配网补偿电容器故障监测研究

康军强，郑江峰，陈 伟

(1.北京市水利规划设计研究院，北京 100044;2.北京国华能源投资有限公司，北京 100007)

1 引言

电网输送的功率分为有功功率和无功功率，一般负载如电机类的负载均属于感性的，工作时需要消耗无功功率，线路缺乏无功会使系统电压降低，无功功率远距离输送会增大电能损耗，从经济性角度应当避免无功功率的远距离输送，一般需要在负荷端就地给电网进行无功补偿，最简单和最方便的是用静止并联电容补偿，利用电容发出的无功给负载提供无功功率，这样可减小电网的损耗，还能提高设备的使用效率，提高电网的运行质量。

补偿电容器作为电网重要部分，它本身的安全、可靠地运行对电网的安全可靠运行起到至关重要的作用。电网上的并联补偿电容器，在长期运行中除了承受运行电压外还会受到各种操作过电压的影响而逐渐老化。如果在实际运行中没有及时发现具有故障隐患的电容器以及故障电容器，将会对电网的正常运行产生巨大危害，对社会造成非常大的经济损失和不利影响。传统的电容器故障检测手段，需要电网断电通过预防性试验才能够进行，这样会影响人们的生活和生产用电，降低了电网的利用效率和社会生产效率。同时离线的电容器状态监测具有滞后性，不能及时反映运行时的实际状态等缺点。因此寻找一种能够在线监测电容器运行状态的方法，对提高电网的运行效率，保证电网的运行可靠性等有重要的意义。本文通过对比几种电容器在线监测方法的优缺点，进而提出一种经济、合理的检测手段。

并联电容器的在线故障统计表明，局部放电现象是并联电容器事故的普遍征兆，继而发展成部分元件的击穿短路故障。目前电容器的在线监测手段有局放在线监测法和介损在线监测法，

2 并联电容器的故障及危害

并联电容器外表封闭，内部有绝缘纸、铝箔和电容器油构成串并联电容元件，内部元件从外部无法观察。补偿电容器通过出线端套管与三相母线连接，根据电容器承受的电压高低和无功补偿容量大小补偿电容器组有星形接法和三角形接法。

电容器在运行过程中受到诸多因素的影响，包括其本身故障的影响，所处环境温度的影响，过电压、过电流的影响，恶劣气候的影响，电容器附属设备的故障影响以及系统运行方式的调整和系统谐波源接入等都会影响电容器的正常运行。

并联电容器的故障现象包括电容器漏油、鼓肚、外壳闪络、熔断器熔断、瓷套管老化等。并联电容器的故障都会伴随有放电现象发生。并联电容器的所有故障中鼓肚的发生率最高，一般油箱随温度的变化而产生膨胀、收缩属于正常现象。但是在内部发生局部放电严重时绝缘油会产生大量气体，会时油箱变形，形成明显的鼓肚现象。发生鼓肚的电容器一般不能维修，只能更换。漏油现象主要是电容器密封不严或不牢固等原因造成，电容器是全密封设备，密封不严会导致空气和水分等杂质进入油箱内部，造成绝缘受损，危害极大，应该杜绝电容器漏油现象。

电容器故障将会引起补偿电容器的补偿容量降低进而造成对电网的无功补偿不足，导致电网运行效率变低，电容器烧毁甚至会导致区域电网断电等危害。

如何尽早发现电容器的初期故障，是摆在广大技术人员面前的一道课题。

3 故障检测方法介绍

3.1 离线定期巡检的检测方法

目前有几种电容器故障检测手段，其中最原始的是系统断电，离线定期通过预防型试验巡检的方法。该种方式需要一定范围内的电网断电，由巡检人员带着相应的测试设备检测补偿电容器的各种性能。该方式需要耗费大量的人力资源，并且工作效率低下，具有一定的滞后性，同时需要断电影响电网的运行等缺点。由于人员可以在现场进行检测和维护设备会有较好的检测效果，同时会减少检测设备的数量降低成本。在早期由于电网规模不是很大，系统复杂程度不高，同时受到当时技术水平所限该种方式具有一定的优势，但随着人力成本的提高，和电网规模的不断扩大和运行效率的高要求，该种方只能作为一种辅助的检测手段。

3.2 补偿电容器的局部放电在线测量监测方法

补偿电容器在线发生各种故障时会产生局部放电现象，因此在线局放检测手段可以非常准确的判断电容器运行是否正常。局部放电的监测是以伴随局放放电的各种现象为依据，通过能代表该现象的物理量的测量来评定电容器的放电情况。主要包括前端传感器、前置放大单元、信号处理模块、模数转换和数据通讯、控制等部分组成。其基本原理如图1所示:

该种方法具有非常高的准确性，可以较可靠地判断电容器是否能够正常工作。但是此方式的实现需要非常高的设备成本，现场安装复杂。尤其当前电网中补偿电容器设备数量巨大，采用此种方法会使对补偿电容器的监测成本大大增加。并且该设备对环境的要求较高，会因环境的变化而受到干扰。在配电电网中难以大规模应用。

图1 补偿电容器局部放电检测基本原理图

3.3 补偿电容器的电容值在线监测方法

并联补偿电容器的内部放电，为电容两极板之间的放电。内部放电相对缓慢，频率较低，产生故障是逐步积累的过程，该过程会导致电容器发热和绝缘击穿。外部动态特性看来是电容量发生变化，这会从其流过的电流表现出来。

该方法的基本原理是通过实时测量母线电压U和电容器电流I，根据电压和电流的相位差和电流、电压值来计算电容器的电容量。可以通过实时监测的数据来对比电容值的变化，从而实现对电容器的状态监视，来及时发现电容器的故障隐患。

该方法的测量精度低于在线局放测量，在实际应用中也能够满足对电容器状态监视的功能要求，但是本方案的成本较局放监测要低很多同时安装复杂程度也较在线局放监测简单。其基本原理如图2所示。

该套系统由精密电压互感器、精密零磁通电流互感器、信号采集模块和计算机监控平台以及通道选择开关等及部分组成。

精密零磁通互感器可以将补偿电容器电流信号变换成0－10V的电压信号，传送到监控模块。该传感器采用零磁通穿心结构电流传感器，它是专为电流在线监测研制的单匝穿心式结构。外壳采用屏蔽密封式。能防雨、防尘、防锈，抗电磁干扰。该传感器精度能够达到比差在±0.01%，非线性度±0.005，角差在±0.01°以内，可以在－40～55℃度的宽温范围内正常工作。零磁通互感器的这些特性使得对电网上补偿电容器的监测系统更加可靠、准确。零磁通互感器如图3所示。

信号采集模块，采用多通道同步采集的AD7606采集芯片，该采集卡可以达到200kps的采样率，分辨率为16位，采集卡内有倍数放大器，可以自动将小信号进行放后再采集，保证采集的信号精度在±0.03%以内。

图2 补偿电容器电容值监测基本原理图

采集卡内由FPGA来作为控制核心，可以实现高速采集和同步触发功能，同时该采集卡具有光纤通讯功能。通过光纤与监控计算机进行通讯，保证了高通讯速率的同时可以将监控平台的计算机与采集模块进行电气隔离，提高整套系统的可靠性和抗干扰性能。采集模块的电路如图4所示。

图3 零磁通互感器实物图

通过可编程控制器来实现对选择接触器的远程控制，选择接触器的应用可以将监控平台的成本大大降低。本系统利用轮询原理，即通过选择接触器来切换监控通道，这样可以利用一套信号采集模块就可以分时监控多个补偿电容器的工作状态。例如一分钟切换一个监测通道这样可以在一小时内监控60组补偿电容器的当前状态。

图4 采集模块的电路实物图

监控平台将采集到的信息进行拟合、运算，可以准确得出测量回路的电容值，根据电容量的变换可以判断被测回路的补偿电容器工作状态是否正常。

该方案可以实现电网在一个负荷补偿区间内利用一套信号采集模块和一套监控平台就可以监视所有电容器的工作状态，保证了补偿电容器安全可靠运行的基础上同时降低了人力成本和设备成本。通过检测平台的数据分析系统将当前的测量电容值与设备原始的电容值进行对比，根据其趋势曲线可以及时将具有故障隐患的的电容器组位置进行确定，大大降低了人员检修的工作量，同时为后期设备维护提供了可靠依据。

4 监测手段比较

通过上面的介绍我们可以发现各种监测手段的优缺点对比如表1所示。

表1 各监测手段优缺点比较

5 结论

通过以上分析，配电网补偿电容器的电容值监测系统具有安装简单，设备成本低，环境适应性好等特点，对配电网的安全高质量运行具有一定辅助作用。随着国家对电网改造力度加大，智能电网必然会快速发展，该技术的应用将会大大提高配电网补偿电容器运行的安全性，提高智能化水平管理水平。该技术在理论上是完全可行的，目前该系统正在调试过程中，通过调试运行将该系统中的一些不足暴漏出来，进一步进行完善，然后推向市场，为智能电网的发展添砖加瓦。

［1］王昌长，李福琪，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［2］李岩，杨民轩.电力电容器局部放电声电检测系统的应用［J］.电气化铁道，2008，(1):20－21.

［3］黄新波.输电线路在线监测与故障诊断［M］.北京:中国电力出版社，2008.