劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

【摘要】傳統(tǒng)的電力電容器檢測(cè)通常為斷電,離線進(jìn)行,影響了生產(chǎn)。已有的電力電容器在線診斷技術(shù)集中于對(duì)電容量、介質(zhì)損耗角的測(cè)量,檢測(cè)結(jié)果滯后于故障的發(fā)生,且檢測(cè)結(jié)果并不理想。主要針對(duì)電力系統(tǒng)中高壓電力電容器的常見(jiàn)故障,對(duì)其故障中發(fā)生放電現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了分析,得到電力電容器種種故障,通常伴隨有放電現(xiàn)象的結(jié)論,指出放電現(xiàn)象為其故障初征兆。分析了對(duì)高壓電力電容器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)其放電現(xiàn)象可行性,找到監(jiān)測(cè)其放電信號(hào)的處理方法,完整設(shè)計(jì)了種在線監(jiān)測(cè)電力電容器放電新技術(shù)的理論。

【關(guān)鍵詞】電力電容器;放電現(xiàn)象;在線監(jiān)測(cè);頻譜分析

0引言

電力電容器在電力系統(tǒng)中用途廣泛,是電力系統(tǒng)中重要的工作元件。電力電容器主要的兩種形式為并聯(lián)電容器和耦合電容器。并聯(lián)電容器裝置作為種重要的無(wú)功電源,對(duì)于改善電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高電能質(zhì)量起著決定性的作用。耦合電容器主要承擔(dān)電力系統(tǒng)濾波、載波和高頻保護(hù)任務(wù)。電力電容器在運(yùn)行中除長(zhǎng)時(shí)間承受工作電壓外,還受到各種內(nèi)外過(guò)電壓作用而逐漸老化。運(yùn)行條件下電力電容器與輸電線路直接聯(lián)接,采用常規(guī)檢測(cè)方法對(duì)電力電容器進(jìn)行檢測(cè)時(shí),使整個(gè)輸電線路停止運(yùn)行才能進(jìn)行,影響了生產(chǎn)。而且每年都曾因停電困難造成電力電容器預(yù)防性漏試,這對(duì)電力電容器的運(yùn)行也留下隱患。

電力電容器在線事故統(tǒng)計(jì)表明,局部放電現(xiàn)象是電力電容器普遍事故的初征兆,繼而發(fā)展成部分元件的擊穿短路故障。目前在線對(duì)電力電容器的檢測(cè),通常是在線檢測(cè)在運(yùn)行高壓下流過(guò)這些電容試品的電流!、"和tg!,來(lái)判斷電力電容器是否故障。而電容量的變化和介質(zhì)損耗角的變化是放電積累到定程度以后,產(chǎn)生的個(gè)滯后的結(jié)果。采用直接對(duì)放電現(xiàn)象的監(jiān)測(cè),能夠更早,更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和防范事故的發(fā)生。因此對(duì)電力電容器局部放電現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)是防止電力電容器事故的有效途徑。

對(duì)電力電容器進(jìn)行局部放電的在線監(jiān)測(cè)少有報(bào)道。本文提出了種新的在線監(jiān)測(cè)電力電容器放電的技術(shù),可以用于對(duì)它的工作狀況進(jìn)行診斷。

1電力電容器放電現(xiàn)象分析

1.1并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器外表面封閉,通過(guò)出線端子與母線三相連接,有端子接地線。內(nèi)部由絕緣紙、鋁泊和電容器油構(gòu)成串聯(lián)電容元件,內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部觀測(cè)不到。

并聯(lián)電容器的故障現(xiàn)象包括滲漏油、鼓肚、外殼閃烙、熔斷器熔斷、爆炸等。并聯(lián)電容器的故障幾乎都會(huì)伴有放電現(xiàn)象的發(fā)生。瓷套管及外殼滲漏油。由于滲漏油導(dǎo)致套管內(nèi)部受潮、絕緣電阻降低、油面下降、元件上部容易受潮而擊穿放電。所有并聯(lián)電容器的故障中,鼓肚現(xiàn)象是占比例大的。般油箱隨溫度變化發(fā)生膨脹和收縮是正常的,但當(dāng)內(nèi)部發(fā)生局部放電,絕緣油產(chǎn)生大量氣體,就會(huì)使箱壁變形,形成明顯的鼓肚現(xiàn)象,發(fā)生鼓肚的電容器不能修復(fù),只能更換。由于絕緣不良和表面污穢嚴(yán)重,在電網(wǎng)出現(xiàn)內(nèi)、外過(guò)電壓和系統(tǒng)諧振的情況下導(dǎo)致絕緣擊穿,表面放電,造成瓷套管閃絡(luò)破損。

熔斷器熔斷,源于電容器內(nèi)部元件放電,發(fā)生故障擊穿。電容器爆炸,當(dāng)電容器內(nèi)部元件故障擊穿引起電容器極間貫穿性短路時(shí),與其并聯(lián)運(yùn)行的其他電容器將對(duì)故障電容器放電,如果注入電容器的能量大于外殼能承受的爆破能量,則電容器爆炸。

并聯(lián)電容器事故除了運(yùn)行中的臟污、受濕問(wèn)題外,事故原因與電容器自身結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量也相關(guān),綜合分析如下:

1)在高場(chǎng)強(qiáng)下,電容元件擊穿的部位多在電極邊緣、拐角和引線與極板接觸處,以及元件出現(xiàn)褶迭部位。這些地方電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度都較高,容易發(fā)生局部放電和過(guò)熱燒傷絕緣。在制造過(guò)程中應(yīng)采取適宜隔離措施以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)運(yùn)行中電壓過(guò)高或開(kāi)關(guān)重燃引起的操作過(guò)電壓,也將產(chǎn)生局部放電。電極對(duì)油箱的絕緣般較高。制造工藝和產(chǎn)品元件質(zhì)量如絕緣材料質(zhì)量差,電容器油不純凈等是造成此類放電的主要原因。

3)密封不良。耦合電容器是全密封電器,如果密封不良,在運(yùn)行過(guò)程中有可能進(jìn)水受潮而導(dǎo)致?lián)p壞。密封不良運(yùn)行中常表現(xiàn)為滲漏油。長(zhǎng)期滲漏油的耦合電容器,除內(nèi)部壓力降低進(jìn)水受潮外,也會(huì)因油量減少上部漏油而發(fā)生放電故障。

4)電力電容器運(yùn)行電壓過(guò)高,產(chǎn)生大量損耗,破壞絕緣。運(yùn)行環(huán)境溫度過(guò)高和諧波的加入也會(huì)成為誘發(fā)電容器放電的原因。前者破壞絕緣,后者提升了作用電壓。

1.2耦合電容器

耦合電容器事故大多發(fā)生在陰雨污穢天氣之中,事故現(xiàn)象為表面放電產(chǎn)生閃烙,內(nèi)部放電積累可能引起擊穿短路,熔斷器熔斷乃至本身爆裂。其故障現(xiàn)象分析雷同于并聯(lián)電容器。其除了運(yùn)行中的臟污、受濕問(wèn)題外,事故原因與電容器自身結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量也相關(guān),綜合分析如下:

1)交直流放電機(jī)理不同,等效電路不同,直流放電更易擊穿,制造過(guò)程中應(yīng)采取適宜隔離措施以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)制造過(guò)程中,電容芯子位置處的絕緣設(shè)計(jì)不當(dāng),導(dǎo)致運(yùn)行中芯子尖角處場(chǎng)強(qiáng)過(guò)大,容易引起放電。電容芯子烘干不好,殘留水分或芯子卷制后又在空氣中滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受潮也會(huì)形成隱患。

3)關(guān)于密封不良。耦合電容器是全密封電器,如果密封不良,在運(yùn)行過(guò)程中有可能進(jìn)水受潮而導(dǎo)致?lián)p壞。每只耦合電容器均裝有膨脹器,并經(jīng)過(guò)出廠前的檢查,密封不良運(yùn)行中常表現(xiàn)為滲漏油。長(zhǎng)期滲漏油的耦合電容器,除內(nèi)部壓力降低進(jìn)水受潮外,也會(huì)因油量減少上部漏油而發(fā)生放電故障。

4)制造過(guò)程中工藝上的不合理和缺陷以及搬運(yùn)過(guò)程中引起的損傷也會(huì)成為耦合電容器事故的隱患。由已有經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,存在的隱患包括夾板在制造加工過(guò)程中有缺陷,電容器油中所含芳香烴成分偏少、元件開(kāi)焊、元件錯(cuò)位等。這些缺陷也是易誘發(fā)放電現(xiàn)象。

結(jié)論:電力電容器外部放電為電極或母線高壓對(duì)箱體放電,內(nèi)部放電為極板間放電。電容器內(nèi)部放電是不可觀測(cè)的。

2在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)

關(guān)于該技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1,由傳感裝置、信號(hào)處理裝置、計(jì)算機(jī)分析三大部分組成。

技術(shù)的核心思想在于:理清電力電容器故障放電的機(jī)理,表面放電為內(nèi)部電極或母線高壓對(duì)電容器外殼箱體放電,內(nèi)部放電為電容器極板間放電。電容器表面放電可見(jiàn)閃烙,內(nèi)部放電至今無(wú)成熟方法探測(cè)。表面放電信號(hào)閃烙很快,頻率很高,而內(nèi)部放電則相對(duì)緩慢,頻率較低,產(chǎn)生故障為逐步積累的過(guò)程,導(dǎo)致發(fā)熱和絕緣擊穿。整個(gè)電力電容器裝置電位低處位于它的接地線上,因此,無(wú)論是電容器的表面放電或內(nèi)部放電大多信號(hào)都應(yīng)該通過(guò)該地線游走。所以采用寬頻的羅可夫斯基線圈作為傳感器從電容器地線上取放電信號(hào),送入頻譜分析儀,可得到取出信號(hào)的頻譜圖,由于內(nèi)部和外部放電信號(hào)頻率差異較大,與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的規(guī)范頻譜分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可判定電容器內(nèi)部是否放電。放電強(qiáng)度,信號(hào)的辨識(shí)可采用相應(yīng)的能量傳感器和消噪方法進(jìn)行測(cè)量的完成。

關(guān)于羅可夫斯基傳感線圈。把個(gè)空芯的螺線管線圈的兩頭對(duì)接并環(huán)繞在個(gè)載流導(dǎo)體上,就構(gòu)成個(gè)羅可夫斯基線圈。電弧放電產(chǎn)生頻帶很寬的電磁波,其中部分傳向測(cè)量端子的接地引出線。是由于測(cè)量端子接地引出線上的對(duì)地電位很低,耦合電容器任何部位的閃絡(luò)放電信號(hào)都會(huì)通過(guò)它流向大地。將羅可夫斯基線圈繞制在此接地線上,可以準(zhǔn)確測(cè)量放電信號(hào)。羅可夫斯基線圈的頻率響應(yīng)較寬(高測(cè)量頻率可達(dá)3OMHz),適于在線采集各種高壓設(shè)備的放電信號(hào)。

監(jiān)測(cè)儀用來(lái)測(cè)定測(cè)試線圈所接收到的平均峰值能量。通過(guò)對(duì)射頻電流的監(jiān)測(cè),可以判斷耦合電容器的放電程度,然后決定如何處理。與羅可夫斯基線圈相配套的射頻監(jiān)測(cè)裝置,由射頻放大器、對(duì)數(shù)放大器、檢波器和峰值保持器等部分組成。由羅可夫斯基線圈采集的信號(hào),經(jīng)射頻放大和對(duì)數(shù)放大后送到檢波器中,再經(jīng)過(guò)峰值保持后送到A/D轉(zhuǎn)換裝置。以上各部分電路均可選用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路芯片。射頻監(jiān)測(cè)裝置的頻率取多少,要根據(jù)使用情況和背景射頻噪聲而定。它可以通過(guò)傳感裝置感知并聯(lián)電容器的放電電弧信號(hào),以發(fā)現(xiàn)并聯(lián)電容器的放電現(xiàn)象,但不

能確定放電發(fā)生的部位,但這對(duì)于僅需量測(cè)耦合電容器放電強(qiáng)度的目的而言是足夠了。

信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻監(jiān)測(cè)裝置后送入A/D轉(zhuǎn)換,再由頻譜分析儀進(jìn)行頻譜分析,得到取出信號(hào)的各個(gè)頻率分量,計(jì)算機(jī)對(duì)頻譜分析數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的規(guī)范頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,由新出現(xiàn)的頻率分量來(lái)決定內(nèi)部電場(chǎng)是否處于常態(tài)范圍,是否需要對(duì)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算分析,再?zèng)Q定是否進(jìn)行進(jìn)步處理,如停電檢修。技術(shù)中使用基于有限元方法的軟件對(duì)需進(jìn)步處理的電力電容器內(nèi)部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行分析計(jì)算,軟件用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

3安科瑞AZC/AZCL智能集成式電容器介紹

3.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新代無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開(kāi)關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/span>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內(nèi)部晶閘管復(fù)合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)投切，具有過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)諧保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等保護(hù)功能。

3.2產(chǎn)品選型

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

3.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無(wú)功補(bǔ)償裝置智能電容方案

4結(jié)束語(yǔ)

由于電力電容器幾乎所有故障的前兆都伴隨放電,表面放電可以觀測(cè),內(nèi)部放電卻很難監(jiān)測(cè),給電容器的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)難度。提出的方法在線監(jiān)測(cè)并聯(lián)電容器的放電現(xiàn)象,是防范事故于未然的種積極可取的完善措施。該技術(shù)理論上嚴(yán)密可行,元器件易于實(shí)現(xiàn),思考角度新穎。成熟產(chǎn)品的推出正處于實(shí)施過(guò)程之中。

參考文獻(xiàn)

[1]黨曉強(qiáng),劉念.電力電容器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.6版.

作者簡(jiǎn)介：劉細(xì)鳳，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄?/font>電力電容產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用。