CN109449948A - 一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法，包括以下步骤：对并联电容器组中各电容器单元的电流进行监测，将各电容器单元的电流发送至数据中心，根据采集的各电容器单元的电流数据以及预先建立的数学分析模型得出差流，与不同程度故障对应的额定差流值进行比较，判断内部元件故障严重程度，同时，与差流整定值进行对比，当超出整定值时，发出报警信号；通过监测差流，兼顾了故障预警装置的可靠性和灵敏度，并能够反映内部元件故障程度，另外，增加差流初始化功能，剔除了因电容量出厂值不同造成的初始误差，进一步提高了报警的准确性，防止出现误报和漏报现象，减少不必要的人力物力的浪费。

Description

一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法

技术领域

本发明涉及在线监测领域，特别涉及一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法。

背景技术

并联电容器成套装置广泛应用于电力系统的无功功率补偿，一般安装在变电站内采用集中补偿。随着电网规模的日益扩大和负荷需求的不断增加，系统对其电压及无功的调节越来越频繁，并联电容器成套装置的安全运行对于整个电力系统的无功功率平衡、供电电压稳定起着非常重要的作用。

并联电容器成套装置包括并联电容器组、串联电抗器、放电线圈、避雷器、隔离开关、接地刀闸等电气设备(图3、图4)，采用硬质铜排相互连接，经高压电缆接入主电网。其中，并联电容器组通常采用框架式结构，每相由多台电容器单元并联组成，每台电容器单元内部包含若干个电容元件(图1、图2)。通常情况下，每台电容器单元及其内部每个元件承担的电压、电流是均衡的，当某台电容器单元某个电容元件因质量不佳、绝缘老化、不良工况等原因发生故障后，其余正常元件及正常电容器单元承担的电压、电流将高于原值，从而使正常元件及电容器单元更易发生故障，进而造成连锁反应，当故障持续发展并严重到一定程度时，整组电容器将在运维检修人员没有预知的情况下被强制切除，引发无功失衡及电压波动，影响电网供电质量，对诸如精密制造、化纤加弹等供电质量敏感客户的正常生产造成不利影响。

此外，当电容器单元内部故障累计到一定程度后，其外在表现形式往往趋于猛烈，甚至发生爆炸、起火等严重事故，其他正常电容器单元可能会因受冲击而损坏，从而扩大了事故的范围，增加了抢修耗时及修理费用。

因此，通过对并联电容器组进行在线监测，在故障早期阶段(电容器单元内部少量元件故障，但严重程度尚不足以引发整组设备被强制切除)，及时识别并发出故障，有利于技术人员开展计划性检修，一方面能够提前采取预防措施(如改变电网运行方式、接入备用电容器组、敏感客户电压波动预警等)，减少对用户供电质量和安全生产的影响，另一方面能够将电容器组故障程度控制在较小范围内，防止事故扩大化，从而降低更新改造的费用。

单台电容器内部少量元件故障时，最直接的表现是电容量的瞬间增大或减小(表10、表11)，并进而导致其余状态量发生变化，然而，故障早期阶段，由于电容量变化较小，各类状态量的变化情况并不明显。与此同时，电网电压、谐波、温度的波动同样有可能导致包括电容量在内的各状态量在一定区间内变化，如何排除干扰、确认该变化系电容器故障导致，进而防止误报警或漏报警，一直是并联电容器早期故障预警的难点。

现有的各类预警方法往往是基于每台电容器电容值均为额定值的理想条件，根据其内部元件故障时，各状态量的变化情况进行预测，然而，由于在计算过程中未考虑各电容器单元存在的出厂偏差，以及运行条件对电容值的影响，或是无法排除干扰因素，在外界条件波动而电容器正常运行时误报警，或是为了躲开该波动，人为提高报警阈值，造成早期故障漏报警，从而无法兼顾可靠性和灵敏度，造成不必要的人力和物力浪费。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于克服现有技术的不足之处，公开了一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法，包括以下步骤：

对并联电容器组中各电容器单元的电流进行监测，将各电容器单元的电流发送至数据中心，根据采集的各电容器单元的电流数据以及预先建立的数学分析模型得出差流，分别与不同程度故障对应的额定差流值进行比较，判断故障电容器单元编号及其内部元件故障程度，同时，与差流整定值进行对比，当超出整定值时，发出早期故障预警信号。

并联电容器组包含3×M×N台并联电容器单元，其中，N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数，每相包含M×N台并联电容器单元，差流的数学模型为

ΔI_{A_i,j}＝|I_Ai-I_Aj-ΔI_{A0_i,j}|

ΔI_{B_i,j}＝|I_Bi-I_Bj-ΔI_{B0_i,j}|

ΔI_{C_i,j}＝|I_Ci-I_Cj-ΔI_{C0_i,j}|

其中，1≤i≤(M×N),j＝i+1(特别的，当i是M的整数倍即i＝M、 M×2、……M×N时，j＝i+1-M),I_Ai、I_Bi、I_Ci分别为流经A、B、C相第i 台电容器单元的电流，I_Aj、I_Bj、I_Cj分别为流经A、B、C相第j台电容器单元的电流，ΔI_{A0_i,j}、ΔI_{B0_i,j}、ΔI_{C0_i,j}分别为初始差流。

进一步地，还包括差流初始化功能，即在每次重启装置后，将首次测得的差流作为初始值，保存在配置文件中，所有后续的差流值均在装置实测值的基础上减去该初始值，从而消除因电容器单元出厂电容量不一致带来的初始误差，提高早期故障的检测灵敏度。

进一步地，还包括采样周期和报警延时期，每个采样周期对设备状态量进行一次更新测试，当某次测得的故障单元差流超出差流整定值时，启动报警延时，并通过差流的数学模型计算报警延时期内的差流，如果在报警延时期内始终超出差流整定值，则发出报警；若延时期间低于差流整定值，则解除锁定，直至差流再次超出差流整定值，重新启动报警延时，从而剔除单次测量误差或偶发外界干扰对判别结果的影响，实现了对故障单元差流的复检，提高了装置的可靠性和准确性，防止出现误报警和漏报警现象。

进一步地，通过将差流与不同程度故障对应的额定差流值进行比较，判断电容器单元内部元件的故障程度，当差流值与额定差流值之间的相对误差小于10％时，判断电容器单元内部元件发生了对应该严重程度的故障。

进一步地，通过比较同一时刻的多个差流值，还可以判断故障电容器单元的编号，具体地，若A相差流ΔI_{A_t-1,t}与ΔI_{A_t,t+1}，相对于其他差流值同时显著增大时，可判断A相第t台电容器单元发生了内部元件故障，B、C 相同理。

进一步地，采样周期和报警延时期可更改，采样周期的设定范围为0.2 秒～10秒，报警延时期的设定范围为1秒～60秒。

本发明取得的有益效果：

差流以同相同一时刻流经相邻两台电容器单元的电流差作为判别依据，能够排除电网电压、谐波、温度等共性干扰对判别结果的影响，提高了在线监测的可靠性。

同时，由于具有差流初始化功能，消除了因电容器单元出厂电容量不一致带来的初始误差，有利于发现并识别早期故障，提高了检测的灵敏度，并通过设置报警延时期，实现了对故障单元差流的复检，避免了误报警和漏报警，同时满足了并联电容器早期故障预警装置要求的可靠性和灵敏度，提高了报警的准确性，减少了不必要的人力和物力浪费。

附图说明

图1为无内熔丝电容器单元内部连接示意图；

图2为有内熔丝电容器单元内部连接示意图；

图3为并联电容器成套装置接线图；

图4为并联电容器成套装置另一类型接线图；

图5为差流采样示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

定义：故障单元差流为测得的故障电容器单元的差流。

本发明的一种并联电容检测方法，包括以下步骤：

1)对并联电容器组中流经各电容器单元的电流进行监测，通常使用电流传感器直接连接入电路中进行测量；如图5所示。

2)对并联电容器组中各电容器单元的电流进行监测，将各电容器单元的电流发送至数据中心，根据采集的各电容器单元的电流数据以及预先建立的数学分析模型得出差流，分别与不同程度故障对应的额定差流值进行比较，判断故障电容器单元编号及其内部元件故障程度，同时，与差流整定值进行对比，当超出整定值时，发出早期故障预警信号。

并联电容器组包含3×M×N台并联电容器单元，如图1-2所示，其中， N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数，每相包含M×N台并联电容器单元，差流的数学模型为

ΔI_{A_i,j}＝|I_Ai-I_Aj-ΔI_{A0_i,j}|

ΔI_{B_i,j}＝|I_Bi-I_Bj-ΔI_{B0_i,j}|

ΔI_{C_i,j}＝|I_Ci-I_Cj-ΔI_{C0_i,j}|

其中，1≤i≤(M×N),j＝i+1(特别的，当i是M的整数倍即i＝M、 M×2、……M×N时，j＝i+1-M),I_Ai、I_Bi、I_Ci分别为流经A、B、C相第i 台电容器单元的电流，I_Aj、I_Bj、I_Cj分别为流经A、B、C相第j台电容器单元的电流，ΔI_{A0_i,j}、ΔI_{B0_i,j}、ΔI_{C0_i,j}分别为初始差流。

为了消除因电容器单元出厂电容量不一致带来的初始误差，提高早期故障的检测灵敏度，进行差流初始化，即在每次重启装置后，将首次测得的差流作为初始值，保存在配置文件中，所有后续的差流值均在装置实测值的基础上减去该初始值。

为了提高预警的可靠性和准确性，防止出现误报警和漏报警现象，还包括采样周期和报警延时期，每个采样周期对设备状态量进行一次更新测试，当某次测得的故障单元差流超出差流整定值时，启动报警延时，并通过差流的数学模型计算报警延时期内的差流，如果在报警延时期内始终超出差流整定值，则发出报警；若延时期间低于差流整定值，则解除锁定，直至差流再次超出差流整定值，重新启动报警延时，从而剔除单次测量误差或偶发外界干扰对判别结果的影响，实现对差流的复检。其中，采样周期和报警延时期可更改，采样周期的设定范围为0.2秒～10秒，报警延时期的设定范围为1秒～60秒。

通过将差流与不同程度故障对应的额定差流值进行比较，判断电容器单元内部元件的故障程度，当差流值与某个额定差流值之间的相对误差小于10％时，判断电容器单元内部元件发生了对应该严重程度的故障。

通过比较同相同一时刻的多个差流值，判断故障电容器单元的编号，具体地，若A相差流ΔI_{A_t-1,t}与ΔI_{A_t,t+1}，相对于其他差流值同时显著增大时，可判断A相第t台电容器单元发生了内部元件故障，B、C相同理。

在一具体实施例中，设定采样周期为5秒，报警延时期为30秒，电流每5秒测量一次，首次开机或重启装置后，测试得到差流ΔI_{A0_i,j}、ΔI_{B0_i,j}、ΔI_{C0_i,j}，其中1≤i≤(M×N),j＝i+1(特别的，当i是M的整数倍即i＝M、 M×2、……M×N时，j＝i+1-M),在配置文件中保存该3×M×N个值作为初始值。第二次采样，根据预先建立的数学分析模型，实测差流减去差流初始值，消除因电容器单元出厂电容量不一致带来的初始误差，如电容器单元未发生内部元件故障，ΔI_{A_i,j}、ΔI_{B_i,j}、ΔI_{C_i,j}近乎为零。

当A相第t台电容器单元内部元件故障后，该电容器单元电容量突变，流经该故障电容器单元的电流I_At突变，导致故障单元差流ΔI_{A_t-1,t}与ΔI_{A_t,t+1}同时显著增大，其余差流依然近乎为零，若故障单元差流超过差流整定值，报警延时开启，如果在30秒的报警延时期内，每次采样计算得出的同一故障单元差流均超出差流整定值，则判定A相第t台电容器单元内部元件故障，将故障单元差流与不同程度故障对应的额定差流值进行比较，当与某个额定差流值的相对误差小于10％时，判定A相第t台电容器单元内部元件发生了对应该严重程度的故障，发出报警信号。

如果在报警延时期内某次采样得出的故障差流低于差流整定值，则不发出报警，重新进入监测，直至下次满足报警条件时重新计时。以前述过程为例，假如第5次采样时得出故障差流小于差流整定值，则不发出报警，重新进入检测，直至下次某故障单元差流超出差流整定值，重新开启报警延时。

通过设置报警延时期，能够剔除单次测量误差或偶发外界干扰对判别结果的影响，实现对故障单元差流的复检，提高了装置的可靠性和准确性，防止出现误报警和漏报警现象。

根据内部结构的不同，电容器单元分为有内熔丝和无内熔丝两种形式，其中，有内熔丝电容器单元内部故障时造成的电容量相对变化更小，其故障检测和识别难度也更高，为了充分体现本方法在故障检测可靠性和灵敏度方面的优点，以下以某变电站10kV并联电容器成套装置(有内熔丝) 为例作详细说明，该成套装置如图3-4所示，图3为电抗器位于中性点侧的并联电容器成套装置接线图，图4为电抗器位于电源侧的并联电容器成套装置接线图，其中，QS为隔离开关，QE为接地刀闸，F为避雷器，FU 为外熔断器(如配置)，TV为放电线圈，C为并联电容器组，L为串联电抗器该成套装置各主要设备参数如表1所示。

表1某变电站10kV并联电容器成套装置主要设备参数

该并联电容器成套装置中，并联电容器组由12台电容器单元构成(每相4台)，各电容器单元的初始电容值如表2所示，例如，B相#4号电容器单元(简称B4电容器单元或B4)的初始电容值为31.44uF。

表2并联电容器组各电容器单元初始电容值(单位：uF)

根据电容器单元不同程度故障时的电容量变化情况，不同程度故障时对应的额定差流分别如表3所示，差流整定值设定为2.2A。

表3电容器单元不同程度故障时的额定差流值

	切除1个元件	切除2个元件	切除3个元件	切除4个元件	切除5个元件
						电容量变化系数	0.960	0.913	0.857	0.789	0.706
额定差流(A)	2.52	5.48	9.01	13.29	18.52

投入电网后，启动在线监测装置，当三相母线电压均为额定电压时，各电容器单元承受的电压(简称端电压)、电流(简称台电流)及初始差流如表4所示。

表4并联电容器组投入电网后的初始差流值

以下分四种情形，分别展示该方法识别早期故障的灵敏度以及排除外界干扰的可靠性。

情形1：母线电压无波动，电容器单元外壳温度与投运时相同，电容器单元未发生故障时，经差流初始化，所有差流均为零，当某台电容器单元内部切除1个元件时，故障电容器单元电容量、端电压、台电流及差流如表5所示，电压无波动，外壳温度25℃。故障前后的差流值呈显著差异，易于识别，检测灵敏度高，可及时发现早期故障。

表5 A1～C4分别切除1个内部元件时的差流值

以A1故障为例，发生故障后，与A1电容器单元有关的差流ΔI_{A_1,2}将突变为2.551A、ΔI_{A_4,1}差将突变为2.552A，其余与A1电容器单元无关的差流在0.000～0.002A不等，对照表3，判定故障电容器单元为A1，并且故障程度为内部切除1个元件。同时，由于差流值超过整定值(2.2A)，发出早期故障预警信号。

情形2：周围环境温度与投运时相当，电容器单元无故障，并联电容器组所在的电网母线电压值在国家标准允许的±7％系统标称电压范围内波动，例如，当三相母线电压分别为5617.8V、5780.9V和5782.7V(相对标称电压波动幅度分别为-2.7％、+0.1％和+0.2％)时，端电压、台电流及差流的变化情况如表6所示，产生的最大差流仅为0.059A，远小于差流整定值，不会引发误报警。

表6母线电压波动造成的差流值

进一步地，随机改变母线电压波动情况10000次，所能产生的最大差流如表7所示，所有差流值均不超过0.15A，远小于差流整定值，不会引发误报警，该方法能够有效排除因电压波动对故障判断结果的影响，具有很强的抗干扰性，进一步地，由于电网谐波的影响机理与电压波动相似，并且其绝对值远小于基波值，造成的影响更小，该方法对于电网谐波同样具有很好的抗干扰性能。

表7随机改变母线电压所能造成的最大差流

情形3：周围环境温度与投运时明显不同，电容器单元无故障，并联电容器单元外壳温度在-25℃～55℃波动(相应地，其电容值相对于初始值的最大变化幅度为±2％)，同一时刻不同电容器单元外壳温度各不相同，但温差不超过15K。当电容器单元外壳温度分别处于-25℃～-10℃、-10℃～5℃、5℃～20℃、20℃～35℃、35℃～50℃、50℃～65℃温度区间时，所能造成的最大差流如表8所示。所有差流值均不超过0.5A，远小于差流整定值，不会引发误报警，该方法能够有效排除因季节温差、昼夜温差、散热条件、温升特性等因素造成电容器单元电容量漂移对故障判断结果的影响，具有较强的抗干扰性。

表8电容器外壳温度差异所能造成的最大差流

序号	电容器外壳温度	电容值变化幅度	最大差流(A)
				1	-25℃～-10℃	+1.3％～+2.0％	0.431
2	-10℃～5℃	+0.7％～+1.3％	0.315
				3	5℃～20℃	0～+0.7％	0.205
4	20℃～35℃	-0.7％～0	0.382
				5	35℃～50℃	-1.3％～-0.7％	0.357
6	50℃～65℃	-2.0％～-1.3％	0.383

情形4：电容器单元内部切除1个元件，周围环境温度与投运时明显不同，并且并联电容器组所在的电网母线电压值在国家标准允许的±7％标称电压范围内波动。以电容器单元外壳温度分别为35℃～50℃不等，母线电压相对电网标称电压的波动幅度分别取组合1(5.8％、1.9％、-5.6％)、组合2(6.5％、-4.8％、6.6％)、组合3(6.4％、-0.2％、4.2％)、组合4(-5.0％、 -1.1％、5.8％)、组合5(4.1％、6.4％、2.2％)、组合6(-6.5％、4.9％、6.1％)为例，A1～C4电容器单元分别切除1个内部元件时的故障差流取值范围如表9所示，母线电压±7％波动，外壳温度35～50℃不等。即便在最不利条件下，故障差流仍然显著高于非故障差流，易于识别早期故障的发生，并且，由于外界干扰造成的故障差流偏差不超过10％，将故障差流值与额定差流进行比较，依然能够识别故障电容器单元编号及其故障程度。此外，通过设置合理的整定值(如85％额定差流值)，配合报警延时期，既不会因外界干扰造成误报警，也不会因启动值过大造成漏报警，能够很好地兼顾灵敏度与可靠性。

表9 A1～C4分别切除1个内部元件时的差流范围

表10无内熔丝电容器单元不同程度故障时的电容量变化情况

表11有内熔丝电容器单元不同程度故障时的电容量变化情况

本发明取得的有益效果：

差流以同相同一时刻流经相邻两台电容器单元的电流差作为判别依据，能够排除电网电压、谐波、温度等共性干扰对判别结果的影响，提高了在线监测的可靠性。

同时，由于具有差流初始化功能，消除了因电容器单元出厂电容量不一致带来的初始误差，有利于发现并识别早期故障，提高了检测的灵敏度，并通过设置报警延时期，实现了对故障单元差流的复检，避免了误报警和漏报警，同时满足了并联电容器早期故障预警装置要求的可靠性和灵敏度，提高了报警的准确性，减少了不必要的人力和物力浪费。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法，包括以下步骤：

对并联电容器组中各电容器单元的电流进行监测，将各电容器单元的电流发送至数据中心，根据采集的各电容器单元的电流数据以及预先建立的数学分析模型得出差流，与不同程度故障对应的额定差流值进行比较，判断故障电容器单元编号及其内部元件故障程度，同时，与差流整定值进行对比，当超出整定值时，发出早期故障预警信号。

并联电容器组包含3×M×N台并联电容器单元，其中，N为每相串联段数，M为每个串联段并联电容器台数，每相包含M×N台并联电容器单元，差流的数学模型为

ΔI_{A_i,j}＝|I_Ai-I_Aj-ΔI_{A0_i,j}|

ΔI_{B_i,j}＝|I_Bi-I_Bj-ΔI_{B0_i,j}|

ΔI_{C_i,j}＝|I_Ci-I_Cj-ΔI_{C0_i,j}|

其中，1≤i≤(M×N),j＝i+1(特别的，当i是M的整数倍即i＝M、M×2、……M×N时，j＝i+1-M),I_Ai、I_Bi、I_Ci分别为流经A、B、C相第i台电容器单元的电流，I_Aj、I_Bj、I_Cj分别为流经A、B、C相第j台电容器单元的电流，ΔI_{A0_i,j}、ΔI_{B0_i,j}、ΔI_{C0_i,j}分别为初始差流。

2.根据权利要求1所述的一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，还包括差流初始化功能，即在每次重启装置后，将首次测得的差流作为初始值，保存在配置文件中，所有后续的差流值均在装置实测值的基础上减去该初始值。

3.根据权利要求1所述的一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，还包括采样周期和报警延时期，每个采样周期对设备状态量进行一次更新测试，当超出差流整定值时，启动报警延时，并通过差流的数学模型计算报警延时期内的差流，如果在报警延时期内始终超出差流整定值，则发出报警；若延时期间低于差流整定值，则解除锁定，直至差流再次超出差流整定值，重新启动报警延时。

4.根据权利要求1所述的一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，通过将差流与不同程度故障对应的额定差流值进行比较，判断电容器单元内部元件的故障程度，当差流值与额定差流值之间的相对误差小于10％时，判断电容器单元内部元件发生了对应该严重程度的故障。

5.根据权利要求1所述的一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，通过比较同一时刻的多个差流值，判断故障电容器单元的编号。

6.根据权利要求3或4所述的一种基于差流的并联电容器组早期故障预警方法，其特征在于，所述采样周期和报警延时期可更改，采样周期的设定范围为0.2秒～10秒，报警延时期的设定范围为1秒～60秒。