié)合仿真結(jié)果判斷兩種判定指標的可行性。具體步驟如下：

1）計算流過組內(nèi)每臺電容器的電流有效值，得到組內(nèi)各電容器的電流值和相角計算組內(nèi)所有電容器電流的平均值和相角的平均值

2）改變其中某臺電容器的電容值模擬故障情況，再次計算流過組內(nèi)每臺電容器的電流有效值和相角，計算組內(nèi)所有電容器的電流均值

3）由于系統(tǒng)電壓波動和環(huán)境因素將導致電容器電流出現(xiàn)波動，此波動于電容器電容值變化無關(guān)。為剔除此影響，計算和的比值，此比值作為電容器組受電壓和環(huán)境因素影響導致的電流變化比例系數(shù)。根據(jù)電容器不同故障時電流的變化量，同時考慮電流傳感器精度，可以確定電容器電流值的故障區(qū)間；由于電容器回路參數(shù)會對相角產(chǎn)生影響，計算每臺電容器電流相角與的差值，根據(jù)電容器不同故障時電流相角的變化量，確定電容器電流相角的故障區(qū)間。

4　仿真算例

4.1 基于電容器電流值故障區(qū)間進行故障判斷

先測量電容器正常情況下即C=29.55μF的電流值，得表1數(shù)據(jù)。

表1　電容器組正常情況下電流值

當電容器受到外界的過電壓，涌流影響或者電容器存在缺陷時，可能會出現(xiàn)內(nèi)熔絲熔斷的情況，當有一根熔絲熔斷時，電容量變?yōu)?8.8933μF，當有兩根熔絲同時熔斷（兩個熔絲在同一串段和不在同一串段）時，電容量變?yōu)?8.2652μF或者為28.1429μF。設C101=28.8933μF，C201=28.2652μF，以此為例，再次計算得到每個電容器電流值如表2所示。

表2　C101和C201電容器故障情況下電流值

表3　各電容器電流比值

由上表可看出，C101有一根熔絲熔斷，C201有兩根熔絲熔斷，其余電容器均無故障，與之前的設定相符。

改變故障電容器的位置和數(shù)量，重復以上步驟，得出結(jié)論均與設定相符。這說明根據(jù)電流變化可以對電容器組中的電容器進行故障狀態(tài)診斷和定位。

4.2 基于電容器電流相角進行故障判斷

先測量電容器正常情況下即C=29.55μF的電流相角，得表4數(shù)據(jù)。

表4　電容器組正常情況下電流相位（°）

設C101=28.8933μF，C201=28.2652μF，再次得到每個電容器電流相角如表5所示。

表5　電容器組故障情況下電流相位（°）

由上表可知，對于模擬故障情況，電流相位只變化0.01°，并且對于當前計算精度情況下所有電流相位變化均相同，此時不能判斷故障狀態(tài)。

5　結(jié)束語

本文通過計算正常和故障狀態(tài)下電容器組內(nèi)各臺電容器運行電流的幅值和相位，采用相對測量法對并聯(lián)補償電容器組進行故障定位，結(jié)果表明利用流過電容器組電流幅值的變化檢測能夠?qū)崿F(xiàn)電容器的故障狀態(tài)診斷和定位。

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