基于超聲檢測的并聯電力電容器故障預警裝置研究

周 鵬，黃 濤，朱月凱

（國網鎮江市供電局，江蘇 鎮江 212001）

1 概述

在現代高壓電力網絡系統中，無功功率補償裝置的作用日益突出，對電網的穩定經濟運行作用巨大。其中，高壓并聯電力電容器是高壓電力網絡中的一種主要的無功功率補償裝置，能夠有效地補償電網的無功功率，對改善電力網絡系統的功率因數、提供電壓質量和穩定性、降低電力傳輸過程中的線路損耗等方面有著非常重要的作用。但由于高壓并聯電力電容器一般應用于高壓輸電線路中，主要工作在戶外，容易受到環境溫度、工作溫度、工作電壓、諧波等各種因素的影響，電容器損壞（甚至爆炸）等事故仍經常發生，對整個電力網絡系統的安全運行威脅較大，嚴重時會造成大面積停電和一定的人員傷亡，給國家、社會造成嚴重的經濟損失［1-3］。因此，必須通過一定的技術手段及時發現解決電力電容器中存在的微小故障，以避免發生更為嚴重的電力事故。

一直以來，電力公司主要通過檢修人員完成電容器組電容量測量、拆解引線、電容量計算以及三相電容量平衡配置計算等方式實現對電力電容器的故障檢測，需要投入大量的人力、財力和時間，成本巨大。但隨著我國電力網絡規模的快速擴大，人工檢修方式已經無法完成對不斷增加的電力電容器裝置的檢測工作，電力公司也就不能及時準確地掌握眾多變電站內電力電容器的劣化情況，無法保證整個電力網絡系統的安全，電力公司迫切需要新的檢修方式以滿足不斷擴大的電力網絡的檢修需求。因此，對高壓并聯電力電容器的運行狀態進行實時在線監測／預警，及時發現并解決電力電容器在運行過程中小的故障，從而可以有效避免電容器損害、爆炸等嚴重事故的發生，對保證高壓電網系統的安全運行有非常重要的意義［4-5］。近年來，高壓并聯電力電容器的在線檢測／預警系統成為電力系統科研人員重點關注的問題之一，成為業界的研究熱點。

本文提出一種基于超聲檢測的電力電容器故障檢測／預警系統，重點闡述系統的硬件設計過程和軟件功能，給出主要的功能模塊和實現方法。實驗結果表明，設計完成的系統能夠及時檢測到電容器發生故障時所激發的局部放電信號，并根據局放信號的特征量判定局放類型、局放強度、局放趨勢等，及時以聲、光、短信通知等方式完成報警。

2 基于超聲檢測的電力電容器故障預警技術

2.1 電力電容器故障分析

一般而言，電力電容器是由電容器元件并聯或串聯組成的，電容器的外表面完全封閉，內部由絕緣紙、鋁泊和電容器油構成電容元件，通過出線端子與輸電線路母線上的三相相連接，內部結構外部觀測不到，因此人工無法及時觀察發現故障。當電容器內部發生故障時，內部電流增大，致使內部氣體壓力增大，輕者發生漏油或鼓肚現象，重者會引起爆炸。

系統電壓過高或過低也可能危及電容器的安全運行。因電容器內部功耗與電壓平方成正比，過電壓時電容器因內部功耗增大使溫度顯著增高，將進一步損壞電容器內部絕緣介質。外部短路故障時，使電容器失壓，但在電荷尚未釋放時，可能在恢復供電時再次充電使電容器過壓；另一種情況是恢復供電時，變壓器與電容器同時投入，容易引起操作過電壓和諧振過電壓，從而使電容器過壓。另外，電容器故障的發生與運行中的臟污、受濕受潮等環境因素密切相關，也與電容器的制造工藝、電容器材料質量、電容器結構等密切相關。

從電容器故障的具體表現分析，電力電容器的故障主要有絕緣不良、過電壓、外力破壞、滲漏、鼓肚、炸裂等，其中炸裂是非常嚴重的故障，會造成非常嚴重的后果。但炸裂并不是突然發生的，炸裂發生前必然長期存在其它小的故障，比如長期滲漏、鼓肚等。如果能夠及時發現電容器運行中的小故障，就可以避免炸裂等嚴重電力事故的發生。

2.2 主要的電容器故障檢測方法

電力電容器的故障檢測方法主要可分為兩大類：基于非電量的故障檢測方法和基于電量的故障檢測方法［6-9］。其中，基于非電量的故障檢測方法主要是利用電容器中的油氣、設備噪聲、設備振動、環境溫度變化等指標，基于電量的故障檢測方法主要是利用電壓電流變化、電容量變化、泄露電流、局放信號等指標。

油中溶解氣體分析法是一種比較典型的基于非電量的電容器故障檢測方法，主要是通過檢測電容器絕緣油中的各種氣體的組成和濃度來判定判定故障類型、故障程度等，較為成熟且有國家標準和國際標準，抗外界電磁干擾的能力較強，所獲得的數據比較準確可靠，但由于氣體在油中的擴散有一定的時間，油中的氣體濃度需要較長時間才會累積到較高的水平，實時性較差。同時，由于電容器是一個封閉的系統，對油中氣體的檢測無法在線完成。因此，該方法主要適用于故障的后續判定，而無法用于電容器的故障實時檢測。

作為電容器的主要參數之一，電容器的任何故障都會引起電容量發生不同程度的變化。因此，基于電容量的電容器故障檢測方法是一種傳統而又重要的故障檢測方法，多年來一直是業界的研究重點。但是，該方法需要故障持續一段時間之后導致電容量有較為明顯的變化才有效，無法有效檢測前期的微小故障。

隨著傳感器技術和微電子技術的發展，尤其是近年來的局放檢測技術的提高，基于局放的電容器故障檢測／預警技術成為新的電容器故障檢測方法。在設備運行過程中，電容器的局放是由于設備中的微小故障（如：懸浮導電顆粒物、尖狀突起、空洞、氣泡等）在強電場的作用下產生電火花式的放電現象，是促進電力設備加速老化而產生嚴重故障的重要因素。現有的研究結果表明，電力設備在額定工作電壓下的運行壽命與其絕緣介質中是否存在局部放電以及局放的強度緊密相關，一般而言，局放越強則設備的運行壽命越短，越容易發生嚴重故障。同時，通過在線監測局放可以及時發現微小故障或突發性故障，從而可以預防電容器爆炸等重大事故的發生，這也是優于油中溶解氣體分析法的重要一點。現有的局部放電在線測量方法主要有甚高頻法（VHF）、超高頻法（UHF）、電脈沖測量法、超聲波測量法等［10］。其中，超聲波法存在安裝方便、無須打開電容器、強弱電分離、測量精度較高等優勢，因此本文選擇超聲波測量法作為主要的研究對象，設計實現了一種基于超聲檢測的并聯電力電容器故障預警系統，深入分析了系統的硬件設計過程及軟件設計過程，并結合實驗結果對系統的性能進行了詳細的分析。

2.3 硬件系統設計與實現

為了有效實現基于超聲檢測的并聯電力電容器的硬件功能，本文設計完成的硬件系統主要包括數據采集模塊、信號特征鑒別模塊、特征提取模塊、數據傳輸模塊、電源穩壓模塊和看門狗電路模塊等組成。

在整個硬件系統中，數據采集模塊主要負責接收超聲傳感器傳送過來的模擬超聲信號，并將其轉換為數字信號，并將轉換后的數字信號送入信號特征鑒別模塊進行下一步處理。數據采集模塊具體電路圖如圖1所示。

圖1 數據采集模塊電路圖

信號特征鑒別模塊可編程邏輯芯片，在該芯片內設計了信號特征鑒別電路，主要負責接收由數據采集模塊傳送過來的數字信號，提取信號的包絡，實現對包絡信號的基本特征量的提取，最后將包絡及基本特征量送入特征提取模塊進行下一步處理。信號特征鑒別模塊的具體電路如圖2所示。

特征提取模塊采用微處理的接口總線接收由特征鑒別模塊送來的包絡信號，通過微處理器完成對信號的降噪、濾波，統計計算信號的特征信息，并將數據通過CAN總線送給遠端計算機，由軟件系統負責接收、顯示和進一步處理。特征提取模塊的具體電路如圖3所示。

圖2 信號特征鑒別模塊電路圖

數據傳輸模塊主要負責實現微處理器與遠程計算機系統之間的數據傳輸功能，為了實現快速可靠的數據傳輸，數據的傳輸主要通過CAN總線完成。此外，為了后續系統擴展的需要，系統預留了RS485網絡接口模塊，數據也可以通過該接口完成傳輸。數據傳輸模塊的具體電路如圖4所示。

為了保證系統的電力供應處于穩定狀態，系統設計實現了直流穩壓電源模塊，負責為整個硬件系統提供穩定的直流電源，能夠有效滿足系統的應用需求。為了防止硬件系統出現死鎖等異常情況，為系統設計了看門狗電路，在硬件系統出現異常時能夠及時復位，有效保證了整個硬件系統的穩定性和可靠性。

2.4 軟件系統設計與實現

在完成硬件系統設計之后，后臺軟件系統接收由硬件系統傳送過來的數據并進行分析、計算，根據設定的報警閾值進行自動報警。本文所設計實現的軟件系統具備多模式數據實時顯示、歷史數據查詢、局放趨勢分析、多種方式自動報警等功能，系統具體結構圖如圖5所示。

軟件系統通過計算機串口和硬件系統之間進行數據交換，一方面接收由硬件系統傳送過來的波形數據，另一方面是向硬件系統傳送采集卡參數數據，完成對采集卡的參數設置。數據分析模塊完成數據的分析、處理，形成多類型圖譜并提取報警特征量，通過實時顯示模塊完成多類型圖譜的實時顯示，以實現遠程在線監測。自動報警模塊通過接收由數據分析模塊提供的報警特征量，依據特征量實現聲／光報警、自動電話報警等，并將報警信號送入數據庫中，通過歷史報警數據查詢模塊可以查詢歷史報警記錄，依據歷史報警記錄進行趨勢分析。查詢／回放模塊通過檢索波形圖譜數據庫查詢特定通道的特定時間段的歷史數據，并以多種波形圖譜方式實現數據顯示，以方便事后判定。

圖3 特征提取模塊電路圖

圖4 數據傳輸模塊電路圖

3 實驗分析

在完成系統的硬件設計和軟件設計之后，文中針對系統的性能進行了多方面的模擬實驗，依據實驗結果對系統的性能進行評價。

圖5 軟件系統結構框圖

針對典型的放電類型，本文設計了金屬針尖，內部氣泡，懸浮電極和自由金屬等4種典型的放電模型，通過模擬實驗以獲取放電波形和放電的基本特征量，通過對比所獲得的放電波形對硬件系統的工作狀態進行分析。4種放電模型如圖6所示。

圖6 4種放電模型

在完成放電模型設計后，本文通過對電容器提供不同高電壓以激發局放，然后通過超聲波傳感器采集超聲信號，并通過采集卡進行采集、轉換、濾波、分析，形成最終的包絡波形。4種典型放電模型所形成的包絡波形如圖7所示。

圖7 4種典型放電模型的包絡波形

多組實驗結果：同一缺陷模型所產生的局部放電時域信號特征基本相同，包絡也大致相同；不同的缺陷模型所產生的局部放電時域信號波形特征不同，其包絡形狀也不同，具體表現在幅值和相位上。因此可以提取包絡信號的特征參數，通過模式識別方法判定局放類型、局放強度、局放持續時間等主要參數，以此作為自動報警的主要指標；當局部放電發生時，軟件系統能夠及時檢測到局放信號并自動形成報警信號，及時通過聲、光、短信等方式實現自動預警，有效幫助管理人員及時發現安全隱患。

4 結語

針對高壓輸電系統中的電力電容器存在老化、滲漏等引起的各類電器故障，本文在深入分析故障類型、故障成因、故障檢測預警技術的基礎上，指出超聲檢測具有安裝方便、無須打開電容器、強弱電分離、測量精度較高等方面的優勢，提出了基于超聲檢測的并聯電容器故障檢測預警系統，詳細分析了硬件設計過程和軟件設計過程，最終設計實現了一種基于超聲檢測的并聯電力電容器故障預警系統。具體實驗結果表明，本文設計完成的采集卡能夠有效提取局放發生時所激發的超聲波信號，提取獲得的包絡波形具有較高的可區分性，能夠根據超聲波信號的特征量區分典型的局部放電模型。軟件系統能夠有效實現多類型圖譜的實時顯示，局放檢測精度高，能夠及時根據局放類型、強度和趨勢進行自動報警。

本文設計實現的基于超聲檢測的并聯電力電容器故障檢測／預警系統能夠幫助管理人員及時發現電力電容器可能存在的安全隱患，有效降低了重大安全事故發生概率，具有較大的應用價值和市場潛力。

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