孫瓏，翁暉

（寧波電業(yè)局，浙江寧波315000）

無功電源是保證電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、降低網(wǎng)損以及系統(tǒng)穩(wěn)定運行所不可缺少的部分。根據(jù)《華東電網(wǎng)“十一五”規(guī)劃和2020年目標(biāo)網(wǎng)架研究》，華東電網(wǎng)隨著網(wǎng)架規(guī)模的擴大，當(dāng)電網(wǎng)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(wěn)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(wěn)定問題就會成為電網(wǎng)正常運行的主要威脅[1]。并聯(lián)電容器是目前無功補償?shù)闹饕绞?，因此，無功補償電容器設(shè)備的健康狀況對預(yù)防電壓崩潰的發(fā)生，確保電網(wǎng)安全和經(jīng)濟運行具有至關(guān)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(zhuǎn)變，所以迫切需要一套能實現(xiàn)并聯(lián)電容器組運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，并能及時向值班員提供預(yù)警提示的系統(tǒng)。

1 寧波500 kV變電站無功補償電容器故障統(tǒng)計

截止2010年12月底，寧波電網(wǎng)共投運5座500 kV變電站，共配置10組35 kV并聯(lián)電容器組。從2007年1月1日至2010年12月31日，共發(fā)生并聯(lián)電容器缺陷事故136起，其中涉及更換電容器的缺陷37起，網(wǎng)內(nèi)發(fā)生電容器群爆重大事故2起，對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成了嚴(yán)重的影響。

并聯(lián)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(lián)電容器缺陷故障具體分布如表1所示。

這些故障現(xiàn)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(xiàn)，且隨著故障現(xiàn)象的明顯，相應(yīng)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(shù)，是反映電容器自身特性最關(guān)鍵的指標(biāo)。通過監(jiān)測電容器組的電容量變化能夠判斷并聯(lián)電容器的設(shè)備性能狀況[3]。

表1 2007年1月至2010年12月寧波電網(wǎng)電容器設(shè)備故障情況統(tǒng)計Tab.1 Statistics of capacitor equipment faults in Ningbo power grid from 2007 January to 2010 December

2 并聯(lián)電容器監(jiān)測方法現(xiàn)狀

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

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

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

3）不論是運行人員定期巡視還是檢修人員狀態(tài)監(jiān)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(jiān)測電容器的運行狀況。

綜上所述，2種傳統(tǒng)的日常監(jiān)測方法都無法實時、連續(xù)的監(jiān)測并聯(lián)電容器組內(nèi)每個電容器單元的運行狀況，不能在故障早期及時發(fā)現(xiàn)電容器的絕緣缺陷，無法為電容器狀態(tài)檢修提供設(shè)備運行時的電容量測量數(shù)據(jù)和運行歷史記錄。

3 并聯(lián)電容器電容量變化在線監(jiān)測

3.1 并聯(lián)電容器差壓與電容量的關(guān)系

本文提到的并聯(lián)電容器差動電壓與并聯(lián)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(shù)值[4]。其等效示意圖見圖1。

圖1 并聯(lián)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(lián)電容器組狀態(tài)檢修數(shù)據(jù)采集時發(fā)現(xiàn)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(lián)電容器組停役檢修后經(jīng)測量得到數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)A9的電容量變化率為38.4%，不滿足規(guī)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(guī)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(jīng)完全超出規(guī)程中電容量變化率≤3%的要求，應(yīng)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(dāng)電容器正常運行時，電容器組兩串聯(lián)段上電容量C1=C2，由此產(chǎn)生的電壓降也相等，經(jīng)放電線圈傳變后的電壓U1=U2，差動電壓ΔU=0；當(dāng)并聯(lián)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(yīng)的電壓變化，隨之會產(chǎn)生差壓，必定引起壓差變化導(dǎo)致ΔU≠0。不考慮同一串聯(lián)段上下兩段電容器同時發(fā)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(guān)數(shù)據(jù)Tab.2 Capacitance statistics of#3 capacitor of#3transformer before and after fault

并聯(lián)電容器組差壓保護已經(jīng)作為電容器組的主要繼電保護判據(jù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)現(xiàn)場中。

因為電容器組內(nèi)電容量最早發(fā)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(lián)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(lián)的元件數(shù)；M為元件串聯(lián)支路并聯(lián)數(shù)；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(lián)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(lián)電容器的差動電壓的變化來判斷并聯(lián)電容器組內(nèi)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(shè)定告警門檻，當(dāng)差壓值越限告警時，結(jié)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(wǎng)的無功功率平衡造成影響。

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

圖2 并聯(lián)電容器電容量在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 On-line monitoring system of capacitance structure diagram

3.2 并聯(lián)電容器差壓數(shù)據(jù)的實時采集

因為變電站內(nèi)現(xiàn)場的電容器保護裝置已經(jīng)采集了并聯(lián)電容器的差壓數(shù)據(jù)，所以可以利用從現(xiàn)有的電容器保護裝置中提取差壓數(shù)據(jù)。電容器保護裝置本身均能向保護管理機或后臺監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送壓差數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)有運行設(shè)備影響最小的原則，可以選取打印機口實現(xiàn)差壓數(shù)據(jù)的采集。通過一個含網(wǎng)口輸出的串口交換機，可以實現(xiàn)打印機與差壓提取軟件對保護裝置打印口的數(shù)據(jù)共享。后臺軟件通過串口交換機的網(wǎng)口與保護裝置之間實現(xiàn)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(guān)位置開入量。差壓數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。電容器保護和在線監(jiān)測系統(tǒng)主機之間距離較長時可采用光纜連接。

圖3 并聯(lián)電容器差壓數(shù)據(jù)實時采集結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Collection structure diagram of differential voltage statistics of shunt capacitor

寧波電網(wǎng)500 kV變電站中采用北京四方CSC221A數(shù)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(guī)約為RS485，采集電容器保護報文內(nèi)的差動電壓模擬量和開關(guān)位置開關(guān)量。因差動電壓模擬量在保護裝置內(nèi)已經(jīng)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，并以數(shù)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(lián)電容器在線監(jiān)測的要求。通過軟件采集到實時數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 并聯(lián)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(shè)定的時間間隔從保護裝置中提取三相相關(guān)數(shù)據(jù)，在主界面上通過不同顏色的曲線加以區(qū)分。利用后臺的網(wǎng)絡(luò)交換機能實現(xiàn)多組并聯(lián)電容器同時監(jiān)測。

3.3 后臺軟件數(shù)據(jù)分析

利用采集的差壓數(shù)據(jù)，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(shè)定適當(dāng)?shù)牟顒与妷悍翟较揲T檻值，當(dāng)采集的差動電壓幅度超高門檻值時，軟件發(fā)出預(yù)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(lián)電容器并不是一直處于運行狀態(tài)，所以需要加入電容器的開關(guān)位置輔助接點來判斷電容器的運行狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)任一相合位時，軟件開始召喚差壓數(shù)據(jù)并保存在后臺數(shù)據(jù)庫中；當(dāng)開關(guān)三相均為分位時，軟件停止召喚和保存差壓數(shù)據(jù)。這樣做的優(yōu)點有：

1）避免頻繁讀取保護裝置實時數(shù)據(jù)，有效地減輕對保護裝置的影響；

2）節(jié)省數(shù)據(jù)存儲容量；

3）能正確區(qū)分差壓數(shù)據(jù)為零漂值還是差壓值，并利用開關(guān)位置來屏蔽并聯(lián)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(nèi)的差動電壓值，只需設(shè)定一個合理的時間間隔進行數(shù)據(jù)提取，避免加重保護CPU的負擔(dān)。

軟件還具備并聯(lián)電容器電容量歷史數(shù)據(jù)查詢和電容量變化趨勢分析，利用電容量的變化趨勢實現(xiàn)預(yù)測功能，對于變化趨勢超過要求的進行預(yù)警。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用實例

利用該套并聯(lián)電容器在線監(jiān)測系統(tǒng)對500 kV某變電站3號主變3號電容器組進行差壓數(shù)據(jù)監(jiān)測時，該系統(tǒng)后臺軟件發(fā)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(tǒng)整定的差動電壓告警門檻值ΔU=1 V。停役該并聯(lián)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(guī)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(guī)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(fù)正常運行要求。

4 結(jié)語

利用電容器保護內(nèi)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(shè)備的情況下，就能實現(xiàn)電容器組電容量變化率的在線實時監(jiān)測?；诓顒与妷旱牟⒙?lián)電容器在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠客觀地記錄并聯(lián)電容器組運行中的差動電壓變化，并且能反映出并聯(lián)電容器組整體的運行狀況，同時實行對不正常狀況進行預(yù)警。

由于這套系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點并聯(lián)電容器組差動電壓的在線實時采集已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，所以通過后臺軟件的功能擴展和高級應(yīng)用，可以實現(xiàn)并聯(lián)電容器組差動電壓、電容量變化率的歷史數(shù)據(jù)查詢，變化趨勢分析，越限告警等相關(guān)功能，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支持。

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