变电站电力电容器智能在线监测

杨刚 姜霞君

摘 要：分析和介绍变电站内电容器设备结构，建立数学模型，通过运算软件仿真分析电容器内部电容元件的损坏故障，获得应用性结论。基于智能电网发展态势，研发智能在线检测装置，提前预测电力电容器故障征兆，准确定位和分析故障问题。此次研究主要是研究开发变电站电力电容器智能在线监测系统，希望能够对相关人员起到参考性价值。

关键词：变电站;电力电容器;智能在线监测

1、电容器内部结构与元件损坏故障仿真

选择某变电站进行案例分析，电容器内部有36个电容元件构成，每个串段部分并联电阻每个电容元件电容为6.6μF，串入电阻为1.4MΩ。基于变电站一次系统图，建立电路模型分析。

假设支路中器件电器参数：支路电压为标准电压;电抗器感抗：

……（1）;電容器总阻抗：                              ……（2）;

支路总阻抗为电抗器和电容器串联：                                   ……（3）;按照电路定律，对支路实施向量分析，获得（4）方程式：

……（4）

在（4）方程式中，S表示电容;I表示电流向量;U表示电压;UC表示电容器端电压。

现阶段，变电站内安装差动保护装置，当电容元器件损坏数量超过3个时即可动作。此次研究只针对电容元件损坏个数小于3个的条件进行仿真，可以划分为以下情况：第一，电容元件损坏数量为1个，此时仅出现一种情况，表明并联串存在损坏故障，可以使用（0，0，1）表示。第二，电容元件损坏数量为2个，此时存在两种情况，同一并联串上，电容器元件同时损坏，使用（0，0，2）表示。或者两个并联串上分别有一个电容元件损坏，使用（0，1，1）表示。第三，电容元件损坏数量为3个，此时存在3种情况。情况一，同意并联串上出现3个元件损坏，使用（0，0，3）表示;情况二，1个并联串上有1个损坏，另1个并联串上有2个损坏，使用（0，1，2）表示;情况三，3个并联串上各存在1个损坏，使用（1，1，1）表示。

按照上述假设与分析，使用专业数学软件，输入不同的频率，对上述电容元件损坏进行仿真，可以获得不同情况下的电流、容量、电容器端电压与相应的变化率。按照仿真结果显示，输入5次谐波时，不同损坏情况的电量参数变化率明显，下图为变化程度与趋势曲线。

通过分析图示可知，第一，电容元件损坏数量越多，则电容参数变化率越明显。第二，在三个参数中，变化最明显的是容量，可以使用容量参数作为监测与判别对象。第三，当电容元件损坏数量为1时，容量变化率为33.4%;当电容元件损坏数量为2时，容量变化率为84.8%～98.3%;当电容元件损坏数量为3时，容量变化率为169.4%～260%。从上述数据可知，区间分隔明显，由于电力系统受到5次谐波分量干扰，因此可以提供有效判断依据。

2、电容器设备智能在线监测

监测系统组成包括温度传感器、电流传感器、电压传感器、数字音频处理器、模数转换器、通讯接口、扩大容量存储器、显示屏、前置信号调理器。通过该监测系统，可以实现以下功能：

第一，监测电容器组谐波电流。由于集肤效应、涡流损耗、效率成正比，高次谐波产生热量高于基波电流。高次谐波功率是电压与电流，瞬时值乘积在周期内的积分，非同步采样会加大功率计算误差。该装置可以通过零点白手搜索法，截取谐波电压、电流采样数据中的整周期数据，通过重新定位的线性同步化算法，进行科学化处理，确保高次谐波功率测量的准确性。

第二，监测电容器组残压，实现安全报警。电容器断电持续一段时间，比较监测残压和整定值，当残压高于整定值时，会发出安全警报。

第三，记录和存储电容器组关键运行参数。

第四，内置专家诊断系统。按照电容器内部元件损坏故障仿真结果，联合其他判断依据，综合诊断电容器运行的异常问题。

第五，限制投切涌流。检测电流或电压过零点，在电流过零点处切电容器，在电压过零点处投入电容器，以此减少涌流现象。

在监测系统中，计算器件参数，选择器件造型时，必须考虑以下内容：首先，获取电流、电压、温度等电容器运行状态信号、传感器绝缘强度、确保测量准确度，满足现场要求。其次，合理选择运算放大器等器件，建立前置信号预处理电路，传感器信号进行处理，确保其满足模数转换器抗干扰、量程要求。

监测运行状态信号后，经过处理和转换送入到主机软件进行综合化诊断，明确故障严重性与故障具体位置，利用显示屏输出结果，提出科学的维修方法和策略。故障综合诊断依据还需进一步实践，通过大量现场监测数据统计积累经验。当前可以遵循国家现行标准、行业标准、规程规范等内容，纵向比较历史数据。可以在类似设备、同一设备之间进行横向对比。

3、变电站内电力电容器设备智能在线监测实例分析

电力电容器设备组成包括。控制测量与保护装置、主体功能装置、投切装置。对于控制测量与保护装置来说，主要包括电流变换设备、电压变换设备、保护继电器与测量仪表。对于主体功能装置来说，主要包括放电装置、接地刀闸、串联电抗器、电力电容器、支柱绝缘子、避雷器、熔断器、导体与构架。对于投切装置来说，主要包括隔离开关和断路器。

将实施改造的某35kV变电站为例，下图为电力电容器设备电气结构图。

监测装置传感器与安装位置如下：在断路器上安放监测断路器状态的传感器。电压传感器应用霍尔元件，与电容器两端连接在一起。电流传感器采用CT，和电容器出线连接在一起。温度传感器安装在电力电容器与电抗器本体上。

4、结束语

随着状态检修技术的成熟发展，在后期发展中将逐渐扩大应用范围，全面提升标准要求。此次研究提出的电容器设备智能在线监测系统，可以满足坚强智能电网的建设要求，又能够推广电力设备状态检修要求，值得推广应用。

参考文献：

[1]张晨萌，谢施君，谭思文，等.基于极化去极化电流法的电力电容器绝缘状态检测方法研究[J].高压电器，2020，56（06）

[2]许金彤，王晓燕，王鹏程，等.12 kV交流真空断路器柔性化投切电力电容器的设计与应用[J].电世界，2020，61（04）

[3]王鑫，张晨萌，刘渝根，等.极化去极化电流法极化参量对电力电容器绝缘状态的影响[J].四川电力技术，2019，42（04）