并联电容器串抗设备早期故障预警研究与实践

并联电容器串抗设备早期故障预警研究与实践

周晨，陈波，李昊，徐冉月，姚斯磊

国网浙江省电力有限公司舟山供电公司 316000

摘要：根据理论分析以及实践论证表明，电力电容器成套装置在运行过程中的故障率相比之下显著高于其他类型的变电系统以及外部设备，为了充分提升串抗设备的故障预警效果，本次设计了一款基于母线侧互感器的故障预警装置，通过阶段性获取电压参数，通过回路电流互感器获取电流信号的系统，并通过设置预警阈值的方式，构建的系统化的有功功率消耗的串抗设备故障问题的计算方法和硬件装置。经过实验论证表明，本次设计的电力电容器故障预警效果稳定，可以在现有的监测方案下对各类电气元器件的选型进行限制操作，其本身的接线简单，具有较高的适用性。

关键词：串抗设备；故障预警；电容器；装置；检测

前言：并联电容器串抗设备是目前大部分电气设备内应用的无功补偿设备，由于其本身的结构较为简单，且经济性良好，使用条件较为灵活，在大部分领域内都有着良好的应用效果，尤其是在电力系统中可以对功率因数进行调整。在实际应用的过程中，串抗设备的内部相关设备会长期处于高负载的工作状态，由于过电压以及高次谐波等因素的影响下容易导致电力电容器设备产生故障，在这种情况下通过对电网内的合闸涌流问题进行抑制处理，可以通过输入安全监测数据获取回路电流互感器的方式读取电压参数，这种方式应用在串抗设备的早期故障预警上具有显著的应用效果，改善了传统放电线圈电压信号输出效果较差的问题。

1 电力电容器常见故障分析

1.1 内部电容元件被击穿

并联电容器的组成结构下，元器件内部一般不包括有内熔丝，如果内部出现击穿的情况，部分电容元器件会出现短路的情况，并且在绝缘击穿的条件下，部分电容元器件也可能会由于串并联的结构影响导致电容值出现改变。大部分情况下，电力电容器内部包含有n个电容元器件并联，单独有m个电容元器件串联，如果并联的电容元器件出现击穿短路的故障问题，整个电力电容器的电容值必然会发生改变，此时导致电力设备整体受到影响。

1.2 绝缘受潮

电容元器件主要由固体绝缘电介质以及金属极板构成，在电容器油中浸润，等效作为平行板电容器。且由于电容元器件布置在充满电容器油的箱体内部，必然会导致外部杂质以及水分进入到箱体内部，在这种情况下必然会导致内部绝缘介质与箱体内的水分产生接触，绝缘介质也会因此而出现受潮的情况，在该情况下，电容介质的相对介电常数会出现过度增大情况，并且电力电容器本身的电容量会出现较大的改变。

1.3 渗漏油

并联电容器在工作状态下出现油液渗漏的情况也是其常见的一类缺陷，由于绝缘油泄露的情况可能会导致内部油面出现显著的下降状态，此时电容器上半部分绝缘位置以及电容元器件会在空气中裸露，并且考虑到空气的相对介点常数显著小于绝缘油的相对介电常数，渗漏油问题的存在必然会导致绝缘受潮问题的发生，此时并联电容器的串抗设备的电容参数值也会发生较大的变化。

1.4 系统谐波影响

随着系统非线性负荷总量的提升，在实际工作的过程中由于谐波污染的问题会导致电力电容器产生较为严重的过载问题，且该问题对于串抗设备的正常工作产生严重的负面影响。具体体现在以下两个方面。一方面，由于谐波过载问题的存在可能会导致电力电容器设备出现严重的发热问题，此时设备本身的绝缘以及老化的速度会进一步加快，电力系统设备的使用寿命会大大减小。此外，由于谐波电压的存在会导致并联电容器工作电压进一步增加，此时电容元器件本身的场强也会出现显著增大的情况，如果该情况过于严重甚至对导致电容元器件出现击穿的问题，导致电力电容器发生故障。

2 新型故障预警技术方案

2.1 技术方案原理

在设计并联电容器串抗设备故障检测装置的过程中，通过合理布置各类外部元器件构建回路的方式进行设计，其具体电路布局与的电路图如图1所示。

图1 并联电容器串抗设备的典型的接线方式

在上图中，代表并联电容器模块，代表电压互感器，代表断路器，代表电流互感器，代表隔离开关。以及代表开关，代表任意串抗设备，代表放电线圈，FV代表金属氧化物避雷器。

代表了精确计算电力电容器的电容总量，采集后的数据基于傅里叶变换提取其各个电路模块的基波分量如下：

在上式中，各个参数含义如下：代表电压参数值，代表基波频率值，代表电流分量的有效值，其中，代表电压波形的初相角，代表电流波形的初相角。

经过化简和计算可得：

在上式中，L为串抗设备的电感参数值，当L发生变化的情况下，电容值的计算精度会出现较大的改变。在对并联电容器进行在线监测的过程中，首先需要对串抗设备的故障问题进行预警处理，并且确保电感值L的变化情况以及影响可以限制到最低，对应的电容量检测计算精度也会有所下降。

2.3 串联电抗器故障预警

本次设计的串抗设备故障预警装置的结构较为简单，并且体积较小且实际应用场景较为广泛，具有较高的线性度，并且维护便捷性较高，实际使用过程中的损耗较少，在大部分电力工程中有着极为广泛的应用。根据现场分析以及实际研究表明，匝间短路问题的存在是干式电抗器发生故障最为主要的因素，并且由于干式电抗器设备在产生匝间短路故障问题之后，相关的状态量也会出现较大的改变，且线圈的环流会出现显著增大，此时电抗器本身的损耗会进一步提升，达到了正常工作状态下损耗的15倍以上，并且在后续耦合状态的不断增大而进一步增大。另外，在电抗器产生故障之后，等值电抗参数也会出现显著减小，其本身的变化量也会显著小于电抗设备损耗的变化效果。因此，根据电抗器的功率损耗变化情况分析其是否存在匝间短路故障问题需要结合电力电容器的装置设备进行有功功率损耗占比的调整。在计算的并联电容器中串抗设备装置消耗的功率作为电抗器故障的分析和判断依据，并且设定串抗设备在正常工作状态下的阈值设定为2，如果串抗设备出现了匝间短路的故障问题，此时系统通过外部设备对故障进行预警处理。

结语：综上，本次设计过程中构建的新型监测方案在很大程度上解决了目前并联电容器串抗设备故障预测中存在的问题，通过在放电线圈上获取电压参数值，对并联电容器的电容量数值进行了监测，实际应用范围更广。

参考文献：

[1]姚成.高压并联电容器的接线方式及故障保护措施[J].科技创新与应用,2022,12(35):121-124.DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2022.35.030.

[2]谭丽君.高压并联电容器组故障后测试技术要点分析[J].机电信息,2022(02):29-31.DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.008.