變電站電力電容器智能在線監測

楊剛 姜霞君

摘 要：分析和介紹變電站內電容器設備結構，建立數學模型，通過運算軟件仿真分析電容器內部電容元件的損壞故障，獲得應用性結論。基于智能電網發展態勢，研發智能在線檢測裝置，提前預測電力電容器故障征兆，準確定位和分析故障問題。此次研究主要是研究開發變電站電力電容器智能在線監測系統，希望能夠對相關人員起到參考性價值。

關鍵詞：變電站;電力電容器;智能在線監測

1、電容器內部結構與元件損壞故障仿真

選擇某變電站進行案例分析，電容器內部有36個電容元件構成，每個串段部分并聯電阻每個電容元件電容為6.6μF，串入電阻為1.4MΩ。基于變電站一次系統圖，建立電路模型分析。

假設支路中器件電器參數：支路電壓為標準電壓;電抗器感抗：

……（1）;電容器總阻抗：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ……（2）;

支路總阻抗為電抗器和電容器串聯：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?……（3）;按照電路定律，對支路實施向量分析，獲得（4）方程式：

……（4）

在（4）方程式中，S表示電容;I表示電流向量;U表示電壓;UC表示電容器端電壓。

現階段，變電站內安裝差動保護裝置，當電容元器件損壞數量超過3個時即可動作。此次研究只針對電容元件損壞個數小于3個的條件進行仿真，可以劃分為以下情況：第一，電容元件損壞數量為1個，此時僅出現一種情況，表明并聯串存在損壞故障，可以使用（0，0，1）表示。第二，電容元件損壞數量為2個，此時存在兩種情況，同一并聯串上，電容器元件同時損壞，使用（0，0，2）表示。或者兩個并聯串上分別有一個電容元件損壞，使用（0，1，1）表示。第三，電容元件損壞數量為3個，此時存在3種情況。情況一，同意并聯串上出現3個元件損壞，使用（0，0，3）表示;情況二，1個并聯串上有1個損壞，另1個并聯串上有2個損壞，使用（0，1，2）表示;情況三，3個并聯串上各存在1個損壞，使用（1，1，1）表示。

按照上述假設與分析，使用專業數學軟件，輸入不同的頻率，對上述電容元件損壞進行仿真，可以獲得不同情況下的電流、容量、電容器端電壓與相應的變化率。按照仿真結果顯示，輸入5次諧波時，不同損壞情況的電量參數變化率明顯，下圖為變化程度與趨勢曲線。

通過分析圖示可知，第一，電容元件損壞數量越多，則電容參數變化率越明顯。第二，在三個參數中，變化最明顯的是容量，可以使用容量參數作為監測與判別對象。第三，當電容元件損壞數量為1時，容量變化率為33.4%;當電容元件損壞數量為2時，容量變化率為84.8%～98.3%;當電容元件損壞數量為3時，容量變化率為169.4%～260%。從上述數據可知，區間分隔明顯，由于電力系統受到5次諧波分量干擾，因此可以提供有效判斷依據。

2、電容器設備智能在線監測

監測系統組成包括溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、數字音頻處理器、模數轉換器、通訊接口、擴大容量存儲器、顯示屏、前置信號調理器。通過該監測系統，可以實現以下功能：

第一，監測電容器組諧波電流。由于集膚效應、渦流損耗、效率成正比，高次諧波產生熱量高于基波電流。高次諧波功率是電壓與電流，瞬時值乘積在周期內的積分，非同步采樣會加大功率計算誤差。該裝置可以通過零點白手搜索法，截取諧波電壓、電流采樣數據中的整周期數據，通過重新定位的線性同步化算法，進行科學化處理，確保高次諧波功率測量的準確性。

第二，監測電容器組殘壓，實現安全報警。電容器斷電持續一段時間，比較監測殘壓和整定值，當殘壓高于整定值時，會發出安全警報。

第三，記錄和存儲電容器組關鍵運行參數。

第四，內置專家診斷系統。按照電容器內部元件損壞故障仿真結果，聯合其他判斷依據，綜合診斷電容器運行的異常問題。

第五，限制投切涌流。檢測電流或電壓過零點，在電流過零點處切電容器，在電壓過零點處投入電容器，以此減少涌流現象。

在監測系統中，計算器件參數，選擇器件造型時，必須考慮以下內容：首先，獲取電流、電壓、溫度等電容器運行狀態信號、傳感器絕緣強度、確保測量準確度，滿足現場要求。其次，合理選擇運算放大器等器件，建立前置信號預處理電路，傳感器信號進行處理，確保其滿足模數轉換器抗干擾、量程要求。

監測運行狀態信號后，經過處理和轉換送入到主機軟件進行綜合化診斷，明確故障嚴重性與故障具體位置，利用顯示屏輸出結果，提出科學的維修方法和策略。故障綜合診斷依據還需進一步實踐，通過大量現場監測數據統計積累經驗。當前可以遵循國家現行標準、行業標準、規程規范等內容，縱向比較歷史數據。可以在類似設備、同一設備之間進行橫向對比。

3、變電站內電力電容器設備智能在線監測實例分析

電力電容器設備組成包括。控制測量與保護裝置、主體功能裝置、投切裝置。對于控制測量與保護裝置來說，主要包括電流變換設備、電壓變換設備、保護繼電器與測量儀表。對于主體功能裝置來說，主要包括放電裝置、接地刀閘、串聯電抗器、電力電容器、支柱絕緣子、避雷器、熔斷器、導體與構架。對于投切裝置來說，主要包括隔離開關和斷路器。

將實施改造的某35kV變電站為例，下圖為電力電容器設備電氣結構圖。

監測裝置傳感器與安裝位置如下：在斷路器上安放監測斷路器狀態的傳感器。電壓傳感器應用霍爾元件，與電容器兩端連接在一起。電流傳感器采用CT，和電容器出線連接在一起。溫度傳感器安裝在電力電容器與電抗器本體上。

4、結束語

隨著狀態檢修技術的成熟發展，在后期發展中將逐漸擴大應用范圍，全面提升標準要求。此次研究提出的電容器設備智能在線監測系統，可以滿足堅強智能電網的建設要求，又能夠推廣電力設備狀態檢修要求，值得推廣應用。

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