自愈式低压电力电容器安全监测系统设计

张俊, 刘红梅, 岳倩倩

自愈式低压电力电容器安全监测系统设计

张俊, 刘红梅, 岳倩倩

(安徽三联学院 电子电气工程学院, 安徽 合肥, 230601)

针对自愈式低压电力电容器运行过程中受到电网环境温度和使用状况等影响, 从而失去自愈功能, 引发电网故障的问题, 设计安全监测系统以保障其安全运行。在分析自愈式低压电力电容器工作特点的基础上, 提出安全监测系统的设计方案; 阐述各功能模块的工作原理及过程, 指出该系统的应用优势; 给出工程应用的具体安装实施方案。实验结果表明, 该系统能够稳定运行, 在无功补偿领域有一定应用价值。

自愈式低压电力电容器; 安全监测; 无功补偿; 电容保护

自愈式电力电容器, 其内部的绝缘介质聚丙烯薄膜被击穿后能够自动恢复绝缘, 运行可靠性较高, 因而是目前无功补偿设备中使用最广泛的电容器[1]。但自愈式电力电容器在工作过程中会受电网环境温度和使用状况等影响, 不断充放电, 过压、过流频繁发生, 导致温升严重; 同时缺乏散热装置缓解温升问题[2]。当温升超过极限有可能发生局部击穿, 瞬间产生的热量使气体膨胀, 会导致电容器鼓肚, 甚至还可能引起爆炸[3]; 另外, 由于自愈的实现是建立在电容容量微量降低的基础上的, 多次反复自愈会使电容器的容量越来越低, 长此以往影响其补偿效果, 降低其寿命[4–5]。

为降低自愈式电力电容器的失效概率, 文献[3]提出一种插入式电容器防爆固定装置, 避免电容内部人工焊点带来的不确定因素, 提升电容器的防爆可靠性; 文献[6]提出用充放电实验快速检验电容器指标, 从而保证产品出厂时质量; 文献[7]提出了一种在线监测电网参数系统, 通过计算得到电容实际容量值, 然后与原始容量值比对, 从而确定电容值是否已衰减到临界值, 保证补偿装置工作可靠性; 文献[8]分析了影响电容安全的内因及外因, 用在线监测装置采集数据对每个电容器的使用寿命以及运行风险进行趋势分析计算与显示, 指导运行人员进行各种主动维护工作。

在以上研究基础上, 本文提出一种安全监测系统, 对自愈式电力电容器的工作环境尤其是温度进行实时监测, 并及时把环境信息反馈给无功补偿控制器或云端用户, 对安全隐患主动排查, 目的是避免补偿电容一直或多次反复工作在过热环境下, 降低补偿装置故障率, 在一定程度上延长自愈电容器的寿命。

1 自愈式电力电容器的特性及保护措施

1.1 特性分析

无功补偿装置中的补偿电容连接的是相电源, 一旦电容击穿会造成相与相之间短路, 引发电网故障。而自愈式电力电容器能自行修复被击穿的介质膜, 具备自愈能力, 也正是因为这一特性, 使得它与普通电力电容器相区别, 在无功补偿领域有广泛的应用前景。

自愈式电力电容器的自愈能力主要依赖于其制造工艺, 其介质为单层聚丙烯膜, 表面蒸镀了一层很薄的金属作为导电电板。当施加过高的电压时, 聚丙烯膜电弱点被击穿, 击穿点阻抗明显降低, 流过的电流密度急剧增大, 使金属化镀层产生高热, 击穿点周围的金属导体迅速蒸发逸散, 形成金属镀层空白区, 击穿点自动恢复绝缘, 电容器恢复正常工作, 从而解决了普通电力电容器因击穿扩散产生的爆炸问题。

虽然在绝大多数条件下, 质量合格的自愈式电容器在运行中自愈性能是可靠的, 但是如果品质不高, 自愈可能失效, 电容有发生爆炸的危险[9]; 或者如果自愈式电容器没有装设可靠的保护措施, 当其发生故障或者使用寿命终止时, 也会出现燃烧的危险; 再者自愈电容小能量的自愈对电容器容量减小影响不大, 但自愈能量过大时会使电容容量下降过快, 影响系统补偿性能[4]。因此, 加装保护装置必不可少。

1.2 保护措施

目前用于自愈式电力电容器的保护措施有很多种, 比如文献[3]提出的气压保护方式, 即在电容制造的时候采用双重壳, 把产品密封在一个金属外壳内, 在外壳内部安装一个压力保护器, 当电压过高而使金属化聚丙烯膜击穿从而产生大量气体时, 内部压力增加而使压力保护器动作, 使电容与电路断开, 阻止电容爆炸; 再比如文献[10]中提到在电容制造过程中在其内部串联特殊的熔丝, 当自愈式电容器发生内部击穿时, 电流激增, 而使内熔丝熔断, 使电容从电路中断开, 起到保护作用; 文献[11]提出压力熔丝保护方式, 当电容器内部发生击穿但熔丝保护不能执行时, 电容内部气压必然升高, 从而压力保护器动作。

以上保护措施依赖电容的生产制造工艺, 能对电容有效保护, 但是对电容的生产工艺提出很高要求; 不仅如此, 只有电容内部保护是不够的, 当电容自愈失效并且其内部的保护措施也失效时, 故障不能被使用者及时发现, 会把事故扩大到整个电容补偿装置甚至整个补偿系统上。因此除了内部的保护措施, 还应该设计一个智能系统, 能对所有电容的运行环境做监控, 使监控人员能实时得到所有电容运行环境情况, 及时发现故障并做决策。

2 安全监测系统设计方案

2.1 总体方案设计

本方案所设计的运行环境安全监测系统可以与无功补偿装置主控制器进行通信, 作为无功补偿装置的配套模块, 也可以在无功补偿电容柜上独立使用, 其主要目标是实现自愈式低压电力电容器工作环境的监测, 还可以用于监测无功补偿装置中串联电抗器的温度。安全监测系统外接多路温度传感器, 多路火焰传感器以及烟雾报警器, 能对无功补偿装置内的工作环境做全方位的监测, 并且配备有若干继电器干节点, 用于扩展控制其它相关执行机构。比如, 当安全监测系统在电容柜组上独立使用时, 电容柜内运行环境异常, 通过内部决策机制, 监测系统可以控制断路器断开, 从电网上切除无功补偿电容柜, 避免造成更大的损失。

当安全监测系统作为无功补偿装置的配套模块时, 无功补偿控制器可以获得安全监测系统实时采集的所有电力电容器或串联电抗器的工作温度并进行分析处理, 可以及时切断温度超过预定值的补偿模块, 并投入其它补偿模块进行替代补偿, 这样做能有效减少自愈式电力电容器的自愈次数, 避免电容量下降, 从而延长其寿命。

2.2 硬件方案设计

安全监测系统主要由控制器、AC/DC电源转换模块、5 V转3.3 V电源转换模块、5 V转15 V电源转换模块、继电器模块、温度传感器组、数据采集模块、火焰传感器组、高温烟雾探测器、显示屏以及GPRS等模块构成, 如图1所示。

图1 安全监测系统框图

整个系统所使用的电源有5 V、3.3 V以及15 V三种。220 V市电经过AC/DC变换器转换成5 V电源, 然后再经过DC/DC变换, 转换成3.3 V电源给控制器使用; 同时5 V电还经过一次升压变换得到15 V电源, 给系统中的继电器湿节点的输出端提供电源。220 V转5 V的电源模块可以在设计电路板时预留接口, 使用专用电源模块。5 V转3.3 V可根据单片机功耗选择输出稳定的低压差线性稳压器, 如LT1764A。在温度传感器组中, 每个热敏电阻的一个端子都需要外接5 V电源, 热敏电阻的另一端与数据采集电路相连接。系统框图中火焰传感器组中的每个火焰传感器的供电电压是5 V, 高温烟雾探测器则使用15 V供电。为保护控制器, 火焰传感器和高温烟雾探测器与控制器相连时均需要使用光耦隔离。

在单倍体加倍技术应用过程中，影响该项技术应用效果的主要因素是材料本身的遗传特征和外界环境因素。来源不同的材料，由于不同生长环境，使得单倍体加倍率存在较大差异性。在对单倍体进行加倍处理过程中，应该注意对材料和环境的选择。

在实际应用中, 根据功率需求的不同, 一个无功补偿电容柜中安装有若干个补偿电容, 也就需要相同数量的温度传感器。对于大多数控制器来说, 都只有一个AD转换模块, 其通道数也难以满足需要, 因此可以选用模拟多路开关如CD74HC4067进行通道扩展。此芯片拥有16通道, 通过4个输入选择端确定16个通道中的1个通道, 此信号通过CD74HC4067的输出端输入到运放中, 然后送至控制器的AD采集端口, AD模块对这路输入做转换取得当前温度传感器(NTC)的电阻值, 从而得到当前电容的温度值。CD74HC4067还有一个始能端, 控制器可以用IO口控制模拟多路开关是否始能转换输出。每个模数转换通道配合4个普通输入输出端口都可以扩展16路温度传感器模拟量输入, 对于补偿电容数量较多的场合, 这样设计降低对控制器AD转换通道数量的要求, 控制器选型更灵活。

根据电容补偿柜中的运行温度, NTC要满足-30 ~200 ℃范围内正常工作。NTC引线两端通过连接器接入到电容安全监测系统电路板预留的端子上, 测温探头固定到无功补偿电容接线端。

系统预留若干个继电器干节点和湿节点。干节点和湿节点区别在于继电器湿节点的触点一端与系统提供的15V供电电源相连接, 另一端悬空, 一般用于与外部的执行机构相连; 而继电器干节点的触点两端均是悬空的, 供电电源也由外部提供。干节点继电器的触点可串接在断路器的分励脱扣线圈回路上, 当补偿电容出现故障后, 由控制器及时发出指令控制继电器线圈通电, 则继电器的触点闭合, 使得分励线圈接通电源, 从而断开断路器, 减小故障产生的影响。控制指令也可以由远程的管理员在云端发起, 由控制器接收并执行。

控制器通过串口把监测到的环境参数发给GPRS模块, 由GPRS模块发送到云端服务器存储。远程管理员登录云端即可获得当前电容柜中自愈电容器的工作温度, 如发现温度异常可以远程控制断开断路器, 也可以更改设置温度门限, 让监控系统进行温度判断自动断开断路器, 并反馈状态给云端服务器。电容安全监测系统配备有显示屏, 控制器通过串口与显示屏连接, 用来显示当前电容的温度, 以及当前故障信息。

结合上述设计要求, 控制器要选择带有较多外设的微处理器, 如32位ARM芯片STM32F105。所选控制器及其外围元器件的工作温度范围应在能满足要求的情况下尽量更宽, 如STM32F105能够在-40~105 ℃范围内稳定运行, 而模拟多路开关CD74HC4067的工作温度范围为-55 ~125 ℃, 能够满足电容柜的运行环境要求。

2.3 控制软件设计

监测系统的控制软件构架采用前后台的构成方式。主程序作为后台程序, 是一个无限循环, 负责对整个系统的任务做无休止且有序地调度; 而中断服务程序是前台程序, 用来响应外部发生的事件, 并对事件进行处理。

系统的主程序如图2。主程序在开始无限循环前, 首先对外设进行初始化, 并对与外设相连接的各个IO口进行方向及其它属性的配置。接下来从存储器中读取用户参数设置, 如果没有用户参数, 则使用预置设置。这些设置信息包含了温度传感器报警门限, 以及系统出现不同程度故障应该进行何种处理方式。预置信息存储在单片机的EEPROM中, 掉电不丢失, 并且可以通过调试端、客户端进行改写, 极大方便用户对安装有不同类型自愈电容器的电容柜进行系统调试。

在主程序循环过程中, 每间隔50 ms对所有温度传感器通道进行数据采样, 放入内部数据列表中。温度传感器数据处理函数将实时对列表中的10次有效数据求取平均值, 作为最终计算得到的自愈电容器电端子温度值。每间隔100 ms采集一次烟雾传感器或火焰传感器故障状态, 并对故障状态激活时长做记录。

图2 主程序流程图

逻辑判断函数判断最终得到的温度值是否超过预置或用户设置的报警温度, 如已越限, 则开启报警装置, 并根据用户设置执行断开断路器操作, 使电容柜断电, 从而保护整个系统安全。如果温度值没有越限, 则对烟雾传感器及火焰传感器故障状态进行判断, 如果烟雾传感器或火焰传感器故障持续超过2 s时间, 则打开报警装置。

云端的数据每100 ms更新一次, 所有传感器及控制信息都会通过GPRS模块传送至网络, 用户可通过访问云端实时查看数据。

3 安装实施方案及应用实例

电容安全监测系统中各传感器的安装位置与整个系统监测准确性以及控制及时性密切相关。传感器数量及安装位置都要根据当前电容柜中电容数量及分布位置来确定。图3是由4个自愈式电力电容器及其相关设备构成的无功补偿电容柜示意图。以此电容柜为例, 给出本文所设计安全监测系统的安装实施方案。

图3中的电容柜自下至上6层分别是自愈式电力电容器组, 串联电抗器组, 熔丝组, 电容安全监测装置, 断路器及三相母线。安全监测装置也可根据电容柜的实际内部空间情况安装在柜外, 在此例中安装在柜内。

(1) 温度传感器。自愈式电力电容器的3个接线端子通过导线与内部电容元件的金属头相连接, 其温度能够反映电容器内部的温度, 其温升变化也较明显[5], 因此温度传感器安装在自愈式电力电容器3个接线端子上。

(2) 火焰传感器。安装在靠近自愈式电力电容器端子的位置, 如果电力电容器发生打火爆炸或其附近的工作环境中有明火发生, 传感器将检测其状态并上报给控制器。

(3) 烟雾传感器。安装在柜顶, 监测整个电容柜内部烟雾的浓度, 起到火灾报警的作用。

图3 安全监测系统各组件安装位置示意图

所有连接线束从电容安全监测装置侧面接口引出, 分别引至温度传感器, 火焰传感器及烟雾传感器的安装位置, 完成电气连接。电容安全监测装置侧面引出干节点继电器的触点引线, 串接在断路器的分励脱扣线圈回路中, 用于控制断路器断开。

所设计的安全监测系统在总容量为300 kVA的小型配电系统中成功安装并稳定运行。补偿前系统功率因数最低为0.7, 补偿后达到0.95以上。该系统中使用补偿电容额定容量为50mF, 共使用10组。监控系统共使用温度传感器10个, 火焰传感器5个, 烟雾传感器1个。在此应用现场中, 系统预设定电容器的安全工作温度为90 ℃, 根据用户要求, 设定当控制器接收到超过90 ℃的温度信号值时声光报警并上传故障到云端; 补偿装置工作环境中烟雾传感器信号有效达2 s以上产生声光报警并上传故障到云端; 用户查看平台端存储的各项数据, 定位每个补偿电容的工作情况, 并综合评判当前补偿装置是否需要检修, 或补偿电容器是否需要更换。

4 结论

本文通过对自愈式电力电容器的工作特点以及当前保护措施进行分析, 设计了一种适用于自愈式低压电力电容器运行环境安全监测的系统, 详细地阐述了该系统的硬件设计及软件设计方案; 最后通过实际案例验证方案的可行性, 证明此方案具有一定的工程应用价值。

但本文并未把此监测系统安装到多个现场, 且已安装的现场运行时间尚短, 要验证此系统是否能有效降低自愈式低压电力电容器的故障率, 还需5年甚至10年的对照分析。

[1] 尹婷, 王子建, 侯智剑, 等. 环境温度及施加电压对自愈式电力电容器温升和温度场分布的影响[J]. 科学技术与工程, 2016, 16(1): 193–199, 203.

[2] 张利生. 高压并联电容器运行及维护技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006: 138–139.

[3] 胡国富, 黄蓉蓉, 陶显升, 等. 自愈式低压并联电力电容器防爆结构与可靠性研究[J]. 电力电容器与无功补偿, 2014, 35(2): 19–23.

[4] 彭波, 徐梦蕾, 王荀, 等. 自愈式电容器加速电老化试验及寿命估计[J]. 科学技术与工程, 2017, 17(31): 239–244.

[5] 葛军. 关于干式自愈式高压并联电容器组的应用探讨[J]. 电工技术杂志, 2001(3): 26–31.

[6] 赵可盖, 陈才明, 邢云春. 充放电试验是快速检验自愈式电容器质量的有效方法[J]. 电力电容器与无功补偿, 2012, 33(5): 69–73.

[7] 魏闻, 黄凯伦, 林镇煌, 等. 交流电容在线监测方法及装置[P]. 中国: CN109596894A, 2019-04-09.

[8] 赵军, 吴志成. 0.4 kV自愈式电容安全运行管理的研究[J]. 中国金融电脑, 2017(11): 67–71.

[9] 陈海, 魏峰, 赵永平. 如何保证自愈式电容器的安全运行和正常的使用寿命[J]. 中国设备工程, 2009(6): 51–52.

[10] 苏志明. 电力电容器智能化监测与故障诊断系统研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2014.

[11] 李兆林, 卢有盟. 自愈式高压并联电容器的内熔丝保护和寿命试验研究[J]. 电力电容器, 2001(3): 1–4.

Self-healing low voltage power capacitor safety monitoring system design

Zhang Jun, Liu Hongmei, Yue Qianqian

(School of Electronic and Electrical Engineering, Anhui Sanlian University, Hefei 230601, China)

The safety monitoring system is designed to guarantee the safe operation of the self-healing low-voltage power capacitor, which loses its self-healing function due to the influence of network environment temperature and operation condition. Based on the analysis of the working characteristics of the self-healing low-voltage power capacitor, the design scheme of the safety monitoring system is proposed. The working principle and process of each functional module are expounded, and the application advantages of the system are pointed out. The concrete installation scheme of engineering application is given. The experimental results show that the system can reduce the failure efficiency of self-healing low voltage power capacitor and has certain application value in reactive power compensation field.

self-healing low voltage power capacitor; safety monitoring; reactive power compensation; Capacitance protection

TP 23

A

1672–6146(2021)02–0073–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.02.015

张俊, zhangjun2008@126.com。

2020–07–22

安徽省教育厅高校自然科学重点项目(KJ2019A0900; KJ2020A0807; KJ2020A0799); 安徽省高校优秀人才支持计划项目(gxyq2020081)

(责任编校: 刘刚毅)