浅谈电力电容器的在线监测技术与选型

安科瑞 华楠

【摘要】传统的电力电容器检测通常为断电,离线进行,影响了生产。已有的电力电容器在线诊断技术集中于对电容量、介质损耗角的测量,检测结果滞后于故障的发生,且检测结果并不理想。主要针对电力系统中高压电力电容器的常见故障,对其故障中发生放电现象的机理进行了分析,得到电力电容器种种故障,通常伴随有放电现象的结论,指出放电现象为其故障初征兆。分析了对高压电力电容器进行在线监测其放电现象可行性,找到监测其放电信号的处理方法,完整设计了一种在线监测电力电容器放电新技术的理论。

 

【关键词】电力电容器;放电现象;在线监测;频谱分析

 

0引言

电力电容器在电力系统中用途广泛,是电力系统中重要的工作元件。电力电容器主要的两种形式为并联电容器和耦合电容器。并联电容器装置作为一种重要的无功电源,对于改善电力系统结构,提高电能质量起着决定性的作用。耦合电容器主要承担电力系统滤波、载波和高频保护任务。电力电容器在运行中除长时间承受工作电压外,还受到各种内外过电压作用而逐渐老化。运行条件下电力电容器与输电线路直接联接,采用常规检测方法对电力电容器进行检测时,使整个输电线路停止运行才能进行,影响了生产。而且每年都曾因停电困难造成电力电容器预防性漏试,这对电力电容器的安全运行也留下隐患。

电力电容器在线事故统计表明,局部放电现象是电力电容器普遍事故的初征兆,继而发展成部分元件的击穿短路故障。目前在线对电力电容器的检测,通常是在线检测在运行高压下流过这些电容试品的电流!、"和tg!,来判断电力电容器是否故障。而电容量的变化和介质损耗角的变化是放电积累到一定程度以后,产生的一个滞后的结果。采用直接对放电现象的监测,能够更早,更及时地发现和防范事故的发生。因此对电力电容器局部放电现象进行监测是防止电力电容器事故的有效途径。

对电力电容器进行局部放电的在线监测少有报道。本文提出了一种新的在线监测电力电容器放电的技术,可以用于对它的工作状况进行诊断。

 

1电力电容器放电现象分析

1.1并联电容器

并联电容器外表面封闭,通过出线端子与母线三相连接,有一端子接地线。内部由绝缘纸、铝泊和电容器油构成串联电容元件,内部结构外部观测不到。

并联电容器的故障现象包括渗漏油、鼓肚、外壳闪烙、熔断器熔断、爆炸等。并联电容器的故障几乎都会伴有放电现象的发生。瓷套管及外壳渗漏油。由于渗漏油导致套管内部受潮、绝缘电阻降低、油面下降、元件上部容易受潮而击穿放电。所有并联电容器的故障中,鼓肚现象是占比例大的。一般油箱随温度变化发生膨胀和收缩是正常的,但当内部发生局部放电,绝缘油产生大量气体,就会使箱壁变形,形成明显的鼓肚现象,发生鼓肚的电容器不能修复,只能更换。由于绝缘不良和表面污秽严重,在电网出现内、外过电压和系统谐振的情况下导致绝缘击穿,表面放电,造成瓷套管闪络破损。

熔断器熔断,源于电容器内部元件放电,发生故障击穿。电容器爆炸,当电容器内部元件故障击穿引起电容器极间贯穿性短路时,与其并联运行的其他电容器将对故障电容器放电,如果注入电容器的能量大于外壳能承受的爆破能量,则电容器爆炸。

 

并联电容器事故除了运行中的脏污、受湿问题外,事故原因与电容器自身结构和制造质量也相关,综合分析如下:

1)在高场强下,电容元件击穿的部位多在电极边缘、拐角和引线与极板接触处,以及元件出现褶迭部位。这些地方电场强度和电流密度都较高,容易发生局部放电和过热烧伤绝缘。在制造过程中应采取适宜隔离措施以及合理的结构设计。

2)运行中电压过高或开关重燃引起的操作过电压,也将产生局部放电。电极对油箱的绝缘一般较高。制造工艺和产品元件质量如绝缘材料质量差,电容器油不纯净等是造成此类放电的主要原因。

3)密封不良。耦合电容器是全密封电器,如果密封不良,在运行过程中有可能进水受潮而导致损坏。密封不良运行中常表现为渗漏油。长期渗漏油的耦合电容器,除内部压力降低进水受潮外,也会因油量减少上部漏油而发生放电故障。

4)电力电容器运行电压过高,产生大量损耗,破坏绝缘。运行环境温度过高和谐波的加入也会成为诱发电容器放电的原因。前者破坏绝缘,后者提升了作用电压。

1.2耦合电容器

耦合电容器事故大多发生在阴雨污秽天气之中,事故现象为表面放电产生闪烙,内部放电积累可能引起击穿短路,熔断器熔断乃至本身爆裂。其故障现象分析雷同于并联电容器。其除了运行中的脏污、受湿问题外,事故原因与电容器自身结构和制造质量也相关,综合分析如下:

1)交直流放电机理不同,等效电路不同,直流放电更易击穿,制造过程中应采取适宜隔离措施以及合理的结构设计。

2)制造过程中,电容芯子位置处的绝缘设计不当,导致运行中芯子尖角处场强过大,容易引起放电。电容芯子烘干不好,残留水分或芯子卷制后又在空气中滞留时间过长而受潮也会形成隐患。

3)关于密封不良。耦合电容器是全密封电器,如果密封不良,在运行过程中有可能进水受潮而导致损坏。每只耦合电容器均装有膨胀器,并经过出厂前的检查,密封不良运行中常表现为渗漏油。长期渗漏油的耦合电容器,除内部压力降低进水受潮外,也会因油量减少上部漏油而发生放电故障。

4)制造过程中工艺上的不合理和缺陷以及搬运过程中引起的损伤也会成为耦合电容器事故的隐患。由已有经验来看,存在的隐患包括夹板在制造加工过程中有缺陷,电容器油中所含芳香烃成分偏少、元件开焊、元件错位等。这些缺陷也是易诱发放电现象。

结论:电力电容器外部放电为电极或母线高压对箱体放电,内部放电为极板间放电。电容器内部放电是不可观测的。

2在线监测技术的设计

关于该技术的结构框图见图1,由传感装置、信号处理装置、计算机分析三大部分组成。

 

技术的核心思想在于:理清电力电容器故障放电的机理,表面放电为内部电极或母线高压对电容器外壳箱体放电,内部放电为电容器极板间放电。电容器表面放电可见闪烙,内部放电至今无成熟方法探测。表面放电信号闪烙很快,频率很高,而内部放电则相对缓慢,频率较低,产生故障为一逐步积累的过程,导致发热和绝缘击穿。整个电力电容器装置电位低处位于它的接地线上,因此,无论是电容器的表面放电或内部放电大多信号都应该通过该地线游走。所以采用宽频的罗可夫斯基线圈作为传感器从电容器地线上取放电信号,送入频谱分析仪,可得到取出信号的频谱图,由于内部和外部放电信号频率差异较大,与计算机数据库中的规范频谱分析数据进行比较,可判定电容器内部是否放电。放电强度,信号的辨识可采用相应的能量传感器和消噪方法进行测量的完成。

关于罗可夫斯基传感线圈。把一个空芯的螺线管线圈的两头对接并环绕在一个载流导体上,就构成一个罗可夫斯基线圈。电弧放电产生频带很宽的电磁波,其中一部分传向测量端子的接地引出线。是由于测量端子接地引出线上的对地电位很低,耦合电容器任何部位的闪络放电信号都会通过它流向大地。将罗可夫斯基线圈绕制在此接地线上,可以准确测量放电信号。罗可夫斯基线圈的频率响应较宽(高测量频率可达3OMHz),适于在线采集各种高压设备的放电信号。

监测仪用来测定测试线圈所接收到的平均峰值能量。通过对射频电流的监测,可以判断耦合电容器的放电程度,然后决定如何处理。与罗可夫斯基线圈相配套的射频监测装置,由射频放大器、对数放大器、检波器和峰值保持器等部分组成。由罗可夫斯基线圈采集的信号,经射频放大和对数放大后送到检波器中,再经过峰值保持后送到A/D转换装置。以上各部分电路均可选用标准的集成电路芯片。射频监测装置的频率取多少,要根据使用情况和背景射频噪声而定。它可以通过传感装置感知并联电容器的放电电弧信号,以发现并联电容器的放电现象,但不能确定放电发生的部位,但这对于仅需量测耦合电容器放电强度的目的而言是足够了。

 

信号经过射频监测装置后送入A/D转换,再由频谱分析仪进行频谱分析,得到取出信号的各个频率分量,计算机对频谱分析数据与数据库中的规范频谱数据进行比较,由新出现的频率分量来决定内部电场是否处于常态范围,是否需要对内部场强进行计算分析,再决定是否进行进一步处理,如停电检修。技术中使用基于有限元方法的软件对需进一步处理的电力电容器内部电场场强进行分析计算,软件用C语言来进行实现。

3安科瑞AZC/AZCL智能集成式电容器介绍

3.1产品概述

 

AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。

 

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

3.2产品选型

AZC系列智能电容器选型：

3.3产品实物展示

 

AZC系列智能电容模AZCL系列智能电容模块

 

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

 

4结束语

由于电力电容器几乎所有故障的前兆都伴随放电,表面放电可以观测,内部放电却很难监测,给电容器的运行维护带来难度。提出的方法在线监测并联电容器的放电现象,是防范事故于未然的一种积极可取的完善措施。该技术理论上严密可行,元器件易于实现,思考角度新颖。成熟产品的推出正处于实施过程之中。

参考文献

[1]党晓强,刘念.电力电容器在线监测技术研究.

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版