基于电力电容器[C]值监测的新型故障预警技术

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　　摘  要： 理论研究和运行实践表明，电力电容器成套装置的运行故障率明显高于其他变电设备。为实现电力电容器的故障预警，通过从母线侧电压互感器获取电压信号、回路电流互感器获取电流信号，研究电力电容器电容量[C]值监测的新型技术方案，确定其预警阈值。并通过监测成套装置消耗的有功功率以甄别串联电抗器是否存在故障，保证了电容量[C]值监测的精度。运用电磁暂态仿真软件ATP?EMTP对电力电容器故障进行了仿真。仿真及现场应用表明：提出的电容量[C]值在线监测技术能准确有效地对电力电容器故障进行预警，克服了现有监测方案受放电元件选型的限制，具有接线简单、适用范围广等优点。
　　关键词： 新型故障预警技术; 电力电容器; 电容量[C]值; 成套装置; 在线监测; 串联电抗器
　　中图分类号： TN609?34; TM53                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）21?0122?05
　　New fault early warning technology based on [C] value monitoring of power capacitor
　　LIANG Dong1， XIAN Richang1， CUI Cong1， LIU Xinghua2， ZHANG Wanzheng3， LU Yao1
　　（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China;
　　2. Zibo Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Corporation， Zibo 255032， China;
　　3. Shandong Zhiyang Electric Co.， Ltd.， Zibo 255086， China）
　　Abstract： The theoretical research and operation practice show that the failure rate of power capacitor assembly is obviously higher than that of the other substation equipment. In order to realize the fault early warning of power capacitors， a new technical scheme for monitoring capacitance [C] value of power capacitors is studied to determine the warning threshold by getting voltage signals from the bus?side voltage transformer and current signals from the loop current transformer. In addition， the active power consumed by the assembly is monitored to identify the failure of the series reactor， so as to ensure the accuracy of the capacitance [C] value monitoring. The fault of power capacitor is simulated by electromagnetic transient simulation software ATP?EMTP. The simulation and field application show that the proposed technology of capacitance [C] value on?line monitoring can accurately and effectively warn power capacitor faults， and overcome the existing scheme′s monitoring limitations due to the selection of discharge components. In addition， it has the advantages of simple wiring and wide application range.
　　Keywords： new fault early warning technology; power capacitor; capacitance [C] value; complete equipment; on?line monitoring; series reactor
　　0  引  言
　　电力电容器作为电力系统中最主要的无功补偿设备，以其结构简单、运行经济、使用灵活等优势得到了广泛应用，主要用来改善电力系统的功率因数，提高系统运行的稳定性和经济性[1]。电力电容器及其内部元件在运行过程中一直处于满负荷、高场强的工作状态[2]，在内、外过电压及高次谐波等因素的共同作用下，极易使电力电容器发生故障[3]。为抑制电网中高次谐波与合闸涌流对电力电容器组的影响[4]，往往需要串入一定感抗值的电抗器。运行中串联电抗器一旦发生故障，电力电容器组也将无法正常工作。因此，为保证电力电容器组安全运行，实时掌握电力电容器运行状态，迫切需要对电力电容器及其成套装置实现在线监测。文献[5]通过放电线圈二次侧获取并联电力电容器组两端的实时电压值，从回路电流互感器获取通过电力电容器组的实时电流值，从而实现对电力电容器组的在线监测，相比而言，此方法具有简单、快速、准确等优势，但由于现场实际选用放电电阻作为电力电容器的放电元件，存在放电线圈无二次电压信号输出等情况，在具体应用中具有较大的局限性。文献[6]通过布置无线电压、电流传感器提取单台电力电容器的运行电压与电流信号，从而对电力电容器组进行实时在线监测与分析，但此方法需要设置大量的无线电压、电流传感器，现场布线复杂，推广应用难度大。 　　文中提出的新型在线监测方案弥补了文献[5?6]中监测方案的不足，接线简单、适用范围更广，在实现电力电容器电容量[C]值在线监测的基础上，能够对串联电抗器故障进行预警，有效地保障电力电容器安全运行。
　　1  电力电容器常见故障分析
　　1.1  内部电容元件被击穿
　　电力电容器由多个电容元件串并联组成。元件回路一般不带内熔丝，若内部绝缘击穿，部分电容元件将被短接，其串、并联的结构随之发生改变，电容量[C]值发生变化[7]。
　　假设电力电容器内部由[n]个电容元件并联、[m]个电容元件串联组成，单个电容元件的电容量为[C0]，电力电容器内部无故障时的电容值[C]为：
　　[C=nmC0] （1）
　　若电力电容器内部的电容元件有[x]个存在击穿短路故障，则电力电容器的电容值变为：
　　[C=nm-xC0] （2）
　　因此內部电容元件击穿短路会显著引起电容量[C]值发生变化。
　　1.2  绝缘受潮
　　电容元件由金属极板与固体绝缘电介质卷绕而成，然后浸入到电容器油中，可等效看作平行板电容器，其电容量[C]值的计算式为：
　　[C=ε0εrdS] （3）
　　式中：[ε0]为真空介电常数;[εr]为油纸绝缘的相对介电常数;[S]为极板面积;[d]为极板间距。
　　由于电容元件布置在充满电容器油的箱体内，如果箱体密封不严，空气中的水分和杂质进入箱体内部，造成内部绝缘介质受潮，介质的相对介电常数[εr]增大，电力电容器的电容量[C]值也会发生相应的改变。
　　1.3  渗漏油
　　电力电容器渗漏油是一种常见缺陷，绝缘油泄漏将会使内部油面下降，导致电力电容器上部绝缘及部分电容元件裸露在空气中，由于空气的相对介电常数要明显低于绝缘油的相对介电常数。同时，渗漏油往往容易引起绝缘受潮，所以此时电力电容器的电容量[C]值同样会发生变化。
　　1.4  系统谐波影响
　　随着非线性负荷的增加，电网谐波污染问题更加严重，导致电力电容器谐波过载[8]。一方面，谐波过载引起电力电容器元件发热，加快绝缘老化速度，缩短电力电容器的使用寿命;另一方面，谐波电压提高了电力电容器的工作电压，致使电容元件的工作场强进一步增大，严重时直接击穿电容元件，造成电力电容器故障，其电容量[C]值也会随之发生变化。
　　由以上分析可知，发生以上常见缺陷或故障都会导致电力电容器的电容量发生改变，因此，通过监测电容量[C]值分析其运行状态，判断是否发生故障在理论上可行。
　　2  新型故障预警技术方案
　　2.1  技术方案原理
　　为实现高压并联电力电容器的正常运行，往往需要串联电抗器、隔离开关、避雷器、断路器、放电线圈等配套设备。高压并联电力电容器成套装置典型的接线方式如图1所示。
　　图1中：[C]为电力电容器组;TV1为母线侧电压互感器;TA为电流互感器;QF为断路器;QS为隔离开关（刀闸）;[L]为串联电抗器;QG1和QG2为接地刀闸;FV为金属氧化物避雷器;TV2为放电线圈。
　　为方便对电力电容器的实时电容量[C]值进行分析计算，将图1接线方式等效为图2的电路图。
　　监测时，图2中电流[i]从图1中回路电流互感器TA中获取，电压[u]从图1中母线侧电压互感器TV1中获取。对所采集的数据进行全波傅里叶变换，提取其基波分量。
　　经过傅里叶变换提取的基波电压和电流数据分别为：
　　[u（t）=2Usin（ωt+φu）] （4）
　　[i（t）=2Isin（ωt+φi）] （5）
　　式中：[U]和[I]分别为基波电压和电流分量的有效值;[ω=2πf0]，为基波角频率，[f0]为基波频率;[φu]和[φi]分别为电压、电流基波初相角。
　　电力电容器成套装置消耗有功功率，其计算公式如下：
　　[P=UIcos φ] （6）
　　式中，[φ]为母线电压与流过成套装置电流的夹角，即[φ=φu-φi]。
　　将公式[P=I2R]代入式（6）中得到电力电容器成套装置的等效电阻值为：
　　[R=Ucos φI] （7）
　　电力电容器成套装置输出的无功功率为：
　　[Q=-UIsin φ] （8）
　　也可以表示为：
　　[Q=1ωCI2-ωLI2] （9）
　　式中：[L]为电抗器的电感值;[C]为电力电容器组的电容量。
　　得到电力电容器运行电压为：
　　[UC=IωC] （10）
　　将式（8）代入式（9）中，得：
　　[-UIsin φ=1ωCI2-ωLI2] （11）
　　经化简，得电容量[C]值计算式为：
　　[C=1ωωL-UIsin φ] （12）
　　由式（12）知，串联电抗器的电感值[L]的变化会影响电容量[C]值的计算精度。因此，文中在实现电力电容器在线监测的基础上，首先对串联电抗器故障进行预警，将电感值[L]变动的影响限制到最小，以保证电容量[C]值的检测计算精度。
　　2.2  电容量监测误差的校正
　　因测量用电压、电流互感器存在固有的比差与角差，导致采集得到的基波电压与电流向量皆存在一定的误差，为提高电容量[C]值的监测精度，对电压、电流基波幅值及相位进行修正。
　　根据式（12）可得电容量[C]值的修正计算公式为：
　　 [C=1ωωL-1+λiUI1+λusinφ-δu-δi] （13） 　　式中：[λu]，[λi]为电压、电流互感器固有的比差;[δu]，[δi]为电压、电流互感器固有的角差;[U]，[I]为通过电流互感器测量得到的电压、电流的基波分量的有效值;[φ]为基波电压与电流的夹角，即[φ=φu-φi]。
　　考虑二次负荷的影响，将电压、电流互感器出厂试验得到的比差与角差代入到式（13）中，对电容量[C]值监测结果进行修正。
　　2.3  串联电抗器故障预警
　　干式空心电抗器具有结构简单、重量轻、体积小、线性度好、损耗低、维护方便等优点，在实际工程中得到了广泛的应用。现场实际和研究分析表明，匝间短路是造成干式电抗器故障的主要因素。参考文献[9]对干式空心电抗器发生匝间短路故障后各状态量变化情况分析得知：
　　1） 电抗器故障发生后短路线圈的环流大大增加了电抗器的损耗，可达正常运行时的16倍以上，并随耦合程度的增加而增大。
　　2） 电抗器故障发生后电抗器等值电抗值减小比较小，变化量远远小于电抗器损耗的变化量。
　　因此，以电抗器功率损耗的变化率来判断电抗器是否存在匝间短路故障，具有较高的灵敏度。
　　在电力电容器成套装置中，串联电抗器的有功功率损耗占比最大[10]，因此，本文将依据式（6）中计算得到的电力电容器成套装置消耗的有功功率作为电抗器故障的判别依据，将串联电抗器正常状态下有功功率变化率的最高阈值设为2，即：
　　[k=PPk≤2] （14）
　　式中：[k]为变化率;[Pk]为串联电抗器损耗的初值。若变化率[k>2]，则判定串联电抗器存在匝间短路故障，对串联电抗器故障进行预警。
　　2.4  故障预警整体方案流程
　　为了能准确对实时运行电力电容器电容量[C]值进行计算，首先需要依据电力电容器成套装置消耗的有功功率对串联电抗器故障进行预警，以排除串联电抗器故障对电容量[C]值计算的误差。故障预警流程如图3所示。
　　3  电容量[C]值诊断标准及要求
　　DL/T393?2010输变电设备状态检修试验规程规定：
　　1） 对电容器组的电容量[C]值与额定值的标准偏差的要求如下：
　　容量3 Mvar以下电容器组：-5%～10%;
　　容量从3～30 Mvar电容器组：0%～10%;
　　容量30 Mvar以上电容器组：0%～5%。
　　2） 且任意两线端的最大电容量与最小电容量之比不超过1.05。
　　因此，将高压并联电容器电容量[C]值的正常阈值设定如下：
　　[σ1=Ci-CNCN×100%σ2=CmaxCmin] （15）
　　式中：[σ1]的偏差应符合规定1）要求的范围;[σ2]的偏差应符合规定2）中的要求，即[σ2]≤1.05。
　　通过在线监测系统求解出电力电容器实时运行电容量[C]值，根据电容值求取预警值[σ1]与[σ2]，若[σ1]或[σ2]预警值超过偏差范围或规定值，在线监测系统对电力电容器进行故障预警。
　　4  电力电容器故障预警方案的仿真验证
　　利用电磁暂态仿真软件ATP?EMTP，以某变电站10 kV高压并联电力电容器成套装置的实际参数建立仿真模型，如图4所示。
　　该站10 kV并联电力电容器成套装置中每相电容器组由8台型号为[BFM113]?334?1W的电力电容器并联而成，额定电压[UC=113] kV，额定容量[QC=]334 kvar，额定电容值[C=]26.36 μF;串联电抗器型号为CKSC?480/10?6，额定容量[QL=]480 kvar，额定电感[L=]2.24 mH，单相阻抗[R=]2.839 mΩ。
　　电力电容器电容量[C]值仿真计算结果如表1所示。
　　分析表1中数据可知：
　　状态1设定为正常状态，此时预警值都未超过规定。
　　状态2设定为A相电容器组电容量[C]值略微超过其下限-5%的阈值，此时，预警值[σ1]与[σ2]同时超过规定，可对电力电容器故障进行预警。
　　状态3设定为A相电容器组有1台电容器内部有单个电容元件击穿。此时，预警值[σ1]未超过规定，预警值[σ2]超过规定，可对电力电容器故障进行预警。
　　状态4为A相电容器组有1台电容器外熔断器熔断。此时，预警值[σ1]与[σ2]同时超过规定，可对电力电容器故障进行预警。
　　状态2与状态3分别使预警值[σ1]与[σ2]超过其临界状态，仿真误差最大值在状态3中的C相，误差为0.37%，因此，本测量预警方案可以在临界状态下准确实现对故障预警，满足实际工程需要。
　　5  现场应用
　　以本文技术方案为基础，由山东智洋电气有限公司研发了电力电容器在线监测装置，于2018年6月在淄博电网投入运行。被监测的电力电容器型号为BFMH11?2550+2550?3W，经本测量装置远程终端实时监测到的电容量[C]值，如图5所示。
　　对比出厂额定值、离线试验值与在线监测的电容量[C]值数据，如表2所示。
　　由表2可知，电力电容器的在线监测值与离线试验值在误差允许范围之内。因此，本技术方案可以准确实现对电力电容器电容量[C]值的在线监测。
　　6  结  论
　　通过以上理论分析、仿真验证及在线监测装置实际测量结果，得出如下结论：
　　1） 新型在线监测方案弥补了现有技术的不足，无需在并联电力电容器组的放电线圈上获取电压信号，即可实现电力电容器电容量[C]值的准确监测，接线简单，适用范围更广。
　　2） 在对电力电容器电容量[C]值在线监测的基础上，实现了串联电抗器的故障预警，避免了因电抗器故障对电容量[C]值在线监测精度的影响。
　　3） 仿真试验和现场应用验证了电容量[C]值在线监测方案的可行性，能够对电力电容器的故障进行预警，为电力电容器在线监测提供了一种新的方法。
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　　作者简介：梁  东（1993—），男，硕士研究生，从事电力电容器状态监测与故障诊断方面的研究。
　　咸日常（1965—），男，教授，博士生导师，从事电气设备状态监测与故障诊断方面的研究。
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