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基于相對(duì)測(cè)量的電容器組故障診斷和定位

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并聯(lián)電容器作為一種重要的無(wú)功補(bǔ)償裝置，對(duì)于改善電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和提高電能質(zhì)量起著重要作用。目前，并聯(lián)補(bǔ)償電容器的檢測(cè)通常為離線(xiàn)測(cè)試，出現(xiàn)故障主要依靠保護(hù)裝置動(dòng)作切除。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電容器電容量變化超過(guò)一定值時(shí)認(rèn)為電容器故障。電容器運(yùn)行電流的變化將反應(yīng)電容器電容量的變化，本文基于相對(duì)測(cè)量原理對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電容器的故障定位方法進(jìn)行研究，通過(guò)模擬不同形式的電容器故障，計(jì)算電容器中電流的變化，嘗試實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電容器的判斷和定位，并對(duì)方法的可行性進(jìn)行了分析。

并聯(lián)電容器；相對(duì)測(cè)量；故障定位；電流

0　引言

并聯(lián)補(bǔ)償電容器是一種常用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，對(duì)改善電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高電能質(zhì)量起著重要的作用。目前對(duì)并聯(lián)電容器組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)為整組電容器的相間或單相段間的不平衡監(jiān)測(cè)，且現(xiàn)在的各種保護(hù)方式均存在保護(hù)盲區(qū)。當(dāng)電容器組中的某臺(tái)或幾臺(tái)電容器故障后，保護(hù)裝置跳開(kāi)開(kāi)關(guān)，檢修人員根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)組內(nèi)電容器進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)，定位故障電容器并進(jìn)行更換。上述檢測(cè)工作為一種事后方法，檢查和維護(hù)工作量繁重，需要付出較大的人力物力和時(shí)間，影響設(shè)備正常運(yùn)行。因此，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除電容器組的故障，保證無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安全可靠運(yùn)行，有必要對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)［1-5］。

本文針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的弊端，通過(guò)計(jì)算正常和故障狀態(tài)下電容器組內(nèi)各臺(tái)電容器運(yùn)行電流的幅值和相位，獲得電容器狀態(tài)信息，進(jìn)而依據(jù)電容器電流幅值或相位的相對(duì)變化情況，嘗試實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器組的故障定位。

1　并聯(lián)補(bǔ)償電容器組模型

目前變電站所應(yīng)用的電容器主要為薄膜電容器，薄膜電容器內(nèi)部芯子以金屬箔為電極，將其和聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜重疊后卷繞成圓筒狀，然后經(jīng)過(guò)壓裝、連線(xiàn)、打包、裝箱、封蓋等工藝流程制造。單臺(tái)電容器內(nèi)部包含多個(gè)小電容，這些小電容一般采用串并聯(lián)組合的方式連接，每個(gè)小電容接有一根內(nèi)熔絲。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，并聯(lián)電容器組三相一般為星型接線(xiàn)，每相中也采取多臺(tái)電容器串并聯(lián)組合的形式來(lái)滿(mǎn)足各項(xiàng)參數(shù)的要求［6-7］。圖1為并聯(lián)補(bǔ)償電容器組一種常見(jiàn)的接線(xiàn)方式，采用雙星型接線(xiàn)，中性點(diǎn)不接地。每相中每組電容器為12并4串，每臺(tái)電容器額定電容量為29.55μF，使用一臺(tái)放電線(xiàn)圈進(jìn)行放電，兼做電壓互感器。

圖1　12并4串電容器組電路連接圖

通常，單臺(tái)電容器由高壓套管、高壓引出線(xiàn)、連接片、芯子和不銹鋼材質(zhì)的油箱等幾部分組成。電容器內(nèi)部通常帶有內(nèi)熔絲和放電電阻保護(hù)，內(nèi)熔絲保護(hù)——即每一個(gè)元件串聯(lián)一根鍍錫細(xì)銅絲，當(dāng)其中的某一個(gè)元件發(fā)生故障，被擊穿的時(shí)候，就會(huì)造成極板短路，和這個(gè)元件并聯(lián)的其他正常的元件就會(huì)向該短路點(diǎn)釋放電能，產(chǎn)生很大的放電電流，將內(nèi)熔絲熔化燒斷，使這個(gè)元件就從電路中脫離，而其他沒(méi)有損壞的電容元件則繼續(xù)處于運(yùn)行狀態(tài)［8-9］。

電容器故障將導(dǎo)致電容量發(fā)生變化，因而現(xiàn)場(chǎng)電容器故障檢測(cè)主要依據(jù)電容器電容量的變化情況進(jìn)行判斷。電容器電容量增加一般是由于內(nèi)部元件的擊穿或者是元件發(fā)生部分放電的緣故，此時(shí)電容量的增加量往往在10%以上，甚至更大。電容器電容量的減少的原因是元件上通過(guò)的電流超過(guò)預(yù)定值而導(dǎo)致內(nèi)熔絲熔斷，若有1個(gè)或2個(gè)元件的內(nèi)熔絲熔斷，電容量的變化值一般在5%以?xún)?nèi)。當(dāng)電容器的電容量變化超過(guò)一定閾值時(shí)即認(rèn)為是電容器的故障。電容器電容量的變化將導(dǎo)致流過(guò)電容器的電流幅值或相位發(fā)生改變，此變化對(duì)于故障電容器和非故障電容器存在區(qū)別，基于此可通過(guò)對(duì)電容器電流的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷電容器的運(yùn)行狀態(tài)［10-11］。

利用Matlab中Simulink模塊，對(duì)上述并聯(lián)電容器組建立仿真模型［12］，如圖2所示，其中電源電壓U=20207V，C101，C102，…，C412為組內(nèi)各臺(tái)電容器編號(hào)，各臺(tái)電容器電容值均為29.55μF，R101、R102，…，R412為損耗電阻，由于一般電容器的介損不超過(guò)0.02%，可設(shè)定每個(gè)損耗電阻值均為0.02Ω；回路中串聯(lián)電感L補(bǔ)償度6%～12%，串聯(lián)電阻R=0.5Ω以減少衰減時(shí)間。

回路總電容Cm=29.55×12÷4=88.65μF，電感補(bǔ)償度為12%時(shí)，L=15.585mH。以下仿真均設(shè)定電感補(bǔ)償度為12%［13］。

圖2　并聯(lián)補(bǔ)償電容器組仿真模型

3　基于相對(duì)測(cè)量的電容器故障定位方法

以圖1為例，現(xiàn)場(chǎng)電容器組是采用12并4串的連接方式，每個(gè)電容器的電容量為29.55μF，當(dāng)電容器受到外界的過(guò)電壓，涌流影響或者電容器存在缺陷時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)熔絲熔斷的情況，當(dāng)有一根熔絲熔斷時(shí)，電容量變?yōu)?8.8933μF，當(dāng)有兩根熔絲同時(shí)熔斷（兩個(gè)熔絲在同一串段和不在同一串段）時(shí)，電容量變?yōu)?8.2652μF或者為28.1429μF，本文針對(duì)這3種故障情況進(jìn)行故障定位分析，其中流過(guò)電容器的電流值及其相角分別作為判定的指標(biāo)，并結(jié)合仿真結(jié)果判斷兩種判定指標(biāo)的可行性。具體步驟如下：

1）計(jì)算流過(guò)組內(nèi)每臺(tái)電容器的電流有效值，得到組內(nèi)各電容器的電流值和相角計(jì)算組內(nèi)所有電容器電流的平均值和相角的平均值

2）改變其中某臺(tái)電容器的電容值模擬故障情況，再次計(jì)算流過(guò)組內(nèi)每臺(tái)電容器的電流有效值和相角，計(jì)算組內(nèi)所有電容器的電流均值

3）由于系統(tǒng)電壓波動(dòng)和環(huán)境因素將導(dǎo)致電容器電流出現(xiàn)波動(dòng)，此波動(dòng)于電容器電容值變化無(wú)關(guān)。為剔除此影響，計(jì)算和的比值，此比值作為電容器組受電壓和環(huán)境因素影響導(dǎo)致的電流變化比例系數(shù)。根據(jù)電容器不同故障時(shí)電流的變化量，同時(shí)考慮電流傳感器精度，可以確定電容器電流值的故障區(qū)間；由于電容器回路參數(shù)會(huì)對(duì)相角產(chǎn)生影響，計(jì)算每臺(tái)電容器電流相角與的差值，根據(jù)電容器不同故障時(shí)電流相角的變化量，確定電容器電流相角的故障區(qū)間。

4　仿真算例

4.1 基于電容器電流值故障區(qū)間進(jìn)行故障判斷

先測(cè)量電容器正常情況下即C=29.55μF的電流值，得表1數(shù)據(jù)。

表1　電容器組正常情況下電流值

當(dāng)電容器受到外界的過(guò)電壓，涌流影響或者電容器存在缺陷時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)熔絲熔斷的情況，當(dāng)有一根熔絲熔斷時(shí)，電容量變?yōu)?8.8933μF，當(dāng)有兩根熔絲同時(shí)熔斷（兩個(gè)熔絲在同一串段和不在同一串段）時(shí)，電容量變?yōu)?8.2652μF或者為28.1429μF。設(shè)C101=28.8933μF，C201=28.2652μF，以此為例，再次計(jì)算得到每個(gè)電容器電流值如表2所示。

表2　C101和C201電容器故障情況下電流值

表3　各電容器電流比值

由上表可看出，C101有一根熔絲熔斷，C201有兩根熔絲熔斷，其余電容器均無(wú)故障，與之前的設(shè)定相符。

改變故障電容器的位置和數(shù)量，重復(fù)以上步驟，得出結(jié)論均與設(shè)定相符。這說(shuō)明根據(jù)電流變化可以對(duì)電容器組中的電容器進(jìn)行故障狀態(tài)診斷和定位。

4.2 基于電容器電流相角進(jìn)行故障判斷

先測(cè)量電容器正常情況下即C=29.55μF的電流相角，得表4數(shù)據(jù)。

表4　電容器組正常情況下電流相位（°）

設(shè)C101=28.8933μF，C201=28.2652μF，再次得到每個(gè)電容器電流相角如表5所示。

表5　電容器組故障情況下電流相位（°）

由上表可知，對(duì)于模擬故障情況，電流相位只變化0.01°，并且對(duì)于當(dāng)前計(jì)算精度情況下所有電流相位變化均相同，此時(shí)不能判斷故障狀態(tài)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算正常和故障狀態(tài)下電容器組內(nèi)各臺(tái)電容器運(yùn)行電流的幅值和相位，采用相對(duì)測(cè)量法對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電容器組進(jìn)行故障定位，結(jié)果表明利用流過(guò)電容器組電流幅值的變化檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)電容器的故障狀態(tài)診斷和定位。

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