配網補償電容器故障監測研究

康軍強，鄭江峰，陳 偉

(1.北京市水利規劃設計研究院，北京 100044;2.北京國華能源投資有限公司，北京 100007)

1 引言

電網輸送的功率分為有功功率和無功功率，一般負載如電機類的負載均屬于感性的，工作時需要消耗無功功率，線路缺乏無功會使系統電壓降低，無功功率遠距離輸送會增大電能損耗，從經濟性角度應當避免無功功率的遠距離輸送，一般需要在負荷端就地給電網進行無功補償，最簡單和最方便的是用靜止并聯電容補償，利用電容發出的無功給負載提供無功功率，這樣可減小電網的損耗，還能提高設備的使用效率，提高電網的運行質量。

補償電容器作為電網重要部分，它本身的安全、可靠地運行對電網的安全可靠運行起到至關重要的作用。電網上的并聯補償電容器，在長期運行中除了承受運行電壓外還會受到各種操作過電壓的影響而逐漸老化。如果在實際運行中沒有及時發現具有故障隱患的電容器以及故障電容器，將會對電網的正常運行產生巨大危害，對社會造成非常大的經濟損失和不利影響。傳統的電容器故障檢測手段，需要電網斷電通過預防性試驗才能夠進行，這樣會影響人們的生活和生產用電，降低了電網的利用效率和社會生產效率。同時離線的電容器狀態監測具有滯后性，不能及時反映運行時的實際狀態等缺點。因此尋找一種能夠在線監測電容器運行狀態的方法，對提高電網的運行效率，保證電網的運行可靠性等有重要的意義。本文通過對比幾種電容器在線監測方法的優缺點，進而提出一種經濟、合理的檢測手段。

并聯電容器的在線故障統計表明，局部放電現象是并聯電容器事故的普遍征兆，繼而發展成部分元件的擊穿短路故障。目前電容器的在線監測手段有局放在線監測法和介損在線監測法，

2 并聯電容器的故障及危害

并聯電容器外表封閉，內部有絕緣紙、鋁箔和電容器油構成串并聯電容元件，內部元件從外部無法觀察。補償電容器通過出線端套管與三相母線連接，根據電容器承受的電壓高低和無功補償容量大小補償電容器組有星形接法和三角形接法。

電容器在運行過程中受到諸多因素的影響，包括其本身故障的影響，所處環境溫度的影響，過電壓、過電流的影響，惡劣氣候的影響，電容器附屬設備的故障影響以及系統運行方式的調整和系統諧波源接入等都會影響電容器的正常運行。

并聯電容器的故障現象包括電容器漏油、鼓肚、外殼閃絡、熔斷器熔斷、瓷套管老化等。并聯電容器的故障都會伴隨有放電現象發生。并聯電容器的所有故障中鼓肚的發生率最高，一般油箱隨溫度的變化而產生膨脹、收縮屬于正常現象。但是在內部發生局部放電嚴重時絕緣油會產生大量氣體，會時油箱變形，形成明顯的鼓肚現象。發生鼓肚的電容器一般不能維修，只能更換。漏油現象主要是電容器密封不嚴或不牢固等原因造成，電容器是全密封設備，密封不嚴會導致空氣和水分等雜質進入油箱內部，造成絕緣受損，危害極大，應該杜絕電容器漏油現象。

電容器故障將會引起補償電容器的補償容量降低進而造成對電網的無功補償不足，導致電網運行效率變低，電容器燒毀甚至會導致區域電網斷電等危害。

如何盡早發現電容器的初期故障，是擺在廣大技術人員面前的一道課題。

3 故障檢測方法介紹

3.1 離線定期巡檢的檢測方法

目前有幾種電容器故障檢測手段，其中最原始的是系統斷電，離線定期通過預防型試驗巡檢的方法。該種方式需要一定范圍內的電網斷電，由巡檢人員帶著相應的測試設備檢測補償電容器的各種性能。該方式需要耗費大量的人力資源，并且工作效率低下，具有一定的滯后性，同時需要斷電影響電網的運行等缺點。由于人員可以在現場進行檢測和維護設備會有較好的檢測效果，同時會減少檢測設備的數量降低成本。在早期由于電網規模不是很大，系統復雜程度不高，同時受到當時技術水平所限該種方式具有一定的優勢，但隨著人力成本的提高，和電網規模的不斷擴大和運行效率的高要求，該種方只能作為一種輔助的檢測手段。

3.2 補償電容器的局部放電在線測量監測方法

補償電容器在線發生各種故障時會產生局部放電現象，因此在線局放檢測手段可以非常準確的判斷電容器運行是否正常。局部放電的監測是以伴隨局放放電的各種現象為依據，通過能代表該現象的物理量的測量來評定電容器的放電情況。主要包括前端傳感器、前置放大單元、信號處理模塊、模數轉換和數據通訊、控制等部分組成。其基本原理如圖1所示:

該種方法具有非常高的準確性，可以較可靠地判斷電容器是否能夠正常工作。但是此方式的實現需要非常高的設備成本，現場安裝復雜。尤其當前電網中補償電容器設備數量巨大，采用此種方法會使對補償電容器的監測成本大大增加。并且該設備對環境的要求較高，會因環境的變化而受到干擾。在配電電網中難以大規模應用。

圖1 補償電容器局部放電檢測基本原理圖

3.3 補償電容器的電容值在線監測方法

并聯補償電容器的內部放電，為電容兩極板之間的放電。內部放電相對緩慢，頻率較低，產生故障是逐步積累的過程，該過程會導致電容器發熱和絕緣擊穿。外部動態特性看來是電容量發生變化，這會從其流過的電流表現出來。

該方法的基本原理是通過實時測量母線電壓U和電容器電流I，根據電壓和電流的相位差和電流、電壓值來計算電容器的電容量。可以通過實時監測的數據來對比電容值的變化，從而實現對電容器的狀態監視，來及時發現電容器的故障隱患。

該方法的測量精度低于在線局放測量，在實際應用中也能夠滿足對電容器狀態監視的功能要求，但是本方案的成本較局放監測要低很多同時安裝復雜程度也較在線局放監測簡單。其基本原理如圖2所示。

該套系統由精密電壓互感器、精密零磁通電流互感器、信號采集模塊和計算機監控平臺以及通道選擇開關等及部分組成。

精密零磁通互感器可以將補償電容器電流信號變換成0－10V的電壓信號，傳送到監控模塊。該傳感器采用零磁通穿心結構電流傳感器，它是專為電流在線監測研制的單匝穿心式結構。外殼采用屏蔽密封式。能防雨、防塵、防銹，抗電磁干擾。該傳感器精度能夠達到比差在±0.01%，非線性度±0.005，角差在±0.01°以內，可以在－40～55℃度的寬溫范圍內正常工作。零磁通互感器的這些特性使得對電網上補償電容器的監測系統更加可靠、準確。零磁通互感器如圖3所示。

信號采集模塊，采用多通道同步采集的AD7606采集芯片，該采集卡可以達到200kps的采樣率，分辨率為16位，采集卡內有倍數放大器，可以自動將小信號進行放后再采集，保證采集的信號精度在±0.03%以內。

圖2 補償電容器電容值監測基本原理圖

采集卡內由FPGA來作為控制核心，可以實現高速采集和同步觸發功能，同時該采集卡具有光纖通訊功能。通過光纖與監控計算機進行通訊，保證了高通訊速率的同時可以將監控平臺的計算機與采集模塊進行電氣隔離，提高整套系統的可靠性和抗干擾性能。采集模塊的電路如圖4所示。

圖3 零磁通互感器實物圖

通過可編程控制器來實現對選擇接觸器的遠程控制，選擇接觸器的應用可以將監控平臺的成本大大降低。本系統利用輪詢原理，即通過選擇接觸器來切換監控通道，這樣可以利用一套信號采集模塊就可以分時監控多個補償電容器的工作狀態。例如一分鐘切換一個監測通道這樣可以在一小時內監控60組補償電容器的當前狀態。

圖4 采集模塊的電路實物圖

監控平臺將采集到的信息進行擬合、運算，可以準確得出測量回路的電容值，根據電容量的變換可以判斷被測回路的補償電容器工作狀態是否正常。

該方案可以實現電網在一個負荷補償區間內利用一套信號采集模塊和一套監控平臺就可以監視所有電容器的工作狀態，保證了補償電容器安全可靠運行的基礎上同時降低了人力成本和設備成本。通過檢測平臺的數據分析系統將當前的測量電容值與設備原始的電容值進行對比，根據其趨勢曲線可以及時將具有故障隱患的的電容器組位置進行確定，大大降低了人員檢修的工作量，同時為后期設備維護提供了可靠依據。

4 監測手段比較

通過上面的介紹我們可以發現各種監測手段的優缺點對比如表1所示。

表1 各監測手段優缺點比較

5 結論

通過以上分析，配電網補償電容器的電容值監測系統具有安裝簡單，設備成本低，環境適應性好等特點，對配電網的安全高質量運行具有一定輔助作用。隨著國家對電網改造力度加大，智能電網必然會快速發展，該技術的應用將會大大提高配電網補償電容器運行的安全性，提高智能化水平管理水平。該技術在理論上是完全可行的，目前該系統正在調試過程中，通過調試運行將該系統中的一些不足暴漏出來，進一步進行完善，然后推向市場，為智能電網的發展添磚加瓦。

［1］王昌長，李福琪，高勝友.電力設備的在線監測與故障診斷［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［2］李巖，楊民軒.電力電容器局部放電聲電檢測系統的應用［J］.電氣化鐵道，2008，(1):20－21.

［3］黃新波.輸電線路在線監測與故障診斷［M］.北京:中國電力出版社，2008.