基于超声检测的并联电力电容器故障预警装置研究

周 鹏，黄 涛，朱月凯

（国网镇江市供电局，江苏 镇江 212001）

1 概述

在现代高压电力网络系统中，无功功率补偿装置的作用日益突出，对电网的稳定经济运行作用巨大。其中，高压并联电力电容器是高压电力网络中的一种主要的无功功率补偿装置，能够有效地补偿电网的无功功率，对改善电力网络系统的功率因数、提供电压质量和稳定性、降低电力传输过程中的线路损耗等方面有着非常重要的作用。但由于高压并联电力电容器一般应用于高压输电线路中，主要工作在户外，容易受到环境温度、工作温度、工作电压、谐波等各种因素的影响，电容器损坏（甚至爆炸）等事故仍经常发生，对整个电力网络系统的安全运行威胁较大，严重时会造成大面积停电和一定的人员伤亡，给国家、社会造成严重的经济损失［1-3］。因此，必须通过一定的技术手段及时发现解决电力电容器中存在的微小故障，以避免发生更为严重的电力事故。

一直以来，电力公司主要通过检修人员完成电容器组电容量测量、拆解引线、电容量计算以及三相电容量平衡配置计算等方式实现对电力电容器的故障检测，需要投入大量的人力、财力和时间，成本巨大。但随着我国电力网络规模的快速扩大，人工检修方式已经无法完成对不断增加的电力电容器装置的检测工作，电力公司也就不能及时准确地掌握众多变电站内电力电容器的劣化情况，无法保证整个电力网络系统的安全，电力公司迫切需要新的检修方式以满足不断扩大的电力网络的检修需求。因此，对高压并联电力电容器的运行状态进行实时在线监测／预警，及时发现并解决电力电容器在运行过程中小的故障，从而可以有效避免电容器损害、爆炸等严重事故的发生，对保证高压电网系统的安全运行有非常重要的意义［4-5］。近年来，高压并联电力电容器的在线检测／预警系统成为电力系统科研人员重点关注的问题之一，成为业界的研究热点。

本文提出一种基于超声检测的电力电容器故障检测／预警系统，重点阐述系统的硬件设计过程和软件功能，给出主要的功能模块和实现方法。实验结果表明，设计完成的系统能够及时检测到电容器发生故障时所激发的局部放电信号，并根据局放信号的特征量判定局放类型、局放强度、局放趋势等，及时以声、光、短信通知等方式完成报警。

2 基于超声检测的电力电容器故障预警技术

2.1 电力电容器故障分析

一般而言，电力电容器是由电容器元件并联或串联组成的，电容器的外表面完全封闭，内部由绝缘纸、铝泊和电容器油构成电容元件，通过出线端子与输电线路母线上的三相相连接，内部结构外部观测不到，因此人工无法及时观察发现故障。当电容器内部发生故障时，内部电流增大，致使内部气体压力增大，轻者发生漏油或鼓肚现象，重者会引起爆炸。

系统电压过高或过低也可能危及电容器的安全运行。因电容器内部功耗与电压平方成正比，过电压时电容器因内部功耗增大使温度显著增高，将进一步损坏电容器内部绝缘介质。外部短路故障时，使电容器失压，但在电荷尚未释放时，可能在恢复供电时再次充电使电容器过压；另一种情况是恢复供电时，变压器与电容器同时投入，容易引起操作过电压和谐振过电压，从而使电容器过压。另外，电容器故障的发生与运行中的脏污、受湿受潮等环境因素密切相关，也与电容器的制造工艺、电容器材料质量、电容器结构等密切相关。

从电容器故障的具体表现分析，电力电容器的故障主要有绝缘不良、过电压、外力破坏、渗漏、鼓肚、炸裂等，其中炸裂是非常严重的故障，会造成非常严重的后果。但炸裂并不是突然发生的，炸裂发生前必然长期存在其它小的故障，比如长期渗漏、鼓肚等。如果能够及时发现电容器运行中的小故障，就可以避免炸裂等严重电力事故的发生。

2.2 主要的电容器故障检测方法

电力电容器的故障检测方法主要可分为两大类：基于非电量的故障检测方法和基于电量的故障检测方法［6-9］。其中，基于非电量的故障检测方法主要是利用电容器中的油气、设备噪声、设备振动、环境温度变化等指标，基于电量的故障检测方法主要是利用电压电流变化、电容量变化、泄露电流、局放信号等指标。

油中溶解气体分析法是一种比较典型的基于非电量的电容器故障检测方法，主要是通过检测电容器绝缘油中的各种气体的组成和浓度来判定判定故障类型、故障程度等，较为成熟且有国家标准和国际标准，抗外界电磁干扰的能力较强，所获得的数据比较准确可靠，但由于气体在油中的扩散有一定的时间，油中的气体浓度需要较长时间才会累积到较高的水平，实时性较差。同时，由于电容器是一个封闭的系统，对油中气体的检测无法在线完成。因此，该方法主要适用于故障的后续判定，而无法用于电容器的故障实时检测。

作为电容器的主要参数之一，电容器的任何故障都会引起电容量发生不同程度的变化。因此，基于电容量的电容器故障检测方法是一种传统而又重要的故障检测方法，多年来一直是业界的研究重点。但是，该方法需要故障持续一段时间之后导致电容量有较为明显的变化才有效，无法有效检测前期的微小故障。

随着传感器技术和微电子技术的发展，尤其是近年来的局放检测技术的提高，基于局放的电容器故障检测／预警技术成为新的电容器故障检测方法。在设备运行过程中，电容器的局放是由于设备中的微小故障（如：悬浮导电颗粒物、尖状突起、空洞、气泡等）在强电场的作用下产生电火花式的放电现象，是促进电力设备加速老化而产生严重故障的重要因素。现有的研究结果表明，电力设备在额定工作电压下的运行寿命与其绝缘介质中是否存在局部放电以及局放的强度紧密相关，一般而言，局放越强则设备的运行寿命越短，越容易发生严重故障。同时，通过在线监测局放可以及时发现微小故障或突发性故障，从而可以预防电容器爆炸等重大事故的发生，这也是优于油中溶解气体分析法的重要一点。现有的局部放电在线测量方法主要有甚高频法（VHF）、超高频法（UHF）、电脉冲测量法、超声波测量法等［10］。其中，超声波法存在安装方便、无须打开电容器、强弱电分离、测量精度较高等优势，因此本文选择超声波测量法作为主要的研究对象，设计实现了一种基于超声检测的并联电力电容器故障预警系统，深入分析了系统的硬件设计过程及软件设计过程，并结合实验结果对系统的性能进行了详细的分析。

2.3 硬件系统设计与实现

为了有效实现基于超声检测的并联电力电容器的硬件功能，本文设计完成的硬件系统主要包括数据采集模块、信号特征鉴别模块、特征提取模块、数据传输模块、电源稳压模块和看门狗电路模块等组成。

在整个硬件系统中，数据采集模块主要负责接收超声传感器传送过来的模拟超声信号，并将其转换为数字信号，并将转换后的数字信号送入信号特征鉴别模块进行下一步处理。数据采集模块具体电路图如图1所示。

图1 数据采集模块电路图

信号特征鉴别模块可编程逻辑芯片，在该芯片内设计了信号特征鉴别电路，主要负责接收由数据采集模块传送过来的数字信号，提取信号的包络，实现对包络信号的基本特征量的提取，最后将包络及基本特征量送入特征提取模块进行下一步处理。信号特征鉴别模块的具体电路如图2所示。

特征提取模块采用微处理的接口总线接收由特征鉴别模块送来的包络信号，通过微处理器完成对信号的降噪、滤波，统计计算信号的特征信息，并将数据通过CAN总线送给远端计算机，由软件系统负责接收、显示和进一步处理。特征提取模块的具体电路如图3所示。

图2 信号特征鉴别模块电路图

数据传输模块主要负责实现微处理器与远程计算机系统之间的数据传输功能，为了实现快速可靠的数据传输，数据的传输主要通过CAN总线完成。此外，为了后续系统扩展的需要，系统预留了RS485网络接口模块，数据也可以通过该接口完成传输。数据传输模块的具体电路如图4所示。

为了保证系统的电力供应处于稳定状态，系统设计实现了直流稳压电源模块，负责为整个硬件系统提供稳定的直流电源，能够有效满足系统的应用需求。为了防止硬件系统出现死锁等异常情况，为系统设计了看门狗电路，在硬件系统出现异常时能够及时复位，有效保证了整个硬件系统的稳定性和可靠性。

2.4 软件系统设计与实现

在完成硬件系统设计之后，后台软件系统接收由硬件系统传送过来的数据并进行分析、计算，根据设定的报警阈值进行自动报警。本文所设计实现的软件系统具备多模式数据实时显示、历史数据查询、局放趋势分析、多种方式自动报警等功能，系统具体结构图如图5所示。

软件系统通过计算机串口和硬件系统之间进行数据交换，一方面接收由硬件系统传送过来的波形数据，另一方面是向硬件系统传送采集卡参数数据，完成对采集卡的参数设置。数据分析模块完成数据的分析、处理，形成多类型图谱并提取报警特征量，通过实时显示模块完成多类型图谱的实时显示，以实现远程在线监测。自动报警模块通过接收由数据分析模块提供的报警特征量，依据特征量实现声／光报警、自动电话报警等，并将报警信号送入数据库中，通过历史报警数据查询模块可以查询历史报警记录，依据历史报警记录进行趋势分析。查询／回放模块通过检索波形图谱数据库查询特定通道的特定时间段的历史数据，并以多种波形图谱方式实现数据显示，以方便事后判定。

图3 特征提取模块电路图

图4 数据传输模块电路图

3 实验分析

在完成系统的硬件设计和软件设计之后，文中针对系统的性能进行了多方面的模拟实验，依据实验结果对系统的性能进行评价。

图5 软件系统结构框图

针对典型的放电类型，本文设计了金属针尖，内部气泡，悬浮电极和自由金属等4种典型的放电模型，通过模拟实验以获取放电波形和放电的基本特征量，通过对比所获得的放电波形对硬件系统的工作状态进行分析。4种放电模型如图6所示。

图6 4种放电模型

在完成放电模型设计后，本文通过对电容器提供不同高电压以激发局放，然后通过超声波传感器采集超声信号，并通过采集卡进行采集、转换、滤波、分析，形成最终的包络波形。4种典型放电模型所形成的包络波形如图7所示。

图7 4种典型放电模型的包络波形

多组实验结果：同一缺陷模型所产生的局部放电时域信号特征基本相同，包络也大致相同；不同的缺陷模型所产生的局部放电时域信号波形特征不同，其包络形状也不同，具体表现在幅值和相位上。因此可以提取包络信号的特征参数，通过模式识别方法判定局放类型、局放强度、局放持续时间等主要参数，以此作为自动报警的主要指标；当局部放电发生时，软件系统能够及时检测到局放信号并自动形成报警信号，及时通过声、光、短信等方式实现自动预警，有效帮助管理人员及时发现安全隐患。

4 结语

针对高压输电系统中的电力电容器存在老化、渗漏等引起的各类电器故障，本文在深入分析故障类型、故障成因、故障检测预警技术的基础上，指出超声检测具有安装方便、无须打开电容器、强弱电分离、测量精度较高等方面的优势，提出了基于超声检测的并联电容器故障检测预警系统，详细分析了硬件设计过程和软件设计过程，最终设计实现了一种基于超声检测的并联电力电容器故障预警系统。具体实验结果表明，本文设计完成的采集卡能够有效提取局放发生时所激发的超声波信号，提取获得的包络波形具有较高的可区分性，能够根据超声波信号的特征量区分典型的局部放电模型。软件系统能够有效实现多类型图谱的实时显示，局放检测精度高，能够及时根据局放类型、强度和趋势进行自动报警。

本文设计实现的基于超声检测的并联电力电容器故障检测／预警系统能够帮助管理人员及时发现电力电容器可能存在的安全隐患，有效降低了重大安全事故发生概率，具有较大的应用价值和市场潜力。

［1］ 黎才添.电容器运行常见问题分析与对策探讨［J］.中国高新技术企业，2013（36）：57-58.

［2］ 侯 杰，谢远伟.电力电容器损坏原因与抑制措施研究［J］.电力电容器与无功补偿，2010，31（5）：55-57.HOU Jie，XIE Yuan-wei.Study on damage causes of power capacitor and preventive measures［J］.Power Capacitor ＆ Reactive Power Compensation，2010，31（5）：55-57.

［3］ 刘文泽.基于电网实际运行场景的高压电力电容器损坏机理研究［D］.广州：华南理工大学，2009.

［4］ 陈桂文，吴丽霞，戴军瑛，等.变电站电力电容器智能在线监测［J］.电力电容器与无功补偿，2013，34（6）：56-59.CHEN Gui-wen，WU Li-xia，DAI Jun-ying，et al.Intelligent on-line monitoring of power capacitor equipment in the substation［J］.Power Capacitor ＄ Reactive Power Compensation，2013（6）：56-59.

［5］ 徐大可，李彦明，严 璋.高压电容性设备的在线监测系统［J］.高电压技术，2003，29（10）：35-36.XU Da-ke，LI Yan-ming，YAN Zhang.On-line monitoring system on HV capacitive type equipment［J］.High Voltage Engineering，2003，29（10）：35-36.

［6］ 蔡忠法，陈隆道，周 箭.非同步采样的同步化谐波分析算法［J］.浙江大学学报（工学版），2008，42（4）：682-685.CAI Zhong-fa，CHEN Long-dao，ZHOU Jian.Synchronizing harmonic analysis algorithm for asynchronous sampling［J］.Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2008，42（4）：682-685.

［7］ 张 鹏.电力电容器在线监测技术研究［D］.广州：华南理工大学，2012.

［8］ 姚陈果，孙才新，米 彦，等.配电网过电压在线监测系统的设计与实现［J］.电力系统自动化，2004，28（9）：74-76.YAO Chen-guo，SUN Cai-xin，MI Yan，et al.An on-line monitoring system for over-voltage of distribution network［J］.Automation of Electric Power Systems，2004，28（9）：74-76.

［9］ 何卫国.电力电容器运行状态在线监测装置［D］.苏州：苏州大学，2012.

［10］ 耿建平，方 慧，韦 喆.电力电容器局部放电的检测理论与技术探讨［J］.电声技术，2014，38（10）：25-29.GENG Jian-ping，FANG Hui，WEI Zhe.Discussion and application status on the detection methods of partial discharge in power capacitor［J］.Audio Engineering，2014，38（10）：25-29.