淺析電力電容器故障的紅外診斷

國網保定供電公司 張保寧 丁 斌

1 電力電容器的種類及結構

電力電容器是電力系統中普遍應用的一種電氣設備，按用途可分為8種：①并聯電容器。原稱移相電容器。主要用于補償電力系統感性負荷的無功功率，以提高功率因數，改善電壓質量，降低線路損耗。②串聯電容器。串聯于工頻高壓輸、配電線路中，用以補償線路的分布感抗，提高系統的靜、動態穩定性，改善線路的電壓質量，加長送電距離和增大輸送能力。③耦合電容器。主要用于高壓電力線路的高頻通信、測量、控制、保護以及在抽取電能的裝置中作部件用。④斷路器電容器。原稱均壓電容器。并聯在超高壓斷路器斷口上起均壓作用，使各斷口間的電壓在分斷過程中和斷開時均勻，并可改善斷路器的滅弧特性，提高分斷能力。⑤電熱電容器。用于頻率為40～24000赫的電熱設備系統中，以提高功率因數，改善回路的電壓或頻率等特性。⑥脈沖電容器。主要起貯能作用，用作沖擊電壓發生器、沖擊電流發生器、斷路器試驗用振蕩回路等基本貯能元件。⑦直流和濾波電容器。用于高壓直流裝置和高壓整流濾波裝置中。⑧標準電容器。用于工頻高壓測量介質損耗回路中，作為標準電容或用作測量高壓的電容分壓裝置。

盡管不同用途的電力電容器外形結構有較大差異，但他們的核心元件（即電容芯子和電容包）卻大體相似。這些電容元件通過一定的串并聯組合形成不同容量和電壓等級的電容器芯子，再用絕緣支承層或板將其包封或固定，密封于封裝容器內，就構成了相應形式的電容器基本結構。

2 電力電容器的常見故障

電力電容器的常見故障，除外部連接不良外，內部故障主要包括、受潮、絕緣老化、支架放電、漏油、連接片脫焊、浸漬不良等幾種類型。這些故障除了與材質及生產技術工藝條件有關外，還受運行工況的影響。并且，一般都是從小范圍、程度較輕逐漸發展惡化。如果后期監測不力，則會導致整體貫穿性擊穿放電，甚至釀成更嚴重的事故。

2.1 受潮

因制造質量不良或安裝工藝不佳，會引起密封不嚴或密封件老化，造成電容器芯體受潮。大多數故障點出現在電容器上不，通過冷熱循環產生負壓而進水，致使內部容易吸潮的原件或絕緣介質（如電容器油、絕緣支架、紙板等）吸收水分后，鐵件生銹，絕緣材料介質損耗增大（例如，紙含水量從1%增加到8%時，tgδ可增大幾百倍），并嚴重過熱，最終會造成局部或整體放電擊穿等事故。

2.2 絕緣老化

電力電容器長時間運行后，長期耐壓會導致絕緣介質性能的劣化，介質損耗及發熱量增加。根據現場運行時間統計，投運時間過久的多數移相電容器tgδ值都不同程度的升高。通過絕緣油老化還伴有氣泡產生，引起內部局部放電，還可造成酸值增高，并與某些金屬形成鹽類，使tgδ進一步增大。

2.3 支架放電

耦合電容器內部一般使用絕緣支撐桿。由于與浸漬絕緣介質之間的介電常數不一致，如果材料不好，支架顏面就容易在場強集中處發生局部放電腐蝕，繼而擴大缺陷。通常，支架放電在某種程度上與電容器受潮有內在聯系，放電時可產生油分子聚縮成X蠟而放出氣體，這又會進一步加劇油中的局部放電過程。

2.4 漏油

當電力電容器底部密封結構不良時，會引起漏油。漏油通過呼吸作用吸入潮氣，導致一定程度的受潮。當漏油較多，油位過低，電容器極板間或端面出現氣隙而發生放電。嚴重時會造成局部元件擊穿或引發其他事故。

2.5 連接片脫焊

這種故障多為組裝工藝不嚴所致。脫焊可引起小范圍局部放電和發熱，長期作用則可引發絕緣介質普遍劣化，并伴隨產生大量的X蠟。

2.6 浸漬不良

電容器生產過程中若浸漬時抽真空不夠，會造成浸漬不良，使電容器芯子內部殘存氣體，因而在電廠作用下發生放電，并增大介質損耗和發熱量，這種故障引起的劣化作用較為普遍。產生的X蠟和氣體加劇了局部放電。如此惡性循環，導致設備整體性能惡化。

上述電力電容器的故障一般伴隨著整體或局部發熱的特征，因此應用紅外成像技術可以進行電力電容器故障診斷。

3 電力電容器發熱故障的紅外診斷

眾所周知，電力電容器即使沒有任何故障，在交流電壓作用下介質也會因交變極化而消耗能量并發熱，這就是正常運行狀態下的介質損耗發熱。通常，對于任何特定規格型號的電容器，因內部結構的統一性，正常狀態下內部發熱與表面溫度分布或熱像都有相對的穩定性，而且，溫度也會局限在一定范圍之內。為了在紅外診斷中根據表面溫度分布或溫升來判斷設備內部是否存在故障，基本前提應了解正常狀態下的發熱及其熱像特征。下面我們以最常見的耦合電容器、移相電容器和串聯電容器為例加以說明

3.1 耦合電容器

耦合電容器正常狀態下，因介質損耗發熱的表面熱像特征是一個具有軸對稱的整體發熱熱像，溫度最高點接近頂部附近，向下遞減。由于無故障耦合電容器介質損耗因數tgδ很小，加上散熱條件較好，因此表面溫升不高。但對于非直接接地系統而言，當出現長時間單項接地故障時，可以引起非故障相的耦合電容器的電容量明顯增加。

當耦合電容器發生受潮和其他故障時，其發熱特征與正常運行時的熱像特征類似，即以整體發熱為主，符合溫度自上而下遞減的規律。但是表面溫升高于正常狀態下的溫升，因受潮程度不同產生的溫升差異也不同。應該指出的是，某些故障（如支架或斷路引起的放電）可能伴隨有局部發熱的熱像特征；底部附近的發熱故障，可通過油對流循環導致整體性均衡發熱；中上部故障發熱時使故障點以上區域普遍發熱；而漏油故障一般在上部呈現一個以油位面為分界線的冷熱分明的熱像。

由于耦合電容器溫升一般較小，所以，檢測時應特別重視選擇環境參照體。通?？梢赃x取不發熱的斷路器支柱、支柱絕緣子或其他體積相近的合適瓷表面設備作為參照體。另外，與其它高壓電氣設備一樣，耦合電容器也會有外部連接不良故障。此類故障熱像特征也與其它設備外部故障熱像相同。

3.2 移相電容器和串聯電容器

移相電容器和串聯電容器一般為鐵殼封裝的扁型箱體。因介質損耗相對較大，而且散熱條件欠佳，所以表面溫升略高。正常運行狀態下的熱像特征，一般是一個溫度分布以寬側面垂直平分線的2/3高度處為最高溫度點的熱像圖，其余部位溫度略有下降。但是，由于傳熱介質不完全一致，因此，也可能出現輕微的局部溫度不平衡。通常，在電力電容器中，移相電容器的運行監測都以控制單元的最高溫度為準。因而，介質損耗值得測量并不重要。

移向電容器和串聯電容器主要故障有受潮、局部放電、介質老化和漏油等，一般受潮和老化故障的熱像特征呈現為整體發熱的熱像。發熱嚴重者，伴隨有“鼓肚子”的外觀特征，此時的熱像特征是一個以“肚子”上部為中心的熱像，“肚子”鼓起的移相電容器比正常電容器在運行中的溫度高出許多，很容易因發生內部擊穿而引發爆炸事故。除整體發熱外，局部性故障的熱像特征往往是在整體發熱的同時伴隨著局部過熱的熱征。而缺油故障則形成以油位面為分界線的明顯溫度梯度熱像。

除上述故障外，移向電容器或串聯電容器因外部連接不良造成的外部故障熱像熱證，同樣是以故障點為中心的熱像。