电力电容器装置全生命周期故障诊断研究

陈伟

安徽航睿电子科技有限公司 安徽 铜陵 244000

引言

在电力系统中，无功功率补偿装置与电力系统的安全稳定、经济运行、电压支撑密切相关，电力电容器作为主要的无功功率补偿装置，能够有效改善系统的功率因数，大量应用于电网中。由于电容器损坏后不能修复，有时还会引起电容器壳体起鼓等事故，由此可见，保持电容器正常工作的重要性。与此同时，电力电容器在运行中无法对独立电容器单元进行监测，当电容器发生故障时，只能依靠电容器内置保护装置断开切除，电流被切断。电容器内置保护装置能否正确起作用，关键取决于外壳在电容器寿命期间的密封性。内置保护装置动作后只反映故障电容器所在电容器组的整组信息，排查故障电容器还需要一一对组内电容器进行逐台排查。

在电力系统中，用于无功补偿的电力电容器多数为并联补偿电容器。为了弥补常规电容器技术的不足，通过降低无功补偿装置成本、提高无功补偿控制智能化水平、延长无功补偿装置关键元器件使用寿命，基于对电容器关键技术的创新，金属化膜引出结构设计、高频率测试分选技术应用到产品中，利用模糊综合评价方法对装置全生命周期健康状态进行评估，形成新一代无功补偿设备并产业化。

1 电力系统中电容器现状研究

随着国内经济的快速发展，电力系统对电力电容器需求逐年增加。国内电容器厂商制造水平得到稳固提高，与国外的差距也逐渐减小，目前在无功补偿中应用最多的电容器为并联电容器。但随着环境温度过高、母线电压偏高、谐波等因素的影响，导致故障率有所反弹上升，这引起了客户和制造工厂的高度重视[1]。

2 电力电容器现场运行方式

现场实际运行中，并联电容器组三相一般为星形接线，每相中也采取多只电容器串并联组合的形式来满足各项参数的要求。星形接线的优点较多，采用星形接线时电容器极间所承受的电压是电网的相电压，因此绝缘承受的电压不高。当电容器组中有一台电容器因故障发生击穿短路时，其他两相的阻抗起到了一定的限制作用，故障影响会大幅度减轻。星形接线的电容器组结构比较简单、清晰，建设费用较经济。当电压等级升高时，这种接线方法更经济实用[2]。

3 电力电容器的监测量的选择

表征电容器工作状态及损耗情况的特征量有很多，如电容器的局放量、介质损耗角的大小、电容量的变化和极间绝缘等。在检测条件允许的情况下，选择任意一个特征量都能实施对电容器的状态监测。由于并联补偿电容器在工作时，电容器两端的电压、流过电容器的电流、电容量的变化、环境温度及电容器外壳温度的变化等都能反映出电容器是否处于安全运行的工作状态。为了能准确判断电容器运行状态，并能对故障电容器准确定位，需要对电容器的运行状态进行实时监测，为电容器的运行维护提供准确信息。

因此，选择出一个或多个可行的状态监测量对电容器的实时监测是至关重要的。电容器正常工作的情况下，电容器两端的电压不能超过其额定电压的 1.3 倍；对于单个电容器，电容值变化范围在 -5%～+10%；电容器的最高环境温度小于45℃，24 小时平均最高温度小于 35℃。

考虑到电容器监测的经济性和实用性等多方面因素，本文先提出对并联补偿电容器电容量和电容器内部元件过电压进行实时监测，并分析比较两种监测方法的灵敏度，总结两种监测方法的实质，最终选择灵敏度较高的方法对电容器工况进行实时监测，并对电容器的故障定位方法进行了深入的研究[3]。

4 电力电容器的离线检测方法

4.1 电力电容器的红外检测

红外诊断技术通过非接触方法对电容器温升进行检测，可以用于判定电容器的故障情况，安全性强。对于电力电容器的外部缺陷，由于有明显的发热中心，该技术能对其进行有效判断，它能检测出 0.1℃，甚至是 0.01℃的温差。但对于设备的内部缺陷，可能发热并不明显，其作用有限。红外监测也只是反映电容器在某一时刻的温度变化，很难获取设备在不同时间工作状态下的温度变化图。

此外，影响红外检测结果准确与否的因素较多，如：太阳光的影响、粉尘散射的影响、风力的冷却影响等[4]。

4.2 电力电容器的端子间的耐压测试

检测电容器极间绝缘水平常用的方法是对其做耐压试验，它包括直流耐压试验和交流耐压试验。直流耐压试验是给被测设备通上直流电，加压一定时间后测量设备的绝缘状况，显然直流耐压试验不能反映设备实际工作情况，所以很难以正确的测量出电容器的内部缺陷及故障，因此直流耐压试验很少应用。

而工频交流耐压试验所加电压为交流电，与直流电相比它更接近实际运行电压的波形，与设备在运行中所承受的工频暂态过电压的情况较吻合，能反映出设备的真实工作状况，不存在等价性的问题。因此应用交流电做耐压测试已成为并联补偿电容器极间绝缘测试的实用方法。

对并联补偿电容器而言，通常用试验调压器将测试电压升到额定试验电压的方法，而通常试验调压器设备体积过大，试验成本过高。端子间的耐压测试是在电容器未运行时进行的，也是一种离线试验，不能及时发现电容器运行时的状态，也有其局限性[5]。

5 电力电容器的在线监测方法

针对电力电容器的离线监测诊断的不足，本文提出一种基于嵌入式技术和GPRS的远程数据采集终端设计。实现了以LPC2210微处理为基础的硬件设计，以及使用UCOS-Ⅱ软件实时操作系统的设计。该系统可以在后台管理中心实时数据取得、处理、无线传输、远程监视等功能。

5.1 系统设计

数据采集系统总体结构由微处理器模块、实时计时模块、数据采集模块、数据存储模块和通信模块组成。由后台管理中心和多个数据收集点组成的集成式数据终端，可实现在线监测数据采集，并通过无线网络将数据发送到后台管理中心。在后台对在线数据进行计算、保存和控制[6]。

5.2 数据采集与传输系统

数据采集以数字信号处理器为核心，采用交流取样技术、集数据采集、无功补偿功能于一体，可检测现场的各项指标。采集的数据通过RS-232接口与GPRS数据传输终端相连，通过GPRS透明数据传输终端嵌入式处理器对数据进行处理，协议封装后发送到网络。与此同时，可对远程终端发出指令、参数设置、实时数据监测或实现远程控制等[7]。

5.3 数据监测处理中心

数据监测处理中心负责对数据进行汇总、整理和后台分析，完成对远程终端数据计算、保存和存储。

数据监测处理中心和远程终端之间可以实现相互通讯，可以定时或人工查询各监测终端的参数和工作状态，从而实现远程巡逻预警功能。

数据监测处理中心还可以向各远程终端发出遥控指令，由后台系统对数据进行管理，实现统计、存储、打印等功能[8]。

6 结束语

本文提出电力电容器的在线监测及故障诊断的设计方案，在电力系统特殊运行环境下，提出一种基于嵌入式技术和GPRS的远程数据采集终端系统设计，数据监测处理中心通过GPRS网络，运用定时或人工查询功能对各远程监测终端的参数和工作状态进行汇总、整理和后台分析，实现电力电容器可靠运行，实现对电力电容器全生命周期健康状态进行监测诊断，延长电容器使用寿命，最大程度的提高电力电容器的安全性能。