一种高压电容器故障隐患测试分析装置设计

樊凤敏，李文亮，陈昆，杨龙，张建，张方荣

(1.云南电网公司普洱供电局，云南 普洱 665000;2.成都高斯电子技术有限公司，成都 610000)

1 前言

典型的高压电容器故障有漏油，裂痕，破损，老化等，早期轻微的故障隐患可能累加导致特性不良，使得电容器补偿效果变差，甚至补偿能力变得不稳定。以下提出的故障隐患试验方法，通过一种便携式设备内部产生的试验变频信号，在较宽频率范围内对电容器进行快速充放电研究，从而分析电容器的故障严重程度及故障发展趋势。该技术立足于高压电容器的等效阻抗理论，将电容器看做代表不同频率分支回路的电容器并联组成，因此不同支路出现故障，即会在对应频率范围的容抗参值上出现较明显的变化，基于此提出了一套便携式设备设计框架，既可以用于实验室，也可以用于现场。下面就该试验设备的功能及原理分别进行描述。

2 容性等效阻抗的研究

1)电容器介质阻抗响应分析对于内部缺陷的可行性:电容器内部故障会导致电容器等效电容的分布发生变化，通过等效电路分析，如果在早期缺陷或故障隐患存在的情况下，阻抗在高频阶段会吸收更多的电流成分，因此曲线会发生偏移，随着故障严重程度的加剧，阻抗变化会向低频段移动。因此频率的变化会捕捉到内部隐患的细节，相对常规的电容值测量，灵敏度会高很多。

2)对等效阻抗测试数据的描述分析:由于需要提高检测灵敏度，将试验频率尽可能覆盖到代表故障的微小阻抗变化，本文提出的基于曲线差异的分析模式，包括阻抗频谱、相角曲线、奈奎斯特曲线。同时具备数据图谱的存储管理，可比较其差异性和关联性。虽然电容器的早期缺陷或隐患很难通过电容值直接测量出来，但是高频等效电容可能发生数倍甚至数十倍的变化，对高频成分的吸收会出现明显增加。通过频谱分解，观察数赫兹到数千赫兹范围的阻抗谱值，便可以拓宽到高频成分的分析，分析细微故障对于高频电容的明显变化。因此只需要一个阻抗扫频的装置，分析阻抗频率曲线以及相角和奈奎斯特曲(实部和虚部的关联曲线)，即可快速查看内部异常。除了基于曲线建立相关统计分析手段外，曲线查看与分析的经验同样是必不可少的。

3 试验装置的关键点

3.1 试验源的设计与应用关键

信号源可以直接施加在绝缘层和导体之间，受被测容量的影响，输出功率会做响应自动的调整。严格上说，只有经过大量的试验验证，才能够得到相对最优的试验电压，以及最佳匹配的特征试验频率。内部绝缘部件的变质、破损是老化和隐患的主要特征之一，早期的缺陷不会导致工频范围的电容值变化，但会导致高频范围电容变化数倍。同时除了对比分析阻抗频率响应曲线外，还可通过实部与虚部的关联曲线－奈奎斯特特性进行分析，如图 (1)所示。

图1 奈奎斯特曲线分析 (X为实部，Y轴为虚部)

3.2 试验系统组成

设备的功能模块主要分为试验电压发生器，试验电源功放，试验反馈信号通道，以及控制试验电压频率和电压，AD采样的MCU单元，以及的通信和供电设备等。

通过对电容器结构的等效电气回路仿真，主要的电容器故障隐患可以通过在频率0.1－30kHz内进行阻抗谱值分析体现出来。因此本技术路线主要基于:

1)阻抗谱曲线的获取，包括阻抗频率特性曲线、奈奎斯特曲线 (实部与虚部的关系)

2)特征曲线的解释，建立与故障的关联

阻抗谱的获取主要采用非破坏性测试手段，基于宽频域的阻抗测试方法，实现整个频带的阻抗特性曲线绘制。技术实现包括:

a.频可调 (变频变压)试验源:目前市面上用的扫频仪仅能针对功率 (DB)进行测试，难以区分功率角，而功率角是反映复阻抗特性的关键参数，因此有必要研制专用的可进行准确的复阻抗测试的信号源，要求幅频特性均可调整，才能针对不同容量和结构的电容器进行试验。同时，为确保试验源不受电容器对于冲击电流的吸收影响，要求试验源有足够的功率，至少达到20 VA的输出，比常规扫频仪的功率提高了5～10倍。

b.宽频信号响应采集:要求能够快速准确捕捉试验源输出的复响应信号，包括输出电压及输出电流和角差。

c.图形生成与解释，建立储能响应分析平台:通过复阻抗特征曲线建立历史数据库，比较试验电容器的曲线差异来反映电容器内部缺陷导致的等效高频阻抗的变化。主要分析的图表工具为阻抗模值及曲线、奈奎斯特曲线、角差频率曲线。

3.3 试验系统功能描述

系统核心由FPGA担任本地控制的采集与试验输出控制。软件平台通过移动PC与FPGA交互实现数据通信，储存与分析，见图2。

硬件控制流程图

图2 高压电容器故障隐患测试硬件框图

3.4 现场试验接线

图3 高压电容器故障隐患测试系统接线

由于试验输出受内部程序控制频率，幅值及重复试验次数等，因此输出端只需两端接线，内部采用补偿参数的方法对输出试验接线的阻抗影响进行补偿，本试验采用的DIRA600电容器故障隐患测试系统，如图3所示。

3.5 应用控制流程说明

试验装置的接线简单

为确保试验输出有较宽的应用覆盖面，本试验系统在频率设置，扫频频段等方面做了特殊考虑。

4 曲线分析

容性电流频谱特征曲线如图4、图5所示

图4 容性电流频谱曲线

图5 容性阻抗频谱曲线

容性阻抗频谱特征曲线如图6示，该电容器在125角频率附近出现较明显的突变，经设备解体发现一路分支串联电容已经短路。

5 结束语

综上所述，小信号容性储能分析方法用于电容器故障隐患测试是可行的，该方法基于等效阻抗理论的出发点将高压电容器理解成代表不同频率分支的支路并联组成，因此通过发现不同频率点的阻抗变化特征来分析电容器内部故障的情况具有较高的灵敏度和准确度。而且本文建立的以曲线差异分析为主的方法简化了分析的难度，无需计算单一频率点的数据变化，使得测试和分析显得直观，容易掌握。

［1］Jian Zhang，Tianbin Wang，HV capacitive equipments equivalent circuits analysis，2012，Ieeetm(ORG)

［2］Samuel M.Goldwasser，Capacitor Testing，Safe Discharging and Other Related Information，2004，SciElectronics

［3］S.D.GOKHALE，Variable frequency HV Testing of Capacitor an Embedded approach，Textile＆ Engineering Institute，RAJWADA Ichalkaranji，International Journal of Engineering Science and Innovative Technology(IJESIT)，Volume 2，Issue 3，May 2013H