浅析电力电容器故障的红外诊断

国网保定供电公司 张保宁 丁 斌

1 电力电容器的种类及结构

电力电容器是电力系统中普遍应用的一种电气设备，按用途可分为8种：①并联电容器。原称移相电容器。主要用于补偿电力系统感性负荷的无功功率，以提高功率因数，改善电压质量，降低线路损耗。②串联电容器。串联于工频高压输、配电线路中，用以补偿线路的分布感抗，提高系统的静、动态稳定性，改善线路的电压质量，加长送电距离和增大输送能力。③耦合电容器。主要用于高压电力线路的高频通信、测量、控制、保护以及在抽取电能的装置中作部件用。④断路器电容器。原称均压电容器。并联在超高压断路器断口上起均压作用，使各断口间的电压在分断过程中和断开时均匀，并可改善断路器的灭弧特性，提高分断能力。⑤电热电容器。用于频率为40～24000赫的电热设备系统中，以提高功率因数，改善回路的电压或频率等特性。⑥脉冲电容器。主要起贮能作用，用作冲击电压发生器、冲击电流发生器、断路器试验用振荡回路等基本贮能元件。⑦直流和滤波电容器。用于高压直流装置和高压整流滤波装置中。⑧标准电容器。用于工频高压测量介质损耗回路中，作为标准电容或用作测量高压的电容分压装置。

尽管不同用途的电力电容器外形结构有较大差异，但他们的核心元件（即电容芯子和电容包）却大体相似。这些电容元件通过一定的串并联组合形成不同容量和电压等级的电容器芯子，再用绝缘支承层或板将其包封或固定，密封于封装容器内，就构成了相应形式的电容器基本结构。

2 电力电容器的常见故障

电力电容器的常见故障，除外部连接不良外，内部故障主要包括、受潮、绝缘老化、支架放电、漏油、连接片脱焊、浸渍不良等几种类型。这些故障除了与材质及生产技术工艺条件有关外，还受运行工况的影响。并且，一般都是从小范围、程度较轻逐渐发展恶化。如果后期监测不力，则会导致整体贯穿性击穿放电，甚至酿成更严重的事故。

2.1 受潮

因制造质量不良或安装工艺不佳，会引起密封不严或密封件老化，造成电容器芯体受潮。大多数故障点出现在电容器上不，通过冷热循环产生负压而进水，致使内部容易吸潮的原件或绝缘介质（如电容器油、绝缘支架、纸板等）吸收水分后，铁件生锈，绝缘材料介质损耗增大（例如，纸含水量从1%增加到8%时，tgδ可增大几百倍），并严重过热，最终会造成局部或整体放电击穿等事故。

2.2 绝缘老化

电力电容器长时间运行后，长期耐压会导致绝缘介质性能的劣化，介质损耗及发热量增加。根据现场运行时间统计，投运时间过久的多数移相电容器tgδ值都不同程度的升高。通过绝缘油老化还伴有气泡产生，引起内部局部放电，还可造成酸值增高，并与某些金属形成盐类，使tgδ进一步增大。

2.3 支架放电

耦合电容器内部一般使用绝缘支撑杆。由于与浸渍绝缘介质之间的介电常数不一致，如果材料不好，支架颜面就容易在场强集中处发生局部放电腐蚀，继而扩大缺陷。通常，支架放电在某种程度上与电容器受潮有内在联系，放电时可产生油分子聚缩成X蜡而放出气体，这又会进一步加剧油中的局部放电过程。

2.4 漏油

当电力电容器底部密封结构不良时，会引起漏油。漏油通过呼吸作用吸入潮气，导致一定程度的受潮。当漏油较多，油位过低，电容器极板间或端面出现气隙而发生放电。严重时会造成局部元件击穿或引发其他事故。

2.5 连接片脱焊

这种故障多为组装工艺不严所致。脱焊可引起小范围局部放电和发热，长期作用则可引发绝缘介质普遍劣化，并伴随产生大量的X蜡。

2.6 浸渍不良

电容器生产过程中若浸渍时抽真空不够，会造成浸渍不良，使电容器芯子内部残存气体，因而在电厂作用下发生放电，并增大介质损耗和发热量，这种故障引起的劣化作用较为普遍。产生的X蜡和气体加剧了局部放电。如此恶性循环，导致设备整体性能恶化。

上述电力电容器的故障一般伴随着整体或局部发热的特征，因此应用红外成像技术可以进行电力电容器故障诊断。

3 电力电容器发热故障的红外诊断

众所周知，电力电容器即使没有任何故障，在交流电压作用下介质也会因交变极化而消耗能量并发热，这就是正常运行状态下的介质损耗发热。通常，对于任何特定规格型号的电容器，因内部结构的统一性，正常状态下内部发热与表面温度分布或热像都有相对的稳定性，而且，温度也会局限在一定范围之内。为了在红外诊断中根据表面温度分布或温升来判断设备内部是否存在故障，基本前提应了解正常状态下的发热及其热像特征。下面我们以最常见的耦合电容器、移相电容器和串联电容器为例加以说明

3.1 耦合电容器

耦合电容器正常状态下，因介质损耗发热的表面热像特征是一个具有轴对称的整体发热热像，温度最高点接近顶部附近，向下递减。由于无故障耦合电容器介质损耗因数tgδ很小，加上散热条件较好，因此表面温升不高。但对于非直接接地系统而言，当出现长时间单项接地故障时，可以引起非故障相的耦合电容器的电容量明显增加。

当耦合电容器发生受潮和其他故障时，其发热特征与正常运行时的热像特征类似，即以整体发热为主，符合温度自上而下递减的规律。但是表面温升高于正常状态下的温升，因受潮程度不同产生的温升差异也不同。应该指出的是，某些故障（如支架或断路引起的放电）可能伴随有局部发热的热像特征；底部附近的发热故障，可通过油对流循环导致整体性均衡发热；中上部故障发热时使故障点以上区域普遍发热；而漏油故障一般在上部呈现一个以油位面为分界线的冷热分明的热像。

由于耦合电容器温升一般较小，所以，检测时应特别重视选择环境参照体。通常可以选取不发热的断路器支柱、支柱绝缘子或其他体积相近的合适瓷表面设备作为参照体。另外，与其它高压电气设备一样，耦合电容器也会有外部连接不良故障。此类故障热像特征也与其它设备外部故障热像相同。

3.2 移相电容器和串联电容器

移相电容器和串联电容器一般为铁壳封装的扁型箱体。因介质损耗相对较大，而且散热条件欠佳，所以表面温升略高。正常运行状态下的热像特征，一般是一个温度分布以宽侧面垂直平分线的2/3高度处为最高温度点的热像图，其余部位温度略有下降。但是，由于传热介质不完全一致，因此，也可能出现轻微的局部温度不平衡。通常，在电力电容器中，移相电容器的运行监测都以控制单元的最高温度为准。因而，介质损耗值得测量并不重要。

移向电容器和串联电容器主要故障有受潮、局部放电、介质老化和漏油等，一般受潮和老化故障的热像特征呈现为整体发热的热像。发热严重者，伴随有“鼓肚子”的外观特征，此时的热像特征是一个以“肚子”上部为中心的热像，“肚子”鼓起的移相电容器比正常电容器在运行中的温度高出许多，很容易因发生内部击穿而引发爆炸事故。除整体发热外，局部性故障的热像特征往往是在整体发热的同时伴随着局部过热的热征。而缺油故障则形成以油位面为分界线的明显温度梯度热像。

除上述故障外，移向电容器或串联电容器因外部连接不良造成的外部故障热像热证，同样是以故障点为中心的热像。