基于相对测量的电容器组故障诊断和定位

/国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司 陈清志 杨建飞 窦磊 丁健 崔旭东/

基于相对测量的电容器组故障诊断和定位

/国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司 陈清志 杨建飞 窦磊 丁健 崔旭东/

并联电容器作为一种重要的无功补偿装置，对于改善电力系统的结构和提高电能质量起着重要作用。目前，并联补偿电容器的检测通常为离线测试，出现故障主要依靠保护装置动作切除。依据相关标准，电容器电容量变化超过一定值时认为电容器故障。电容器运行电流的变化将反应电容器电容量的变化，本文基于相对测量原理对并联补偿电容器的故障定位方法进行研究，通过模拟不同形式的电容器故障，计算电容器中电流的变化，尝试实现对故障电容器的判断和定位，并对方法的可行性进行了分析。

并联电容器；相对测量；故障定位；电流

0　引言

并联补偿电容器是一种常用的无功补偿设备，对改善电力系统的结构，提高电能质量起着重要的作用。目前对并联电容器组运行状态的监测为整组电容器的相间或单相段间的不平衡监测，且现在的各种保护方式均存在保护盲区。当电容器组中的某台或几台电容器故障后，保护装置跳开开关，检修人员根据实际情况，对组内电容器进行逐个检测，定位故障电容器并进行更换。上述检测工作为一种事后方法，检查和维护工作量繁重，需要付出较大的人力物力和时间，影响设备正常运行。因此，为及时发现和排除电容器组的故障，保证无功补偿设备安全可靠运行，有必要对设备的运行状况进行在线监测［1-5］。

本文针对现有检测技术的弊端，通过计算正常和故障状态下电容器组内各台电容器运行电流的幅值和相位，获得电容器状态信息，进而依据电容器电流幅值或相位的相对变化情况，尝试实现对电容器组的故障定位。

1　并联补偿电容器组模型

目前变电站所应用的电容器主要为薄膜电容器，薄膜电容器内部芯子以金属箔为电极，将其和聚乙酯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜重叠后卷绕成圆筒状，然后经过压装、连线、打包、装箱、封盖等工艺流程制造。单台电容器内部包含多个小电容，这些小电容一般采用串并联组合的方式连接，每个小电容接有一根内熔丝。现场实际运行中，并联电容器组三相一般为星型接线，每相中也采取多台电容器串并联组合的形式来满足各项参数的要求［6-7］。图1为并联补偿电容器组一种常见的接线方式，采用双星型接线，中性点不接地。每相中每组电容器为12并4串，每台电容器额定电容量为29.55μF，使用一台放电线圈进行放电，兼做电压互感器。

图1　12并4串电容器组电路连接图

通常，单台电容器由高压套管、高压引出线、连接片、芯子和不锈钢材质的油箱等几部分组成。电容器内部通常带有内熔丝和放电电阻保护，内熔丝保护——即每一个元件串联一根镀锡细铜丝，当其中的某一个元件发生故障，被击穿的时候，就会造成极板短路，和这个元件并联的其他正常的元件就会向该短路点释放电能，产生很大的放电电流，将内熔丝熔化烧断，使这个元件就从电路中脱离，而其他没有损坏的电容元件则继续处于运行状态［8-9］。

电容器故障将导致电容量发生变化，因而现场电容器故障检测主要依据电容器电容量的变化情况进行判断。电容器电容量增加一般是由于内部元件的击穿或者是元件发生部分放电的缘故，此时电容量的增加量往往在10%以上，甚至更大。电容器电容量的减少的原因是元件上通过的电流超过预定值而导致内熔丝熔断，若有1个或2个元件的内熔丝熔断，电容量的变化值一般在5%以内。当电容器的电容量变化超过一定阈值时即认为是电容器的故障。电容器电容量的变化将导致流过电容器的电流幅值或相位发生改变，此变化对于故障电容器和非故障电容器存在区别，基于此可通过对电容器电流的监测来判断电容器的运行状态［10-11］。

利用Matlab中Simulink模块，对上述并联电容器组建立仿真模型［12］，如图2所示，其中电源电压U=20207V，C101，C102，…，C412为组内各台电容器编号，各台电容器电容值均为29.55μF，R101、R102，…，R412为损耗电阻，由于一般电容器的介损不超过0.02%，可设定每个损耗电阻值均为0.02Ω；回路中串联电感L补偿度6%～12%，串联电阻R=0.5Ω以减少衰减时间。

回路总电容Cm=29.55×12÷4=88.65μF，电感补偿度为12%时，L=15.585mH。以下仿真均设定电感补偿度为12%［13］。

图2　并联补偿电容器组仿真模型

3　基于相对测量的电容器故障定位方法

以图1为例，现场电容器组是采用12并4串的连接方式，每个电容器的电容量为29.55μF，当电容器受到外界的过电压，涌流影响或者电容器存在缺陷时，可能会出现内熔丝熔断的情况，当有一根熔丝熔断时，电容量变为28.8933μF，当有两根熔丝同时熔断（两个熔丝在同一串段和不在同一串段）时，电容量变为28.2652μF或者为28.1429μF，本文针对这3种故障情况进行故障定位分析，其中流过电容器的电流值及其相角分别作为判定的指标，并结合仿真结果判断两种判定指标的可行性。具体步骤如下：

1）计算流过组内每台电容器的电流有效值，得到组内各电容器的电流值和相角计算组内所有电容器电流的平均值和相角的平均值

2）改变其中某台电容器的电容值模拟故障情况，再次计算流过组内每台电容器的电流有效值和相角，计算组内所有电容器的电流均值

3）由于系统电压波动和环境因素将导致电容器电流出现波动，此波动于电容器电容值变化无关。为剔除此影响，计算和的比值，此比值作为电容器组受电压和环境因素影响导致的电流变化比例系数。根据电容器不同故障时电流的变化量，同时考虑电流传感器精度，可以确定电容器电流值的故障区间；由于电容器回路参数会对相角产生影响，计算每台电容器电流相角与的差值，根据电容器不同故障时电流相角的变化量，确定电容器电流相角的故障区间。

4　仿真算例

4.1 基于电容器电流值故障区间进行故障判断

先测量电容器正常情况下即C=29.55μF的电流值，得表1数据。

表1　电容器组正常情况下电流值

当电容器受到外界的过电压，涌流影响或者电容器存在缺陷时，可能会出现内熔丝熔断的情况，当有一根熔丝熔断时，电容量变为28.8933μF，当有两根熔丝同时熔断（两个熔丝在同一串段和不在同一串段）时，电容量变为28.2652μF或者为28.1429μF。设C101=28.8933μF，C201=28.2652μF，以此为例，再次计算得到每个电容器电流值如表2所示。

表2　C101和C201电容器故障情况下电流值

表3　各电容器电流比值

由上表可看出，C101有一根熔丝熔断，C201有两根熔丝熔断，其余电容器均无故障，与之前的设定相符。

改变故障电容器的位置和数量，重复以上步骤，得出结论均与设定相符。这说明根据电流变化可以对电容器组中的电容器进行故障状态诊断和定位。

4.2 基于电容器电流相角进行故障判断

先测量电容器正常情况下即C=29.55μF的电流相角，得表4数据。

表4　电容器组正常情况下电流相位（°）

设C101=28.8933μF，C201=28.2652μF，再次得到每个电容器电流相角如表5所示。

表5　电容器组故障情况下电流相位（°）

由上表可知，对于模拟故障情况，电流相位只变化0.01°，并且对于当前计算精度情况下所有电流相位变化均相同，此时不能判断故障状态。

5　结束语

本文通过计算正常和故障状态下电容器组内各台电容器运行电流的幅值和相位，采用相对测量法对并联补偿电容器组进行故障定位，结果表明利用流过电容器组电流幅值的变化检测能够实现电容器的故障状态诊断和定位。

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