一種高壓電容器故障隱患測試分析裝置設計

樊鳳敏，李文亮，陳昆，楊龍，張建，張方榮

(1.云南電網公司普洱供電局，云南 普洱 665000;2.成都高斯電子技術有限公司，成都 610000)

1 前言

典型的高壓電容器故障有漏油，裂痕，破損，老化等，早期輕微的故障隱患可能累加導致特性不良，使得電容器補償效果變差，甚至補償能力變得不穩定。以下提出的故障隱患試驗方法，通過一種便攜式設備內部產生的試驗變頻信號，在較寬頻率范圍內對電容器進行快速充放電研究，從而分析電容器的故障嚴重程度及故障發展趨勢。該技術立足于高壓電容器的等效阻抗理論，將電容器看做代表不同頻率分支回路的電容器并聯組成，因此不同支路出現故障，即會在對應頻率范圍的容抗參值上出現較明顯的變化，基于此提出了一套便攜式設備設計框架，既可以用于實驗室，也可以用于現場。下面就該試驗設備的功能及原理分別進行描述。

2 容性等效阻抗的研究

1)電容器介質阻抗響應分析對于內部缺陷的可行性:電容器內部故障會導致電容器等效電容的分布發生變化，通過等效電路分析，如果在早期缺陷或故障隱患存在的情況下，阻抗在高頻階段會吸收更多的電流成分，因此曲線會發生偏移，隨著故障嚴重程度的加劇，阻抗變化會向低頻段移動。因此頻率的變化會捕捉到內部隱患的細節，相對常規的電容值測量，靈敏度會高很多。

2)對等效阻抗測試數據的描述分析:由于需要提高檢測靈敏度，將試驗頻率盡可能覆蓋到代表故障的微小阻抗變化，本文提出的基于曲線差異的分析模式，包括阻抗頻譜、相角曲線、奈奎斯特曲線。同時具備數據圖譜的存儲管理，可比較其差異性和關聯性。雖然電容器的早期缺陷或隱患很難通過電容值直接測量出來，但是高頻等效電容可能發生數倍甚至數十倍的變化，對高頻成分的吸收會出現明顯增加。通過頻譜分解，觀察數赫茲到數千赫茲范圍的阻抗譜值，便可以拓寬到高頻成分的分析，分析細微故障對于高頻電容的明顯變化。因此只需要一個阻抗掃頻的裝置，分析阻抗頻率曲線以及相角和奈奎斯特曲(實部和虛部的關聯曲線)，即可快速查看內部異常。除了基于曲線建立相關統計分析手段外，曲線查看與分析的經驗同樣是必不可少的。

3 試驗裝置的關鍵點

3.1 試驗源的設計與應用關鍵

信號源可以直接施加在絕緣層和導體之間，受被測容量的影響，輸出功率會做響應自動的調整。嚴格上說，只有經過大量的試驗驗證，才能夠得到相對最優的試驗電壓，以及最佳匹配的特征試驗頻率。內部絕緣部件的變質、破損是老化和隱患的主要特征之一，早期的缺陷不會導致工頻范圍的電容值變化，但會導致高頻范圍電容變化數倍。同時除了對比分析阻抗頻率響應曲線外，還可通過實部與虛部的關聯曲線－奈奎斯特特性進行分析，如圖 (1)所示。

圖1 奈奎斯特曲線分析 (X為實部，Y軸為虛部)

3.2 試驗系統組成

設備的功能模塊主要分為試驗電壓發生器，試驗電源功放，試驗反饋信號通道，以及控制試驗電壓頻率和電壓，AD采樣的MCU單元，以及的通信和供電設備等。

通過對電容器結構的等效電氣回路仿真，主要的電容器故障隱患可以通過在頻率0.1－30kHz內進行阻抗譜值分析體現出來。因此本技術路線主要基于:

1)阻抗譜曲線的獲取，包括阻抗頻率特性曲線、奈奎斯特曲線 (實部與虛部的關系)

2)特征曲線的解釋，建立與故障的關聯

阻抗譜的獲取主要采用非破壞性測試手段，基于寬頻域的阻抗測試方法，實現整個頻帶的阻抗特性曲線繪制。技術實現包括:

a.頻可調 (變頻變壓)試驗源:目前市面上用的掃頻儀僅能針對功率 (DB)進行測試，難以區分功率角，而功率角是反映復阻抗特性的關鍵參數，因此有必要研制專用的可進行準確的復阻抗測試的信號源，要求幅頻特性均可調整，才能針對不同容量和結構的電容器進行試驗。同時，為確保試驗源不受電容器對于沖擊電流的吸收影響，要求試驗源有足夠的功率，至少達到20 VA的輸出，比常規掃頻儀的功率提高了5～10倍。

b.寬頻信號響應采集:要求能夠快速準確捕捉試驗源輸出的復響應信號，包括輸出電壓及輸出電流和角差。

c.圖形生成與解釋，建立儲能響應分析平臺:通過復阻抗特征曲線建立歷史數據庫，比較試驗電容器的曲線差異來反映電容器內部缺陷導致的等效高頻阻抗的變化。主要分析的圖表工具為阻抗模值及曲線、奈奎斯特曲線、角差頻率曲線。

3.3 試驗系統功能描述

系統核心由FPGA擔任本地控制的采集與試驗輸出控制。軟件平臺通過移動PC與FPGA交互實現數據通信，儲存與分析，見圖2。

硬件控制流程圖

圖2 高壓電容器故障隱患測試硬件框圖

3.4 現場試驗接線

圖3 高壓電容器故障隱患測試系統接線

由于試驗輸出受內部程序控制頻率，幅值及重復試驗次數等，因此輸出端只需兩端接線，內部采用補償參數的方法對輸出試驗接線的阻抗影響進行補償，本試驗采用的DIRA600電容器故障隱患測試系統，如圖3所示。

3.5 應用控制流程說明

試驗裝置的接線簡單

為確保試驗輸出有較寬的應用覆蓋面，本試驗系統在頻率設置，掃頻頻段等方面做了特殊考慮。

4 曲線分析

容性電流頻譜特征曲線如圖4、圖5所示

圖4 容性電流頻譜曲線

圖5 容性阻抗頻譜曲線

容性阻抗頻譜特征曲線如圖6示，該電容器在125角頻率附近出現較明顯的突變，經設備解體發現一路分支串聯電容已經短路。

5 結束語

綜上所述，小信號容性儲能分析方法用于電容器故障隱患測試是可行的，該方法基于等效阻抗理論的出發點將高壓電容器理解成代表不同頻率分支的支路并聯組成，因此通過發現不同頻率點的阻抗變化特征來分析電容器內部故障的情況具有較高的靈敏度和準確度。而且本文建立的以曲線差異分析為主的方法簡化了分析的難度，無需計算單一頻率點的數據變化，使得測試和分析顯得直觀，容易掌握。

［1］Jian Zhang，Tianbin Wang，HV capacitive equipments equivalent circuits analysis，2012，Ieeetm(ORG)

［2］Samuel M.Goldwasser，Capacitor Testing，Safe Discharging and Other Related Information，2004，SciElectronics

［3］S.D.GOKHALE，Variable frequency HV Testing of Capacitor an Embedded approach，Textile＆ Engineering Institute，RAJWADA Ichalkaranji，International Journal of Engineering Science and Innovative Technology(IJESIT)，Volume 2，Issue 3，May 2013H