基于電力電容器[C]值監測的新型故障預警技術

梁東 咸日常 崔聰 劉興華 張萬征 魯堯

摘? 要： 理論研究和運行實踐表明，電力電容器成套裝置的運行故障率明顯高于其他變電設備。為實現電力電容器的故障預警，通過從母線側電壓互感器獲取電壓信號、回路電流互感器獲取電流信號，研究電力電容器電容量[C]值監測的新型技術方案，確定其預警閾值。并通過監測成套裝置消耗的有功功率以甄別串聯電抗器是否存在故障，保證了電容量[C]值監測的精度。運用電磁暫態仿真軟件ATP?EMTP對電力電容器故障進行了仿真。仿真及現場應用表明：提出的電容量[C]值在線監測技術能準確有效地對電力電容器故障進行預警，克服了現有監測方案受放電元件選型的限制，具有接線簡單、適用范圍廣等優點。

關鍵詞： 新型故障預警技術; 電力電容器; 電容量[C]值; 成套裝置; 在線監測; 串聯電抗器

中圖分類號： TN609?34; TM53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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中最主要的無功補償設備，以其結構簡單、運行經濟、使用靈活等優勢得到了廣泛應用，主要用來改善電力系統的功率因數，提高系統運行的穩定性和經濟性[1]。電力電容器及其內部元件在運行過程中一直處于滿負荷、高場強的工作狀態[2]，在內、外過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生故障[3]。為抑制電網中高次諧波與合閘涌流對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。運行中串聯電抗器一旦發生故障，電力電容器組也將無法正常工作。因此，為保證電力電容器組安全運行，實時掌握電力電容器運行狀態，迫切需要對電力電容器及其成套裝置實現在線監測。文獻[5]通過放電線圈二次側獲取并聯電力電容器組兩端的實時電壓值，從回路電流互感器獲取通過電力電容器組的實時電流值，從而實現對電力電容器組的在線監測，相比而言，此方法具有簡單、快速、準確等優勢，但由于現場實際選用放電電阻作為電力電容器的放電元件，存在放電線圈無二次電壓信號輸出等情況，在具體應用中具有較大的局限性。文獻[6]通過布置無線電壓、電流傳感器提取單臺電力電容器的運行電壓與電流信號，從而對電力電容器組進行實時在線監測與分析，但此方法需要設置大量的無線電壓、電流傳感器，現場布線復雜，推廣應用難度大。

文中提出的新型在線監測方案彌補了文獻[5?6]中監測方案的不足，接線簡單、適用范圍更廣，在實現電力電容器電容量[C]值在線監測的基礎上，能夠對串聯電抗器故障進行預警，有效地保障電力電容器安全運行。

1? 電力電容器常見故障分析

1.1? 內部電容元件被擊穿

電力電容器由多個電容元件串并聯組成。元件回路一般不帶內熔絲，若內部絕緣擊穿，部分電容元件將被短接，其串、并聯的結構隨之發生改變，電容量[C]值發生變化[7]。

假設電力電容器內部由[n]個電容元件并聯、[m]個電容元件串聯組成，單個電容元件的電容量為[C0]，電力電容器內部無故障時的電容值[C]為：

[C=nmC0] （1）

若電力電容器內部的電容元件有[x]個存在擊穿短路故障，則電力電容器的電容值變為：

[C=nm-xC0] （2）

因此內部電容元件擊穿短路會顯著引起電容量[C]值發生變化。

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]值的計算式為：

[C=ε0εrdS] （3）

式中：[ε0]為真空介電常數;[εr]為油紙絕緣的相對介電常數;[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，如果箱體密封不嚴，空氣中的水分和雜質進入箱體內部，造成內部絕緣介質受潮，介質的相對介電常數[εr]增大，電力電容器的電容量[C]值也會發生相應的改變。

1.3? 滲漏油

電力電容器滲漏油是一種常見缺陷，絕緣油泄漏將會使內部油面下降，導致電力電容器上部絕緣及部分電容元件裸露在空氣中，由于空氣的相對介電常數要明顯低于絕緣油的相對介電常數。同時，滲漏油往往容易引起絕緣受潮，所以此時電力電容器的電容量[C]值同樣會發生變化。

1.4? 系統諧波影響

隨著非線性負荷的增加，電網諧波污染問題更加嚴重，導致電力電容器諧波過載[8]。一方面，諧波過載引起電力電容器元件發熱，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強進一步增大，嚴重時直接擊穿電容元件，造成電力電容器故障，其電容量[C]值也會隨之發生變化。

由以上分析可知，發生以上常見缺陷或故障都會導致電力電容器的電容量發生改變，因此，通過監測電容量[C]值分析其運行狀態，判斷是否發生故障在理論上可行。

2? 新型故障預警技術方案

2.1? 技術方案原理

為實現高壓并聯電力電容器的正常運行，往往需要串聯電抗器、隔離開關、避雷器、斷路器、放電線圈等配套設備。高壓并聯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為母線側電壓互感器;TA為電流互感器;QF為斷路器;QS為隔離開關（刀閘）;[L]為串聯電抗器;QG1和QG2為接地刀閘;FV為金屬氧化物避雷器;TV2為放電線圈。

為方便對電力電容器的實時電容量[C]值進行分析計算，將圖1接線方式等效為圖2的電路圖。

監測時，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中母線側電壓互感器TV1中獲取。對所采集的數據進行全波傅里葉變換，提取其基波分量。

經過傅里葉變換提取的基波電壓和電流數據分別為：

[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，其計算公式如下：

[P=UIcos φ] （6）

式中，[φ]為母線電壓與流過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。

得到電力電容器運行電壓為：

[UC=IωC] （10）

將式（8）代入式（9）中，得：

[-UIsin φ=1ωCI2-ωLI2] （11）

經化簡，得電容量[C]值計算式為：

[C=1ωωL-UIsin φ] （12）

由式（12）知，串聯電抗器的電感值[L]的變化會影響電容量[C]值的計算精度。因此，文中在實現電力電容器在線監測的基礎上，首先對串聯電抗器故障進行預警，將電感值[L]變動的影響限制到最小，以保證電容量[C]值的檢測計算精度。

2.2? 電容量監測誤差的校正

因測量用電壓、電流互感器存在固有的比差與角差，導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]值的監測精度，對電壓、電流基波幅值及相位進行修正。

根據式（12）可得電容量[C]值的修正計算公式為：

[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]為通過電流互感器測量得到的電壓、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]。

考慮二次負荷的影響，將電壓、電流互感器出廠試驗得到的比差與角差代入到式（13）中，對電容量[C]值監測結果進行修正。

2.3? 串聯電抗器故障預警

干式空心電抗器具有結構簡單、重量輕、體積小、線性度好、損耗低、維護方便等優點，在實際工程中得到了廣泛的應用。現場實際和研究分析表明，匝間短路是造成干式電抗器故障的主要因素。參考文獻[9]對干式空心電抗器發生匝間短路故障后各狀態量變化情況分析得知：

1） 電抗器故障發生后短路線圈的環流大大增加了電抗器的損耗，可達正常運行時的16倍以上，并隨耦合程度的增加而增大。

2） 電抗器故障發生后電抗器等值電抗值減小比較小，變化量遠遠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，串聯電抗器的有功功率損耗占比最大[10]，因此，本文將依據式（6）中計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，將串聯電抗器正常狀態下有功功率變化率的最高閾值設為2，即：

[k=PPk≤2] （14）

式中：[k]為變化率;[Pk]為串聯電抗器損耗的初值。若變化率[k>2]，則判定串聯電抗器存在匝間短路故障，對串聯電抗器故障進行預警。

2.4? 故障預警整體方案流程

為了能準確對實時運行電力電容器電容量[C]值進行計算，首先需要依據電力電容器成套裝置消耗的有功功率對串聯電抗器故障進行預警，以排除串聯電抗器故障對電容量[C]值計算的誤差。故障預警流程如圖3所示。

3? 電容量[C]值診斷標準及要求

DL/T393?2010輸變電設備狀態檢修試驗規程規定：

1） 對電容器組的電容量[C]值與額定值的標準偏差的要求如下：

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1.05。

因此，將高壓并聯電容器電容量[C]值的正常閾值設定如下：

[σ1=Ci-CNCN×100%σ2=CmaxCmin] （15）

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

通過在線監測系統求解出電力電容器實時運行電容量[C]值，根據電容值求取預警值[σ1]與[σ2]，若[σ1]或[σ2]預警值超過偏差范圍或規定值，在線監測系統對電力電容器進行故障預警。

4? 電力電容器故障預警方案的仿真驗證

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

該站10 kV并聯電力電容器成套裝置中每相電容器組由8臺型號為[BFM113]?334?1W的電力電容器并聯而成，額定電壓[UC=113] kV，額定容量[QC=]334 kvar，額定電容值[C=]26.36 μF;串聯電抗器型號為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]值仿真計算結果如表1所示。

分析表1中數據可知：

狀態1設定為正常狀態，此時預警值都未超過規定。

狀態2設定為A相電容器組電容量[C]值略微超過其下限-5%的閾值，此時，預警值[σ1]與[σ2]同時超過規定，可對電力電容器故障進行預警。

狀態3設定為A相電容器組有1臺電容器內部有單個電容元件擊穿。此時，預警值[σ1]未超過規定，預警值[σ2]超過規定，可對電力電容器故障進行預警。

狀態4為A相電容器組有1臺電容器外熔斷器熔斷。此時，預警值[σ1]與[σ2]同時超過規定，可對電力電容器故障進行預警。

狀態2與狀態3分別使預警值[σ1]與[σ2]超過其臨界狀態，仿真誤差最大值在狀態3中的C相，誤差為0.37%，因此，本測量預警方案可以在臨界狀態下準確實現對故障預警，滿足實際工程需要。

5? 現場應用

以本文技術方案為基礎，由山東智洋電氣有限公司研發了電力電容器在線監測裝置，于2018年6月在淄博電網投入運行。被監測的電力電容器型號為BFMH11?2550+2550?3W，經本測量裝置遠程終端實時監測到的電容量[C]值，如圖5所示。

對比出廠額定值、離線試驗值與在線監測的電容量[C]值數據，如表2所示。

由表2可知，電力電容器的在線監測值與離線試驗值在誤差允許范圍之內。因此，本技術方案可以準確實現對電力電容器電容量[C]值的在線監測。

6? 結? 論

通過以上理論分析、仿真驗證及在線監測裝置實際測量結果，得出如下結論：

1） 新型在線監測方案彌補了現有技術的不足，無需在并聯電力電容器組的放電線圈上獲取電壓信號，即可實現電力電容器電容量[C]值的準確監測，接線簡單，適用范圍更廣。

2） 在對電力電容器電容量[C]值在線監測的基礎上，實現了串聯電抗器的故障預警，避免了因電抗器故障對電容量[C]值在線監測精度的影響。

3） 仿真試驗和現場應用驗證了電容量[C]值在線監測方案的可行性，能夠對電力電容器的故障進行預警，為電力電容器在線監測提供了一種新的方法。

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作者簡介：梁? 東（1993—），男，碩士研究生，從事電力電容器狀態監測與故障診斷方面的研究。

咸日常（1965—），男，教授，博士生導師，從事電氣設備狀態監測與故障診斷方面的研究。