基于差動電壓的并聯電容器在線監測系統設計

孫瓏，翁暉

（寧波電業局，浙江寧波315000）

無功電源是保證電力系統的電能質量、降低網損以及系統穩定運行所不可缺少的部分。根據《華東電網“十一五”規劃和2020年目標網架研究》，華東電網隨著網架規模的擴大，當電網因故失去一個或多個元件時，其有功功率外部支援能力較強，對保持頻率的穩定基本不會造成影響。然而，無功功率的補償需要就地平衡，因此，電壓穩定問題就會成為電網正常運行的主要威脅[1]。并聯電容器是目前無功補償的主要方式，因此，無功補償電容器設備的健康狀況對預防電壓崩潰的發生，確保電網安全和經濟運行具有至關重要的作用。由于500 kV變電站正在提高變電站智能化并逐步向無人值班模式轉變，所以迫切需要一套能實現并聯電容器組運行狀態的實時監測，并能及時向值班員提供預警提示的系統。

1 寧波500 kV變電站無功補償電容器故障統計

截止2010年12月底，寧波電網共投運5座500 kV變電站，共配置10組35 kV并聯電容器組。從2007年1月1日至2010年12月31日，共發生并聯電容器缺陷事故136起，其中涉及更換電容器的缺陷37起，網內發生電容器群爆重大事故2起，對電網的穩定運行造成了嚴重的影響。

并聯電容器的缺陷主要有：1）熔絲熔斷；2）電容器外殼鼓肚變形；3）電容器滲漏油；4）電容器外殼銹蝕；5）連接部分接頭過熱；6）電容器保護動作或告警；7）電容器群爆[2]。近2 a各類并聯電容器缺陷故障具體分布如表1所示。

這些故障現象，除了接頭過熱和外殼銹蝕，其余均會在故障電容器本身電容量的變化上有直接的體現，且隨著故障現象的明顯，相應電容器電容量的變化也會增大。另外，電容量作為電容器的最基本特性參數，是反映電容器自身特性最關鍵的指標。通過監測電容器組的電容量變化能夠判斷并聯電容器的設備性能狀況[3]。

表1 2007年1月至2010年12月寧波電網電容器設備故障情況統計Tab.1 Statistics of capacitor equipment faults in Ningbo power grid from 2007 January to 2010 December

2 并聯電容器監測方法現狀

目前并聯電容器的監測手段仍然停留在傳統的定期校驗和缺陷發生后的事故分析校驗，無法及早預測并聯電容器事故的發生。日常的運行維護只能依靠運行人員進行定期巡視設備來進行。由于現在變電所內設備已經進入狀態檢修階段，對于運行的并聯電容器，也按照Q/GDW 451-2010并聯電容器裝置（集合式電容器裝置）狀態檢修導則要求實行狀態檢修，但判斷并聯電容器運行狀態只能通過人員的外觀檢查和紅外熱像監測，由此出現以下弊端：

1）由于并聯電容器安裝緊密且日常檢查只能在設備網門外進行，所以無論是使用目測觀察還是紅外熱像監測，都無法全方位地看清每個電容器元件，必然存在監測死區。

2）目測觀察只能發現熔絲熔斷故障、嚴重的外殼膨脹變形、外殼銹蝕和滲漏油，紅外熱像監測只能發現電容器表面溫度過熱和接頭過熱，而且通過上述方式發現的缺陷已經不屬于電容器的早期故障，需要立刻停用相關電容器組。

3）不論是運行人員定期巡視還是檢修人員狀態監測信息采集，都是按照一定的固有周期進行的，在時間上存在間隔，無法做到實時不間斷監測電容器的運行狀況。

綜上所述，2種傳統的日常監測方法都無法實時、連續的監測并聯電容器組內每個電容器單元的運行狀況，不能在故障早期及時發現電容器的絕緣缺陷，無法為電容器狀態檢修提供設備運行時的電容量測量數據和運行歷史記錄。

3 并聯電容器電容量變化在線監測

3.1 并聯電容器差壓與電容量的關系

本文提到的并聯電容器差動電壓與并聯電容器差壓保護所指的差動電壓一樣，均是指同一電容器組上、下段電容（兩段電容值相同）上的電壓，通過放電線圈，將上、下段電壓送入差壓繼電器所得到的數值[4]。其等效示意圖見圖1。

圖1 并聯電容器組壓差示意圖Fig.1 Differential voltage of shunt capacitor diagram

2010年5月，對某500 kV變電站的并聯電容器組狀態檢修數據采集時發現該變電站3號主變3號電容器A相壓差值異常，ΔUA=3.95 V；并聯電容器組停役檢修后經測量得到數據如表2所示。

由表2可以發現，A相第一串A1~A10的整體電容值比額定值偏小，整體電容量變化率在4.14%，單獨測量每個電容器元件后發現A9的電容量變化率為38.4%，不滿足規程變化率≤3%要求；其余電容器元件的電容量變化均≤3%，滿足規程要求。此時，電容器差壓保護因未達到定值而沒有動作，但A9電容器的性能已經完全超出規程中電容量變化率≤3%的要求，應及早更換，以免影響同一串的其他電容器。更換A9電容器后差壓值為ΔUA=0.08 V。

理論上，當電容器正常運行時，電容器組兩串聯段上電容量C1=C2，由此產生的電壓降也相等，經放電線圈傳變后的電壓U1=U2，差動電壓ΔU=0；當并聯電容器存在絕緣缺陷異常運行時，C1≠C2，上、下段電容量的變化會引起相應的電壓變化，隨之會產生差壓，必定引起壓差變化導致ΔU≠0。不考慮同一串聯段上下兩段電容器同時發生相同電容量變化的故障[5]。

表2 3號主變3號電容器故障前后電容量相關數據Tab.2 Capacitance statistics of#3 capacitor of#3transformer before and after fault

并聯電容器組差壓保護已經作為電容器組的主要繼電保護判據應用于實際生產現場中。

因為電容器組內電容量最早發生變化的一定是絕緣性能最差的一個元件，所以在只考慮一個元件故障的情況下，電容器組電容量變化率與兩串聯段上的差壓公式[6]如下

式中，ε為單個電容器的電容量變化率；ΔU為輸出的差動電壓；N1為上段支路串聯的元件數；M為元件串聯支路并聯數；n為放電線圈電壓變比；k為電抗率，XL/XC。

式中，N1、M、n、k均為定值。由此可知，并聯電容器的電容量變化率能夠通過測得的差動電壓求得。

綜上可知，能夠通過運行中并聯電容器的差動電壓的變化來判斷并聯電容器組內電容量的變化。電容器差壓保護整定值相對較高，但可以通過觀察差壓值的變化，在差壓值升高時設定告警門檻，當差壓值越限告警時，結合電容器停役進行檢查、消缺，在電容器差壓保護動作前及早消除存在的隱患，避免對電網的無功功率平衡造成影響。

針對上述并聯電容器監測現狀存在的問題，本文提出一種通過在線監測并聯電容器差動電壓的方法來計算并聯電容器電容量的變化，即利用并聯電容器差動電壓作為狀態量來判斷并聯電容器組的工作狀況，以期達到及時準確地了解并聯電容的工作狀況的目的。這套系統結構如下圖2所示。

圖2 并聯電容器電容量在線監測系統結構圖Fig.2 On-line monitoring system of capacitance structure diagram

3.2 并聯電容器差壓數據的實時采集

因為變電站內現場的電容器保護裝置已經采集了并聯電容器的差壓數據，所以可以利用從現有的電容器保護裝置中提取差壓數據。電容器保護裝置本身均能向保護管理機或后臺監控系統發送壓差數據，但是現場運行的35 kV電容器保護均只配備一個用于與保護管理機通訊的網絡口，按照要求不允許占用或共享。打印機口能夠打印實時的模擬量和開入量，所以也具備輸出差動電壓的能力。遵循對現有運行設備影響最小的原則，可以選取打印機口實現差壓數據的采集。通過一個含網口輸出的串口交換機，可以實現打印機與差壓提取軟件對保護裝置打印口的數據共享。后臺軟件通過串口交換機的網口與保護裝置之間實現報文通訊，利用虛擬“打印”命令從保護中提取差壓模擬量和開關位置開入量。差壓數據采集結構示意圖如圖3所示。電容器保護和在線監測系統主機之間距離較長時可采用光纜連接。

圖3 并聯電容器差壓數據實時采集結構圖Fig.3 Collection structure diagram of differential voltage statistics of shunt capacitor

寧波電網500 kV變電站中采用北京四方CSC221A數字式電容器保護測量裝置作為電容器保護比較普遍，故選定北京四方CSC221A保護作為差動電壓的實例提取對象。

后臺軟件利用打印口與CSC221A保護裝置進行通訊，通訊規約為RS485，采集電容器保護報文內的差動電壓模擬量和開關位置開關量。因差動電壓模擬量在保護裝置內已經經過模數轉換變為數字量，并以數字量的形式進行傳輸，所以采集到的差動電壓的精度能到達保護裝置本身的模擬量通道的采集精度，完全滿足并聯電容器在線監測的要求。通過軟件采集到實時數據見圖4。

圖4 并聯電容器差動電壓實時采集示意圖Fig.4 Collection diagram of differential voltage statistics of shunt capacitor

軟件能夠通過設定的時間間隔從保護裝置中提取三相相關數據，在主界面上通過不同顏色的曲線加以區分。利用后臺的網絡交換機能實現多組并聯電容器同時監測。

3.3 后臺軟件數據分析

利用采集的差壓數據，通過式1，能夠計算出電容量的變化率。按照電容量變化率≤3%的要求設定適當的差動電壓幅值越限門檻值，當采集的差動電壓幅度超高門檻值時，軟件發出預警信息，通知運行和檢修人員加強巡視并及時處理。

由于并聯電容器并不是一直處于運行狀態，所以需要加入電容器的開關位置輔助接點來判斷電容器的運行狀態。當開關任一相合位時，軟件開始召喚差壓數據并保存在后臺數據庫中；當開關三相均為分位時，軟件停止召喚和保存差壓數據。這樣做的優點有：

1）避免頻繁讀取保護裝置實時數據，有效地減輕對保護裝置的影響；

2）節省數據存儲容量；

3）能正確區分差壓數據為零漂值還是差壓值，并利用開關位置來屏蔽并聯電容器退出運行時的差壓零漂值。

由于電容器電容量的變化是個緩慢的過程，不需要頻繁地提取保護裝置內的差動電壓值，只需設定一個合理的時間間隔進行數據提取，避免加重保護CPU的負擔。

軟件還具備并聯電容器電容量歷史數據查詢和電容量變化趨勢分析，利用電容量的變化趨勢實現預測功能，對于變化趨勢超過要求的進行預警。

3.4 現場應用實例

利用該套并聯電容器在線監測系統對500 kV某變電站3號主變3號電容器組進行差壓數據監測時，該系統后臺軟件發出告警信號，此時該組電容器B相差動電壓值越限告警，B相差動電壓ΔUB=1.03 V，大于該系統整定的差動電壓告警門檻值ΔU=1 V。停役該并聯電容器組后測得B相11號電容器的電容量為26.89 μF，低于該電容器的額定電容量30.1 μF，變化率達到10.66%，大于3%的規程要求，確實存在故障，需要更換該電容器。其余電容器電容量變化率均滿足規程要求。更換B相11號電容器后，測得B相差動電壓值ΔUB=0.08 V，恢復正常運行要求。

4 結語

利用電容器保護內的差動電壓而得到的電容量變化值，在不需要增加或改動一次設備的情況下，就能實現電容器組電容量變化率的在線實時監測。基于差動電壓的并聯電容器在線監測系統能夠客觀地記錄并聯電容器組運行中的差動電壓變化，并且能反映出并聯電容器組整體的運行狀況，同時實行對不正常狀況進行預警。

由于這套系統的關鍵技術難點并聯電容器組差動電壓的在線實時采集已經能夠實現，所以通過后臺軟件的功能擴展和高級應用，可以實現并聯電容器組差動電壓、電容量變化率的歷史數據查詢，變化趨勢分析，越限告警等相關功能，為設備的狀態檢修提供數據支持。

[1] 蔣躍強,周行星，陸志浩.華東500kV電網無功補償電容器故障分析[J].華東電力,2008,36(11):19-21 JIANG Yue-qiang,ZHOU Xing-xing,LU Zhi-hao.Fault analysis for reactive compensation capacitors of East China 500 kV grids[J].East China Electric Power,2008,36(11):19-21(in Chinese).

[2] 馮順萍,劉文澤,蔡澤祥.并聯電容器組中性線電流不平衡保護的分析研究[J].電力科學與工程,2010,26(2):47-50.FENG Shun-ping,LIU Wen-ze,CAI Ze-xiang.Study on neutral-line unbalance currentprotection in shunt capacitor bank[J].Electric Power Science and Engineering,2010,26(2):47-50(in Chinese).

[3] 岳永剛,孟慶大,臧政寧.TEMP-500IU型CVT現場預試方法[J].電網與清潔能源,2009,25(8):37-40.YUE Yong-gang,MENG Qing-da,ZANG Zheng-ning.Filedpre-testmethodofTEMP-500IUCVT[J].PowerSystem and Clean Energy,2009,25(8):37-40(in Chinese).

[4] 趙啟承,王敏,丁一岷.500 kV變電站35 kV并聯電容器組常用保護方式及其定值的計算研究[J].電力電容器與無功補償，2008，29(6)：5-9.ZHAO Qi-cheng,WANG Min,DING Yi-min.Calculating research on common protection methods and rated values of 35 kV shunt capacitor bank in 500 kV Substation[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation,2008，29(6)：5-9(in Chinese).

[5] 丘文千,周浩.并聯電容器裝置的參數優化[J].南方電網技術,2011,5(6):101-105.QIU Wen-qian,ZHOU Hao.Optimization of the shunt capacitor device’s parameters[J].Southern Power System Technology,2011,5(6):101-105(in Chinese).

[6] 楊一民.箱式高壓并聯電容器電壓差動繼電保護的探討[J].電力電容器,2007(1):20-25.YANG Yi-min.Research on the differential voltage protection for high voltage shunt tank capacitor[J].Power Capacitor,2007(1):20-25(in Chinese).