基于差动电压的并联电容器在线监测系统设计

孙珑，翁晖

（宁波电业局，浙江宁波315000）

无功电源是保证电力系统的电能质量、降低网损以及系统稳定运行所不可缺少的部分。根据《华东电网“十一五”规划和2020年目标网架研究》，华东电网随着网架规模的扩大，当电网因故失去一个或多个元件时，其有功功率外部支援能力较强，对保持频率的稳定基本不会造成影响。然而，无功功率的补偿需要就地平衡，因此，电压稳定问题就会成为电网正常运行的主要威胁[1]。并联电容器是目前无功补偿的主要方式，因此，无功补偿电容器设备的健康状况对预防电压崩溃的发生，确保电网安全和经济运行具有至关重要的作用。由于500 kV变电站正在提高变电站智能化并逐步向无人值班模式转变，所以迫切需要一套能实现并联电容器组运行状态的实时监测，并能及时向值班员提供预警提示的系统。

1 宁波500 kV变电站无功补偿电容器故障统计

截止2010年12月底，宁波电网共投运5座500 kV变电站，共配置10组35 kV并联电容器组。从2007年1月1日至2010年12月31日，共发生并联电容器缺陷事故136起，其中涉及更换电容器的缺陷37起，网内发生电容器群爆重大事故2起，对电网的稳定运行造成了严重的影响。

并联电容器的缺陷主要有：1）熔丝熔断；2）电容器外壳鼓肚变形；3）电容器渗漏油；4）电容器外壳锈蚀；5）连接部分接头过热；6）电容器保护动作或告警；7）电容器群爆[2]。近2 a各类并联电容器缺陷故障具体分布如表1所示。

这些故障现象，除了接头过热和外壳锈蚀，其余均会在故障电容器本身电容量的变化上有直接的体现，且随着故障现象的明显，相应电容器电容量的变化也会增大。另外，电容量作为电容器的最基本特性参数，是反映电容器自身特性最关键的指标。通过监测电容器组的电容量变化能够判断并联电容器的设备性能状况[3]。

表1 2007年1月至2010年12月宁波电网电容器设备故障情况统计Tab.1 Statistics of capacitor equipment faults in Ningbo power grid from 2007 January to 2010 December

2 并联电容器监测方法现状

目前并联电容器的监测手段仍然停留在传统的定期校验和缺陷发生后的事故分析校验，无法及早预测并联电容器事故的发生。日常的运行维护只能依靠运行人员进行定期巡视设备来进行。由于现在变电所内设备已经进入状态检修阶段，对于运行的并联电容器，也按照Q/GDW 451-2010并联电容器装置（集合式电容器装置）状态检修导则要求实行状态检修，但判断并联电容器运行状态只能通过人员的外观检查和红外热像监测，由此出现以下弊端：

1）由于并联电容器安装紧密且日常检查只能在设备网门外进行，所以无论是使用目测观察还是红外热像监测，都无法全方位地看清每个电容器元件，必然存在监测死区。

2）目测观察只能发现熔丝熔断故障、严重的外壳膨胀变形、外壳锈蚀和渗漏油，红外热像监测只能发现电容器表面温度过热和接头过热，而且通过上述方式发现的缺陷已经不属于电容器的早期故障，需要立刻停用相关电容器组。

3）不论是运行人员定期巡视还是检修人员状态监测信息采集，都是按照一定的固有周期进行的，在时间上存在间隔，无法做到实时不间断监测电容器的运行状况。

综上所述，2种传统的日常监测方法都无法实时、连续的监测并联电容器组内每个电容器单元的运行状况，不能在故障早期及时发现电容器的绝缘缺陷，无法为电容器状态检修提供设备运行时的电容量测量数据和运行历史记录。

3 并联电容器电容量变化在线监测

3.1 并联电容器差压与电容量的关系

本文提到的并联电容器差动电压与并联电容器差压保护所指的差动电压一样，均是指同一电容器组上、下段电容（两段电容值相同）上的电压，通过放电线圈，将上、下段电压送入差压继电器所得到的数值[4]。其等效示意图见图1。

图1 并联电容器组压差示意图Fig.1 Differential voltage of shunt capacitor diagram

2010年5月，对某500 kV变电站的并联电容器组状态检修数据采集时发现该变电站3号主变3号电容器A相压差值异常，ΔUA=3.95 V；并联电容器组停役检修后经测量得到数据如表2所示。

由表2可以发现，A相第一串A1~A10的整体电容值比额定值偏小，整体电容量变化率在4.14%，单独测量每个电容器元件后发现A9的电容量变化率为38.4%，不满足规程变化率≤3%要求；其余电容器元件的电容量变化均≤3%，满足规程要求。此时，电容器差压保护因未达到定值而没有动作，但A9电容器的性能已经完全超出规程中电容量变化率≤3%的要求，应及早更换，以免影响同一串的其他电容器。更换A9电容器后差压值为ΔUA=0.08 V。

理论上，当电容器正常运行时，电容器组两串联段上电容量C1=C2，由此产生的电压降也相等，经放电线圈传变后的电压U1=U2，差动电压ΔU=0；当并联电容器存在绝缘缺陷异常运行时，C1≠C2，上、下段电容量的变化会引起相应的电压变化，随之会产生差压，必定引起压差变化导致ΔU≠0。不考虑同一串联段上下两段电容器同时发生相同电容量变化的故障[5]。

表2 3号主变3号电容器故障前后电容量相关数据Tab.2 Capacitance statistics of#3 capacitor of#3transformer before and after fault

并联电容器组差压保护已经作为电容器组的主要继电保护判据应用于实际生产现场中。

因为电容器组内电容量最早发生变化的一定是绝缘性能最差的一个元件，所以在只考虑一个元件故障的情况下，电容器组电容量变化率与两串联段上的差压公式[6]如下

式中，ε为单个电容器的电容量变化率；ΔU为输出的差动电压；N1为上段支路串联的元件数；M为元件串联支路并联数；n为放电线圈电压变比；k为电抗率，XL/XC。

式中，N1、M、n、k均为定值。由此可知，并联电容器的电容量变化率能够通过测得的差动电压求得。

综上可知，能够通过运行中并联电容器的差动电压的变化来判断并联电容器组内电容量的变化。电容器差压保护整定值相对较高，但可以通过观察差压值的变化，在差压值升高时设定告警门槛，当差压值越限告警时，结合电容器停役进行检查、消缺，在电容器差压保护动作前及早消除存在的隐患，避免对电网的无功功率平衡造成影响。

针对上述并联电容器监测现状存在的问题，本文提出一种通过在线监测并联电容器差动电压的方法来计算并联电容器电容量的变化，即利用并联电容器差动电压作为状态量来判断并联电容器组的工作状况，以期达到及时准确地了解并联电容的工作状况的目的。这套系统结构如下图2所示。

图2 并联电容器电容量在线监测系统结构图Fig.2 On-line monitoring system of capacitance structure diagram

3.2 并联电容器差压数据的实时采集

因为变电站内现场的电容器保护装置已经采集了并联电容器的差压数据，所以可以利用从现有的电容器保护装置中提取差压数据。电容器保护装置本身均能向保护管理机或后台监控系统发送压差数据，但是现场运行的35 kV电容器保护均只配备一个用于与保护管理机通讯的网络口，按照要求不允许占用或共享。打印机口能够打印实时的模拟量和开入量，所以也具备输出差动电压的能力。遵循对现有运行设备影响最小的原则，可以选取打印机口实现差压数据的采集。通过一个含网口输出的串口交换机，可以实现打印机与差压提取软件对保护装置打印口的数据共享。后台软件通过串口交换机的网口与保护装置之间实现报文通讯，利用虚拟“打印”命令从保护中提取差压模拟量和开关位置开入量。差压数据采集结构示意图如图3所示。电容器保护和在线监测系统主机之间距离较长时可采用光缆连接。

图3 并联电容器差压数据实时采集结构图Fig.3 Collection structure diagram of differential voltage statistics of shunt capacitor

宁波电网500 kV变电站中采用北京四方CSC221A数字式电容器保护测量装置作为电容器保护比较普遍，故选定北京四方CSC221A保护作为差动电压的实例提取对象。

后台软件利用打印口与CSC221A保护装置进行通讯，通讯规约为RS485，采集电容器保护报文内的差动电压模拟量和开关位置开关量。因差动电压模拟量在保护装置内已经经过模数转换变为数字量，并以数字量的形式进行传输，所以采集到的差动电压的精度能到达保护装置本身的模拟量通道的采集精度，完全满足并联电容器在线监测的要求。通过软件采集到实时数据见图4。

图4 并联电容器差动电压实时采集示意图Fig.4 Collection diagram of differential voltage statistics of shunt capacitor

软件能够通过设定的时间间隔从保护装置中提取三相相关数据，在主界面上通过不同颜色的曲线加以区分。利用后台的网络交换机能实现多组并联电容器同时监测。

3.3 后台软件数据分析

利用采集的差压数据，通过式1，能够计算出电容量的变化率。按照电容量变化率≤3%的要求设定适当的差动电压幅值越限门槛值，当采集的差动电压幅度超高门槛值时，软件发出预警信息，通知运行和检修人员加强巡视并及时处理。

由于并联电容器并不是一直处于运行状态，所以需要加入电容器的开关位置辅助接点来判断电容器的运行状态。当开关任一相合位时，软件开始召唤差压数据并保存在后台数据库中；当开关三相均为分位时，软件停止召唤和保存差压数据。这样做的优点有：

1）避免频繁读取保护装置实时数据，有效地减轻对保护装置的影响；

2）节省数据存储容量；

3）能正确区分差压数据为零漂值还是差压值，并利用开关位置来屏蔽并联电容器退出运行时的差压零漂值。

由于电容器电容量的变化是个缓慢的过程，不需要频繁地提取保护装置内的差动电压值，只需设定一个合理的时间间隔进行数据提取，避免加重保护CPU的负担。

软件还具备并联电容器电容量历史数据查询和电容量变化趋势分析，利用电容量的变化趋势实现预测功能，对于变化趋势超过要求的进行预警。

3.4 现场应用实例

利用该套并联电容器在线监测系统对500 kV某变电站3号主变3号电容器组进行差压数据监测时，该系统后台软件发出告警信号，此时该组电容器B相差动电压值越限告警，B相差动电压ΔUB=1.03 V，大于该系统整定的差动电压告警门槛值ΔU=1 V。停役该并联电容器组后测得B相11号电容器的电容量为26.89 μF，低于该电容器的额定电容量30.1 μF，变化率达到10.66%，大于3%的规程要求，确实存在故障，需要更换该电容器。其余电容器电容量变化率均满足规程要求。更换B相11号电容器后，测得B相差动电压值ΔUB=0.08 V，恢复正常运行要求。

4 结语

利用电容器保护内的差动电压而得到的电容量变化值，在不需要增加或改动一次设备的情况下，就能实现电容器组电容量变化率的在线实时监测。基于差动电压的并联电容器在线监测系统能够客观地记录并联电容器组运行中的差动电压变化，并且能反映出并联电容器组整体的运行状况，同时实行对不正常状况进行预警。

由于这套系统的关键技术难点并联电容器组差动电压的在线实时采集已经能够实现，所以通过后台软件的功能扩展和高级应用，可以实现并联电容器组差动电压、电容量变化率的历史数据查询，变化趋势分析，越限告警等相关功能，为设备的状态检修提供数据支持。

[1] 蒋跃强,周行星，陆志浩.华东500kV电网无功补偿电容器故障分析[J].华东电力,2008,36(11):19-21 JIANG Yue-qiang,ZHOU Xing-xing,LU Zhi-hao.Fault analysis for reactive compensation capacitors of East China 500 kV grids[J].East China Electric Power,2008,36(11):19-21(in Chinese).

[2] 冯顺萍,刘文泽,蔡泽祥.并联电容器组中性线电流不平衡保护的分析研究[J].电力科学与工程,2010,26(2):47-50.FENG Shun-ping,LIU Wen-ze,CAI Ze-xiang.Study on neutral-line unbalance currentprotection in shunt capacitor bank[J].Electric Power Science and Engineering,2010,26(2):47-50(in Chinese).

[3] 岳永刚,孟庆大,臧政宁.TEMP-500IU型CVT现场预试方法[J].电网与清洁能源,2009,25(8):37-40.YUE Yong-gang,MENG Qing-da,ZANG Zheng-ning.Filedpre-testmethodofTEMP-500IUCVT[J].PowerSystem and Clean Energy,2009,25(8):37-40(in Chinese).

[4] 赵启承,王敏,丁一岷.500 kV变电站35 kV并联电容器组常用保护方式及其定值的计算研究[J].电力电容器与无功补偿，2008，29(6)：5-9.ZHAO Qi-cheng,WANG Min,DING Yi-min.Calculating research on common protection methods and rated values of 35 kV shunt capacitor bank in 500 kV Substation[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation,2008，29(6)：5-9(in Chinese).

[5] 丘文千,周浩.并联电容器装置的参数优化[J].南方电网技术,2011,5(6):101-105.QIU Wen-qian,ZHOU Hao.Optimization of the shunt capacitor device’s parameters[J].Southern Power System Technology,2011,5(6):101-105(in Chinese).

[6] 杨一民.箱式高压并联电容器电压差动继电保护的探讨[J].电力电容器,2007(1):20-25.YANG Yi-min.Research on the differential voltage protection for high voltage shunt tank capacitor[J].Power Capacitor,2007(1):20-25(in Chinese).