CN103630810A - 一种并联补偿电容器绝缘状态诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联补偿电容器绝缘状态诊断方法，通过对内熔丝电容器熔丝熔断后完好元件上承受的过电压倍数来判断电容器的绝缘状态。根据电容器组的实际接线方式得到当电容器内熔丝熔断后出现过电压的具体元件位置，然后根据电容器具体结构计算这两种情况下电容器内元件承受的最大过电压值。最后根据最大过电压值来判断电容器绝缘是否能够耐受，从而判断是否需要对电容器进行更换。本发明中最大过电压阈值选择为：当电容器的电容量减少为95%（达到报警标准）时的电容器内完好元件所承受的过电压值。

Description

一种并联补偿电容器绝缘状态诊断方法

技术领域

本发明属于电气设备状态维修领域，特别涉及一种并联补偿电容器绝缘状态诊断方法。

背景技术

并联电容器是电力系统的主要无功补偿设备。并联电容器是在较高场强下运行的产品，目前所广泛使用的全膜电容器的设计场强约为53～57kV/mm，个别产品的设计场强还可更高。制造厂对这类产品保证的年故障率为小于0.2%，即允许运行中有个别电容器被损坏，但损坏的个别电容器，其的损坏不应影响整体电容器装置的安全运行，更不能使其本身的故障造成其它设备的故障，所以电容器装置内部必须安装有单台电容器故障保护措施以便在部分元件损坏下启动保护，以便提高电容器装置整体运行的安全可靠性。实际中的保护措施主要为熔丝。我国电力系统中按照时间发展先是采用外熔丝电容器，后是内外熔丝同时使用，近年开始普遍采用内熔丝的大容量电容器，与国外逐步接轨。我国目前并联补偿电容器组的电压等级以35kV和10kV为主，66kV及以上电压等级的电容器组并不多见，此类电容器多为内熔丝电容器。

通常，并联电容器由高压套管、高压引出线、连接片、芯子和不锈钢材质的油箱等几部分组成。电容器元件在圆轴上绕制成空心圆筒状，压扁之后整齐地叠装起来并按照额定电压和容量的需要串并联组成电容器芯子。单台电容器内部芯子一般为M并N串的方式连接。芯子经过外包封绝缘后装入箱壳中密封焊接，再放到真空罐中经过高真空脱水脱气，注入浸渍剂将聚丙烯薄膜浸透，弥补固体介质聚丙烯薄膜上的电弱点，提高产品的局部放电性能和耐电强度。每个元件理论上是平板电容器，由很薄两到三层（9-18μm）的电工粗化聚丙烯膜和浸渍剂的复合绝缘介质和更薄的铝箔（4.5-6μm）电极构成。电容器元件额定电压通常小于2kV，极板间复合介质厚度约在30μm左右，电容器的额定场强通常都在60-70MV/m左右。容量较大的电容器内部通常带有内熔丝和放电电阻保护，内熔丝保护——即每一个元件串联一根镀锡细铜丝，当其中的某一个元件发生故障，被击穿的时候，就会造成极板短路，和这个元件并联的其他正常的元件就会向该短路点释放电能，产生很大的放电电流，将内熔丝熔化烧断，使这个元件就从电路中脱离，而其它没有损坏的电容元件则继续处于运行状态。大多数厂家都将内熔丝安装在元件的侧面，并在熔丝与电容元件之间安装上用绝缘纸制成的衬板，起到隔离的作用，在内熔丝发生熔化烧断的情况时，起到将熔爆能量与元件进行有效隔离的作用，以保护相邻元件不受伤害，防止内熔丝发生群体爆炸。

电容器状态综合判断所需要的参数与电容器内部结构有关，但判断的最终依据都会归结到电容器和系统的各项性能指标。根据国标GB/T11024.1-2001《标称电压1kV以上交流电力系统用并联补偿电容器第1部分：总则性能、试验和定额安全要求安装和运行导则》，并联补偿电容器在工作时，电容器上的电压、基波电流、谐波电流、电容量、环境温度及外壳温度是与可以反映出电容器是否处于安全运行的状态，为了能准确判断电容器运行状态，并能记录故障过程中电容器参数值的变化情况，需要对电容器的运行状态进行实时监测，为电容器的运行维护提供准确信息。

目前现场运行人员对电容器绝缘状态的判断主要依据是：对于电容器组，电容值变化范围在0～+5%，对于单个电容器，电容值变化范围在-5%～+10%，超出则需对电容器进行更换。上述方法比较繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于过电压水平的并联补偿电容器绝缘状态诊断方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种并联电容器绝缘状态诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、对并联补偿电容器组中的电容器的电压进行测量，从而确定存在故障电容的单个电容器的位置；确定故障电容的位置的方法具体为：实时测量电容器元件的电压值，当该电容器元件的电压值升高，并且升高后的电压值大于其常态电压的1.048倍时，该电容器即为故障电容器。

步骤2、确定故障电容器承受的最大过电压阈值；所述的最大过电压值为：电容器的电容量减少为原电容量的95%时电容器内完好元件所承受的过电压阈值。

步骤3、判断实际测量的电压值是否高于故障电容器承受的最大过电压阈值，如果高于，则更换电容器，否则不处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明从电容器内部元件的绝缘耐压水平考虑，当电容器内部由于过流的影响使内熔丝熔断时，故障电容器的电容量将减小，导致该故障电容器内元件承受过电压的作用，而且同组中其它电容器也可能承受过电压的影响。此过电压若超过电容器内部元件的绝缘耐压，则电容器将会被击穿。因此本发明的诊断依据为：通过对内熔丝电容器熔丝熔断后完好元件上承受的过电压倍数来判断电容器的运行状态。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明中并联电容器内部元件的连接示意图。

图2为本发明中电容器组的仿真计算模型原理图。

具体实施方式

一种并联电容器绝缘状态诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、对并联补偿电容器组中的电容器的电压进行测量，从而确定存在故障电容的单个电容器的位置；确定故障电容的位置的方法具体为：实时测量电容器元件的电压值，当该电容器元件的电压值升高，并且升高后的电压值大于其常态电压的1.048倍时，该电容器即为故障电容器。

步骤2、确定故障电容器承受的最大过电压阈值；所述的最大过电压值为：电容器的电容量减少为原电容量的95%时电容器内完好元件所承受的过电压阈值。

步骤3、判断实际测量的电压值是否高于故障电容器承受的最大过电压阈值，如果高于，则更换电容器，否则不处理。

一般并联补偿电容器组中的电容器采用的是M并N串的连接方式（如12并4串），组内单个电容器的内部元件的连接方式为P并Q串（如15并3串）。当电容器内部元件的熔丝熔断时，流过故障电容器的电流将变小，由于电容器连接方式具有对称性，不妨设故障电容器为C₁₀₁，流过故障电容器的电流I₁₀₁的值变小，但是元件的内熔丝发生了熔断，即某一串段的元件并联数减小了，故该串段中元件所承受的电压有可能最大，此过电压为一种可能。另外与C₁₀₁同一串段的电容器中流过的电流有变大的趋势，不同串段中电容器的电流也有微小的变大，由于与故障电容器在同一串段的电容器比不同串段的电容器中流过的电流大，因此两者比较元件承受的最大过电压应该出现在与故障电容器在同一串段的完好电容器中，此为第二种过电压可能。

通过上述过电压出现的可能性分析可得到出现过电压的具体元件位置，然后根据电容器具体结构计算这两种情况下电容器组内承受的最大过电压值。最后根据最大过电压值来判断电容器绝缘是否能够耐受，从而判断是否需要对电容器进行更换。本发明中最大过电压阈值选择为：当电容器的电容量减少为95%（达到报警标准）时的电容器内完好元件所承受的过电压值。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

以型号BAM12/2-334-1W，额定电压为12/2kV，额定容量为29.55uF的电容器为例，每只电容器内部元件为15并3串的方式连接。电容器采用内熔丝保护的形式，电容器的内部元件的连接示意图如图1所示，其中c101是第一个串段中的第一个电容器，L₁₀₁为起保护作用的内熔丝。图2所示为电容器组的仿真计算模型原理图电容器组为例，组内电容器为12并4串连接方式。

所述电容器组内承受的最大过电压值的计算需要根据熔丝熔断的个数分情况计算：

情况1：电容器组中有1根熔丝熔断时元件的过电压计算

若电容器组中只有1根内熔丝熔断，由于电容器内部元件的对称性故不妨熔丝L₁₀₁熔断。

利用Simulink仿真分析可得到流过各电容器的电流，记流过图2电容器组中C₁₀₁的电流为I₁₀₁，流过C₁₀₂的电流为I₁₀₂，流过其它电容器的电流的记法以此类推。当图1中L₁₀₁熔断时流过各电容器的电流和无故障时电流的对比情况如下表1所示。

表1L₁₀₁熔断时流过各电容器的电流和无故障时电流的对比

	I101	I102	I201	I301	I401	I（总电流）
							无故障	53.2845	53.2845	53.2845	53.2845	53.2845	639.414
L101熔断	52.1176	53.3585	53.2551	53.2551	53.2551	639.061

从表1中的数据可知，电容器组正常工作时流过每个电容器的电流为53.2845A，当电容器组中的电容器C₁₀₁内有1根熔丝熔断，即L₁₀₁熔断，可得到流过电容器C₁₀₁的电流减小为52.1176A，与C₁₀₁同一串段的并联电容器中流过的电流增大为53.3585A。电容器内部元件的连接方式为15并3串，也是对称的连接方式，且每个元件的阻抗都相同，所以流过元件的过电流即为元件的过电压。根据上述对过电压出现情况的分析和电容器内部连接方式的高度对称性，计算故障电容器C₁₀₁内部元件的过电压的有效值，记为U₁₀₁。计算与C₁₀₁在同一串段的任意一个电容器内部元件的过电压即可，不妨计算C₁₀₂的元件过电压的有效值，记为U₁₀₂。比较两个过电压的值的大小，其中较大的值为熔丝熔断1根时电容器内部元件的过电压。

电容器内部元件是高度对称的，所以无故障元件中流过的电流是该电容器流过电流的十五分之一。若电容器中有1根熔丝熔断，那么流过该串段的元件的电流就变为流过该电容器电流的十四分之一。由于计算元件的过电压可以等效的计算流过元件的过电流，计算电容器内流过元件的电流公式为：

$i=\frac{I}{N-m}---\left(1\right)$

式中I为流过电容器的总电流；N为电容器内同一串联段的元件并联个数；m为此串联段元件的熔丝熔断根数。

根据上式（1）可以分别计算出无故障情况时电容器内部元件流过的电流为I₀=3.5523A；第一种可能出现过电流情况时的电流值为I₁=3.7223A；第二种可能出现过电流情况时的电流值为I₁=3.5572A。由于I₁＞I₂，所以当电容器组中有1根熔丝熔断时，电容器中元件的内部过电流为I₁，元件的过电流倍数即为元件的过电压倍数，

即此时元件的内部过电压为1.048*U_N。

情况2：电容器组中有2根熔丝熔断时元件的过电压计算。

电容器组中熔丝熔断2根时应分两种情况讨论，即2根熔断的熔丝在同一个电容器内和在不同的电容器内。下面对这两种情况分别讨论。

（1）2根熔断的熔丝在同一个电容器内

电容器内部元件的连接方式为15并3串，如图1所示，不妨设熔丝熔断发生在电容器C₁₀₁内，而这2根熔丝可能在同一串段中，设为L₁₀₁和L₁₀₂；也可能在不同的串段中，设为L₁₀₁和L₂₀₁。

应用Simulink软件仿真计算这两种情况时流过每个元件的电流，根据上述对过电流可能出现的元件的分析，计算了具有代表意义的几个元件的过电流情况，等效的得到元件的过电压的值。计算结果见下表2，其中i₁₀₁代表通过元件c₁₀₁的电流，i₁₀₂代表通过元件c₁₀₂的电流，以此类推。

表2电容器C₁₀₁内熔丝断2根时各元件的电流

观察表2可以发现，当熔丝L₁₀₁和L₁₀₂同时熔断时，其同一串段的元件上出现了过电流情况即出现过电压的情况，此时过电压的倍数为1.1007倍，即此时元件承受的过电压为1.1007*U_N。

（2）2根熔丝的熔断发生在不同电容器内

当有2根熔丝熔断且不在用一个电容器内，那么只有可能是有2个电容器出现熔丝熔断情况，且每个电容器有一根熔丝熔断，计算每个元件的过电压的方法如上所述，此时计算得到的最大过电压为1.0494*U_N。显然该过电压没有2根熔断的熔丝在同一个电容器内的过电压大。

同理可得电容器组中多根熔丝熔断的元件过电压倍数，取多个元件中承受的最大过电压值作为该种情况时的元件过电压倍数。通过对内熔丝熔断根数与电容量、元件过电压倍数的分析可得出下表3所示的关系。

表3内熔丝熔断根数与电容值以及完好元件过电压倍数的关系

内熔丝熔断根数	1	2	3	4	5
						熔断后的电容值	97.67%	95.12%	92.31%	89.19%	85.71%
完好元件过电压倍数	1.048	1.1007	1.1592	1.2241	1.2968

通过表3可以看出，当电容器的电容量减少为95%（达到报警标准）时的电容器内完好元件所承受的过电压已达到额定电压的1.1007倍，此时需对电容器进行更换。

本发明通过对内熔丝电容器熔丝熔断后完好元件上承受的过电压倍数来判断电容器的运行状态。非常实用。

Claims (3)

1.一种并联电容器绝缘状态诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对并联补偿电容器组中的电容器的电压进行测量，从而确定存在故障电容的单个电容器的位置； 

步骤2、确定故障电容器承受的最大过电压阈值；

步骤3、判断实际测量的电压值是否高于故障电容器承受的最大过电压阈值，如果高于，则更换电容器，否则不处理。

2.根据权利要求1所述的并联电容器绝缘状态诊断方法，其特征在于，步骤1中确定故障电容的位置的方法具体为：实时测量电容器元件的电压值，当该电容器元件的电压值升高，并且升高后的电压值大于其常态电压的1.048倍时，该电容器即为故障电容器。

3.根据权利要求1所述的并联电容器绝缘状态诊断方法，其特征在于，步骤2中所述的最大过电压值为：电容器的电容量减少为原电容量的95%时电容器内完好元件所承受的过电压阈值。

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