基于電力電容器[C]值監(jiān)測(cè)的新型故障預(yù)警技術(shù)

梁東 咸日常 崔聰 劉興華 張萬(wàn)征 魯堯

摘? 要： 理論研究和運(yùn)行實(shí)踐表明，電力電容器成套裝置的運(yùn)行故障率明顯高于其他變電設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)電力電容器的故障預(yù)警，通過(guò)從母線側(cè)電壓互感器獲取電壓信號(hào)、回路電流互感器獲取電流信號(hào)，研究電力電容器電容量[C]值監(jiān)測(cè)的新型技術(shù)方案，確定其預(yù)警閾值。并通過(guò)監(jiān)測(cè)成套裝置消耗的有功功率以甄別串聯(lián)電抗器是否存在故障，保證了電容量[C]值監(jiān)測(cè)的精度。運(yùn)用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP?EMTP對(duì)電力電容器故障進(jìn)行了仿真。仿真及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：提出的電容量[C]值在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能準(zhǔn)確有效地對(duì)電力電容器故障進(jìn)行預(yù)警，克服了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方案受放電元件選型的限制，具有接線簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 新型故障預(yù)警技術(shù); 電力電容器; 電容量[C]值; 成套裝置; 在線監(jiān)測(cè); 串聯(lián)電抗器

中圖分類號(hào)： TN609?34; TM53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）21?0122?05

New fault early warning technology based on [C] value monitoring of power capacitor

LIANG Dong1， XIAN Richang1， CUI Cong1， LIU Xinghua2， ZHANG Wanzheng3， LU Yao1

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China;

2. Zibo Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Corporation， Zibo 255032， China;

3. Shandong Zhiyang Electric Co.， Ltd.， Zibo 255086， China）

Abstract： The theoretical research and operation practice show that the failure rate of power capacitor assembly is obviously higher than that of the other substation equipment. In order to realize the fault early warning of power capacitors， a new technical scheme for monitoring capacitance [C] value of power capacitors is studied to determine the warning threshold by getting voltage signals from the bus?side voltage transformer and current signals from the loop current transformer. In addition， the active power consumed by the assembly is monitored to identify the failure of the series reactor， so as to ensure the accuracy of the capacitance [C] value monitoring. The fault of power capacitor is simulated by electromagnetic transient simulation software ATP?EMTP. The simulation and field application show that the proposed technology of capacitance [C] value on?line monitoring can accurately and effectively warn power capacitor faults， and overcome the existing scheme′s monitoring limitations due to the selection of discharge components. In addition， it has the advantages of simple wiring and wide application range.

Keywords： new fault early warning technology; power capacitor; capacitance [C] value; complete equipment; on?line monitoring; series reactor

0? 引? 言

電力電容器作為電力系統(tǒng)中最主要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、使用靈活等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，主要用來(lái)改善電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[1]。電力電容器及其內(nèi)部元件在運(yùn)行過(guò)程中一直處于滿負(fù)荷、高場(chǎng)強(qiáng)的工作狀態(tài)[2]，在內(nèi)、外過(guò)電壓及高次諧波等因素的共同作用下，極易使電力電容器發(fā)生故障[3]。為抑制電網(wǎng)中高次諧波與合閘涌流對(duì)電力電容器組的影響[4]，往往需要串入一定感抗值的電抗器。運(yùn)行中串聯(lián)電抗器一旦發(fā)生故障，電力電容器組也將無(wú)法正常工作。因此，為保證電力電容器組安全運(yùn)行，實(shí)時(shí)掌握電力電容器運(yùn)行狀態(tài)，迫切需要對(duì)電力電容器及其成套裝置實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)放電線圈二次側(cè)獲取并聯(lián)電力電容器組兩端的實(shí)時(shí)電壓值，從回路電流互感器獲取通過(guò)電力電容器組的實(shí)時(shí)電流值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電容器組的在線監(jiān)測(cè)，相比而言，此方法具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，但由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選用放電電阻作為電力電容器的放電元件，存在放電線圈無(wú)二次電壓信號(hào)輸出等情況，在具體應(yīng)用中具有較大的局限性。文獻(xiàn)[6]通過(guò)布置無(wú)線電壓、電流傳感器提取單臺(tái)電力電容器的運(yùn)行電壓與電流信號(hào)，從而對(duì)電力電容器組進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與分析，但此方法需要設(shè)置大量的無(wú)線電壓、電流傳感器，現(xiàn)場(chǎng)布線復(fù)雜，推廣應(yīng)用難度大。

文中提出的新型在線監(jiān)測(cè)方案彌補(bǔ)了文獻(xiàn)[5?6]中監(jiān)測(cè)方案的不足，接線簡(jiǎn)單、適用范圍更廣，在實(shí)現(xiàn)電力電容器電容量[C]值在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)Υ?lián)電抗器故障進(jìn)行預(yù)警，有效地保障電力電容器安全運(yùn)行。

1? 電力電容器常見(jiàn)故障分析

1.1? 內(nèi)部電容元件被擊穿

電力電容器由多個(gè)電容元件串并聯(lián)組成。元件回路一般不帶內(nèi)熔絲，若內(nèi)部絕緣擊穿，部分電容元件將被短接，其串、并聯(lián)的結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生改變，電容量[C]值發(fā)生變化[7]。

假設(shè)電力電容器內(nèi)部由[n]個(gè)電容元件并聯(lián)、[m]個(gè)電容元件串聯(lián)組成，單個(gè)電容元件的電容量為[C0]，電力電容器內(nèi)部無(wú)故障時(shí)的電容值[C]為：

[C=nmC0] （1）

若電力電容器內(nèi)部的電容元件有[x]個(gè)存在擊穿短路故障，則電力電容器的電容值變?yōu)椋?/p>

[C=nm-xC0] （2）

因此內(nèi)部電容元件擊穿短路會(huì)顯著引起電容量[C]值發(fā)生變化。

1.2? 絕緣受潮

電容元件由金屬極板與固體絕緣電介質(zhì)卷繞而成，然后浸入到電容器油中，可等效看作平行板電容器，其電容量[C]值的計(jì)算式為：

[C=ε0εrdS] （3）

式中：[ε0]為真空介電常數(shù);[εr]為油紙絕緣的相對(duì)介電常數(shù);[S]為極板面積;[d]為極板間距。

由于電容元件布置在充滿電容器油的箱體內(nèi)，如果箱體密封不嚴(yán)，空氣中的水分和雜質(zhì)進(jìn)入箱體內(nèi)部，造成內(nèi)部絕緣介質(zhì)受潮，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)[εr]增大，電力電容器的電容量[C]值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

1.3? 滲漏油

電力電容器滲漏油是一種常見(jiàn)缺陷，絕緣油泄漏將會(huì)使內(nèi)部油面下降，導(dǎo)致電力電容器上部絕緣及部分電容元件裸露在空氣中，由于空氣的相對(duì)介電常數(shù)要明顯低于絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)。同時(shí)，滲漏油往往容易引起絕緣受潮，所以此時(shí)電力電容器的電容量[C]值同樣會(huì)發(fā)生變化。

1.4? 系統(tǒng)諧波影響

隨著非線性負(fù)荷的增加，電網(wǎng)諧波污染問(wèn)題更加嚴(yán)重，導(dǎo)致電力電容器諧波過(guò)載[8]。一方面，諧波過(guò)載引起電力電容器元件發(fā)熱，加快絕緣老化速度，縮短電力電容器的使用壽命;另一方面，諧波電壓提高了電力電容器的工作電壓，致使電容元件的工作場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)一步增大，嚴(yán)重時(shí)直接擊穿電容元件，造成電力電容器故障，其電容量[C]值也會(huì)隨之發(fā)生變化。

由以上分析可知，發(fā)生以上常見(jiàn)缺陷或故障都會(huì)導(dǎo)致電力電容器的電容量發(fā)生改變，因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)電容量[C]值分析其運(yùn)行狀態(tài)，判斷是否發(fā)生故障在理論上可行。

2? 新型故障預(yù)警技術(shù)方案

2.1? 技術(shù)方案原理

為實(shí)現(xiàn)高壓并聯(lián)電力電容器的正常運(yùn)行，往往需要串聯(lián)電抗器、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器、斷路器、放電線圈等配套設(shè)備。高壓并聯(lián)電力電容器成套裝置典型的接線方式如圖1所示。

圖1中：[C]為電力電容器組;TV1為母線側(cè)電壓互感器;TA為電流互感器;QF為斷路器;QS為隔離開(kāi)關(guān)（刀閘）;[L]為串聯(lián)電抗器;QG1和QG2為接地刀閘;FV為金屬氧化物避雷器;TV2為放電線圈。

為方便對(duì)電力電容器的實(shí)時(shí)電容量[C]值進(jìn)行分析計(jì)算，將圖1接線方式等效為圖2的電路圖。

監(jiān)測(cè)時(shí)，圖2中電流[i]從圖1中回路電流互感器TA中獲取，電壓[u]從圖1中母線側(cè)電壓互感器TV1中獲取。對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全波傅里葉變換，提取其基波分量。

經(jīng)過(guò)傅里葉變換提取的基波電壓和電流數(shù)據(jù)分別為：

[u（t）=2Usin（ωt+φu）] （4）

[i（t）=2Isin（ωt+φi）] （5）

式中：[U]和[I]分別為基波電壓和電流分量的有效值;[ω=2πf0]，為基波角頻率，[f0]為基波頻率;[φu]和[φi]分別為電壓、電流基波初相角。

電力電容器成套裝置消耗有功功率，其計(jì)算公式如下：

[P=UIcos φ] （6）

式中，[φ]為母線電壓與流過(guò)成套裝置電流的夾角，即[φ=φu-φi]。

將公式[P=I2R]代入式（6）中得到電力電容器成套裝置的等效電阻值為：

[R=Ucos φI] （7）

電力電容器成套裝置輸出的無(wú)功功率為：

[Q=-UIsin φ] （8）

也可以表示為：

[Q=1ωCI2-ωLI2] （9）

式中：[L]為電抗器的電感值;[C]為電力電容器組的電容量。

得到電力電容器運(yùn)行電壓為：

[UC=IωC] （10）

將式（8）代入式（9）中，得：

[-UIsin φ=1ωCI2-ωLI2] （11）

經(jīng)化簡(jiǎn)，得電容量[C]值計(jì)算式為：

[C=1ωωL-UIsin φ] （12）

由式（12）知，串聯(lián)電抗器的電感值[L]的變化會(huì)影響電容量[C]值的計(jì)算精度。因此，文中在實(shí)現(xiàn)電力電容器在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，首先對(duì)串聯(lián)電抗器故障進(jìn)行預(yù)警，將電感值[L]變動(dòng)的影響限制到最小，以保證電容量[C]值的檢測(cè)計(jì)算精度。

2.2? 電容量監(jiān)測(cè)誤差的校正

因測(cè)量用電壓、電流互感器存在固有的比差與角差，導(dǎo)致采集得到的基波電壓與電流向量皆存在一定的誤差，為提高電容量[C]值的監(jiān)測(cè)精度，對(duì)電壓、電流基波幅值及相位進(jìn)行修正。

根據(jù)式（12）可得電容量[C]值的修正計(jì)算公式為：

[C=1ωωL-1+λiUI1+λusinφ-δu-δi] （13）

式中：[λu]，[λi]為電壓、電流互感器固有的比差;[δu]，[δi]為電壓、電流互感器固有的角差;[U]，[I]為通過(guò)電流互感器測(cè)量得到的電壓、電流的基波分量的有效值;[φ]為基波電壓與電流的夾角，即[φ=φu-φi]。

考慮二次負(fù)荷的影響，將電壓、電流互感器出廠試驗(yàn)得到的比差與角差代入到式（13）中，對(duì)電容量[C]值監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

2.3? 串聯(lián)電抗器故障預(yù)警

干式空心電抗器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、線性度好、損耗低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和研究分析表明，匝間短路是造成干式電抗器故障的主要因素。參考文獻(xiàn)[9]對(duì)干式空心電抗器發(fā)生匝間短路故障后各狀態(tài)量變化情況分析得知：

1） 電抗器故障發(fā)生后短路線圈的環(huán)流大大增加了電抗器的損耗，可達(dá)正常運(yùn)行時(shí)的16倍以上，并隨耦合程度的增加而增大。

2） 電抗器故障發(fā)生后電抗器等值電抗值減小比較小，變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電抗器損耗的變化量。

因此，以電抗器功率損耗的變化率來(lái)判斷電抗器是否存在匝間短路故障，具有較高的靈敏度。

在電力電容器成套裝置中，串聯(lián)電抗器的有功功率損耗占比最大[10]，因此，本文將依據(jù)式（6）中計(jì)算得到的電力電容器成套裝置消耗的有功功率作為電抗器故障的判別依據(jù)，將串聯(lián)電抗器正常狀態(tài)下有功功率變化率的最高閾值設(shè)為2，即：

[k=PPk≤2] （14）

式中：[k]為變化率;[Pk]為串聯(lián)電抗器損耗的初值。若變化率[k>2]，則判定串聯(lián)電抗器存在匝間短路故障，對(duì)串聯(lián)電抗器故障進(jìn)行預(yù)警。

2.4? 故障預(yù)警整體方案流程

為了能準(zhǔn)確對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行電力電容器電容量[C]值進(jìn)行計(jì)算，首先需要依據(jù)電力電容器成套裝置消耗的有功功率對(duì)串聯(lián)電抗器故障進(jìn)行預(yù)警，以排除串聯(lián)電抗器故障對(duì)電容量[C]值計(jì)算的誤差。故障預(yù)警流程如圖3所示。

3? 電容量[C]值診斷標(biāo)準(zhǔn)及要求

DL/T393?2010輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定：

1） 對(duì)電容器組的電容量[C]值與額定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的要求如下：

容量3 Mvar以下電容器組：-5%～10%;

容量從3～30 Mvar電容器組：0%～10%;

容量30 Mvar以上電容器組：0%～5%。

2） 且任意兩線端的最大電容量與最小電容量之比不超過(guò)1.05。

因此，將高壓并聯(lián)電容器電容量[C]值的正常閾值設(shè)定如下：

[σ1=Ci-CNCN×100%σ2=CmaxCmin] （15）

式中：[σ1]的偏差應(yīng)符合規(guī)定1）要求的范圍;[σ2]的偏差應(yīng)符合規(guī)定2）中的要求，即[σ2]≤1.05。

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)求解出電力電容器實(shí)時(shí)運(yùn)行電容量[C]值，根據(jù)電容值求取預(yù)警值[σ1]與[σ2]，若[σ1]或[σ2]預(yù)警值超過(guò)偏差范圍或規(guī)定值，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電力電容器進(jìn)行故障預(yù)警。

4? 電力電容器故障預(yù)警方案的仿真驗(yàn)證

利用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP?EMTP，以某變電站10 kV高壓并聯(lián)電力電容器成套裝置的實(shí)際參數(shù)建立仿真模型，如圖4所示。

該站10 kV并聯(lián)電力電容器成套裝置中每相電容器組由8臺(tái)型號(hào)為[BFM113]?334?1W的電力電容器并聯(lián)而成，額定電壓[UC=113] kV，額定容量[QC=]334 kvar，額定電容值[C=]26.36 μF;串聯(lián)電抗器型號(hào)為CKSC?480/10?6，額定容量[QL=]480 kvar，額定電感[L=]2.24 mH，單相阻抗[R=]2.839 mΩ。

電力電容器電容量[C]值仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示。

分析表1中數(shù)據(jù)可知：

狀態(tài)1設(shè)定為正常狀態(tài)，此時(shí)預(yù)警值都未超過(guò)規(guī)定。

狀態(tài)2設(shè)定為A相電容器組電容量[C]值略微超過(guò)其下限-5%的閾值，此時(shí)，預(yù)警值[σ1]與[σ2]同時(shí)超過(guò)規(guī)定，可對(duì)電力電容器故障進(jìn)行預(yù)警。

狀態(tài)3設(shè)定為A相電容器組有1臺(tái)電容器內(nèi)部有單個(gè)電容元件擊穿。此時(shí)，預(yù)警值[σ1]未超過(guò)規(guī)定，預(yù)警值[σ2]超過(guò)規(guī)定，可對(duì)電力電容器故障進(jìn)行預(yù)警。

狀態(tài)4為A相電容器組有1臺(tái)電容器外熔斷器熔斷。此時(shí)，預(yù)警值[σ1]與[σ2]同時(shí)超過(guò)規(guī)定，可對(duì)電力電容器故障進(jìn)行預(yù)警。

狀態(tài)2與狀態(tài)3分別使預(yù)警值[σ1]與[σ2]超過(guò)其臨界狀態(tài)，仿真誤差最大值在狀態(tài)3中的C相，誤差為0.37%，因此，本測(cè)量預(yù)警方案可以在臨界狀態(tài)下準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)故障預(yù)警，滿足實(shí)際工程需要。

5? 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以本文技術(shù)方案為基礎(chǔ)，由山東智洋電氣有限公司研發(fā)了電力電容器在線監(jiān)測(cè)裝置，于2018年6月在淄博電網(wǎng)投入運(yùn)行。被監(jiān)測(cè)的電力電容器型號(hào)為BFMH11?2550+2550?3W，經(jīng)本測(cè)量裝置遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的電容量[C]值，如圖5所示。

對(duì)比出廠額定值、離線試驗(yàn)值與在線監(jiān)測(cè)的電容量[C]值數(shù)據(jù)，如表2所示。

由表2可知，電力電容器的在線監(jiān)測(cè)值與離線試驗(yàn)值在誤差允許范圍之內(nèi)。因此，本技術(shù)方案可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電容器電容量[C]值的在線監(jiān)測(cè)。

6? 結(jié)? 論

通過(guò)以上理論分析、仿真驗(yàn)證及在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)際測(cè)量結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1） 新型在線監(jiān)測(cè)方案彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足，無(wú)需在并聯(lián)電力電容器組的放電線圈上獲取電壓信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)電力電容器電容量[C]值的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，接線簡(jiǎn)單，適用范圍更廣。

2） 在對(duì)電力電容器電容量[C]值在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電抗器的故障預(yù)警，避免了因電抗器故障對(duì)電容量[C]值在線監(jiān)測(cè)精度的影響。

3） 仿真試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了電容量[C]值在線監(jiān)測(cè)方案的可行性，能夠?qū)﹄娏﹄娙萜鞯墓收线M(jìn)行預(yù)警，為電力電容器在線監(jiān)測(cè)提供了一種新的方法。

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作者簡(jiǎn)介：梁? 東（1993—），男，碩士研究生，從事電力電容器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方面的研究。

咸日常（1965—），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方面的研究。