電力電容器裝置全生命周期故障診斷研究

陳偉

安徽航睿電子科技有限公司 安徽 銅陵 244000

引言

在電力系統中，無功功率補償裝置與電力系統的安全穩定、經濟運行、電壓支撐密切相關，電力電容器作為主要的無功功率補償裝置，能夠有效改善系統的功率因數，大量應用于電網中。由于電容器損壞后不能修復，有時還會引起電容器殼體起鼓等事故，由此可見，保持電容器正常工作的重要性。與此同時，電力電容器在運行中無法對獨立電容器單元進行監測，當電容器發生故障時，只能依靠電容器內置保護裝置斷開切除，電流被切斷。電容器內置保護裝置能否正確起作用，關鍵取決于外殼在電容器壽命期間的密封性。內置保護裝置動作后只反映故障電容器所在電容器組的整組信息，排查故障電容器還需要一一對組內電容器進行逐臺排查。

在電力系統中，用于無功補償的電力電容器多數為并聯補償電容器。為了彌補常規電容器技術的不足，通過降低無功補償裝置成本、提高無功補償控制智能化水平、延長無功補償裝置關鍵元器件使用壽命，基于對電容器關鍵技術的創新，金屬化膜引出結構設計、高頻率測試分選技術應用到產品中，利用模糊綜合評價方法對裝置全生命周期健康狀態進行評估，形成新一代無功補償設備并產業化。

1 電力系統中電容器現狀研究

隨著國內經濟的快速發展，電力系統對電力電容器需求逐年增加。國內電容器廠商制造水平得到穩固提高，與國外的差距也逐漸減小，目前在無功補償中應用最多的電容器為并聯電容器。但隨著環境溫度過高、母線電壓偏高、諧波等因素的影響，導致故障率有所反彈上升，這引起了客戶和制造工廠的高度重視[1]。

2 電力電容器現場運行方式

現場實際運行中，并聯電容器組三相一般為星形接線，每相中也采取多只電容器串并聯組合的形式來滿足各項參數的要求。星形接線的優點較多，采用星形接線時電容器極間所承受的電壓是電網的相電壓，因此絕緣承受的電壓不高。當電容器組中有一臺電容器因故障發生擊穿短路時，其他兩相的阻抗起到了一定的限制作用，故障影響會大幅度減輕。星形接線的電容器組結構比較簡單、清晰，建設費用較經濟。當電壓等級升高時，這種接線方法更經濟實用[2]。

3 電力電容器的監測量的選擇

表征電容器工作狀態及損耗情況的特征量有很多，如電容器的局放量、介質損耗角的大小、電容量的變化和極間絕緣等。在檢測條件允許的情況下，選擇任意一個特征量都能實施對電容器的狀態監測。由于并聯補償電容器在工作時，電容器兩端的電壓、流過電容器的電流、電容量的變化、環境溫度及電容器外殼溫度的變化等都能反映出電容器是否處于安全運行的工作狀態。為了能準確判斷電容器運行狀態，并能對故障電容器準確定位，需要對電容器的運行狀態進行實時監測，為電容器的運行維護提供準確信息。

因此，選擇出一個或多個可行的狀態監測量對電容器的實時監測是至關重要的。電容器正常工作的情況下，電容器兩端的電壓不能超過其額定電壓的 1.3 倍；對于單個電容器，電容值變化范圍在 -5%～+10%；電容器的最高環境溫度小于45℃，24 小時平均最高溫度小于 35℃。

考慮到電容器監測的經濟性和實用性等多方面因素，本文先提出對并聯補償電容器電容量和電容器內部元件過電壓進行實時監測，并分析比較兩種監測方法的靈敏度，總結兩種監測方法的實質，最終選擇靈敏度較高的方法對電容器工況進行實時監測，并對電容器的故障定位方法進行了深入的研究[3]。

4 電力電容器的離線檢測方法

4.1 電力電容器的紅外檢測

紅外診斷技術通過非接觸方法對電容器溫升進行檢測，可以用于判定電容器的故障情況，安全性強。對于電力電容器的外部缺陷，由于有明顯的發熱中心，該技術能對其進行有效判斷，它能檢測出 0.1℃，甚至是 0.01℃的溫差。但對于設備的內部缺陷，可能發熱并不明顯，其作用有限。紅外監測也只是反映電容器在某一時刻的溫度變化，很難獲取設備在不同時間工作狀態下的溫度變化圖。

此外，影響紅外檢測結果準確與否的因素較多，如：太陽光的影響、粉塵散射的影響、風力的冷卻影響等[4]。

4.2 電力電容器的端子間的耐壓測試

檢測電容器極間絕緣水平常用的方法是對其做耐壓試驗，它包括直流耐壓試驗和交流耐壓試驗。直流耐壓試驗是給被測設備通上直流電，加壓一定時間后測量設備的絕緣狀況，顯然直流耐壓試驗不能反映設備實際工作情況，所以很難以正確的測量出電容器的內部缺陷及故障，因此直流耐壓試驗很少應用。

而工頻交流耐壓試驗所加電壓為交流電，與直流電相比它更接近實際運行電壓的波形，與設備在運行中所承受的工頻暫態過電壓的情況較吻合，能反映出設備的真實工作狀況，不存在等價性的問題。因此應用交流電做耐壓測試已成為并聯補償電容器極間絕緣測試的實用方法。

對并聯補償電容器而言，通常用試驗調壓器將測試電壓升到額定試驗電壓的方法，而通常試驗調壓器設備體積過大，試驗成本過高。端子間的耐壓測試是在電容器未運行時進行的，也是一種離線試驗，不能及時發現電容器運行時的狀態，也有其局限性[5]。

5 電力電容器的在線監測方法

針對電力電容器的離線監測診斷的不足，本文提出一種基于嵌入式技術和GPRS的遠程數據采集終端設計。實現了以LPC2210微處理為基礎的硬件設計，以及使用UCOS-Ⅱ軟件實時操作系統的設計。該系統可以在后臺管理中心實時數據取得、處理、無線傳輸、遠程監視等功能。

5.1 系統設計

數據采集系統總體結構由微處理器模塊、實時計時模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊和通信模塊組成。由后臺管理中心和多個數據收集點組成的集成式數據終端，可實現在線監測數據采集，并通過無線網絡將數據發送到后臺管理中心。在后臺對在線數據進行計算、保存和控制[6]。

5.2 數據采集與傳輸系統

數據采集以數字信號處理器為核心，采用交流取樣技術、集數據采集、無功補償功能于一體，可檢測現場的各項指標。采集的數據通過RS-232接口與GPRS數據傳輸終端相連，通過GPRS透明數據傳輸終端嵌入式處理器對數據進行處理，協議封裝后發送到網絡。與此同時，可對遠程終端發出指令、參數設置、實時數據監測或實現遠程控制等[7]。

5.3 數據監測處理中心

數據監測處理中心負責對數據進行匯總、整理和后臺分析，完成對遠程終端數據計算、保存和存儲。

數據監測處理中心和遠程終端之間可以實現相互通訊，可以定時或人工查詢各監測終端的參數和工作狀態，從而實現遠程巡邏預警功能。

數據監測處理中心還可以向各遠程終端發出遙控指令，由后臺系統對數據進行管理，實現統計、存儲、打印等功能[8]。

6 結束語

本文提出電力電容器的在線監測及故障診斷的設計方案，在電力系統特殊運行環境下，提出一種基于嵌入式技術和GPRS的遠程數據采集終端系統設計，數據監測處理中心通過GPRS網絡，運用定時或人工查詢功能對各遠程監測終端的參數和工作狀態進行匯總、整理和后臺分析，實現電力電容器可靠運行，實現對電力電容器全生命周期健康狀態進行監測診斷，延長電容器使用壽命，最大程度的提高電力電容器的安全性能。