CN116859186A - 一种电容器击穿故障实时监测系统和实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种电容器击穿故障实时监测系统和实时监测方法，方法包括以下步骤：步骤1.设定监测频率；步骤2.根据监测频率获取电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器采集的数据；电流互感器用于测量经过电容器桥臂的电流值，包括支路电流和经过高压端全部的电容器桥臂的不平衡电流；红外温度传感器用于检测桥臂上的电容器温度特性的变化，获得电容器温度变化值；超声波局部放电传感器用于检测桥臂上的电容器伴随着局部放电信号是否存在；步骤3.判断出故障区域；随后判断出击穿电容器的位置。本发明可以实时监测高压电力电容器组，并且实时识别是否在高压电力电容器组中出现电容器被击穿情况。
Description
技术领域
本发明属于电力自动化技术领域，具体涉及一种电容器击穿故障实时监测系统和实时监测方法。
背景技术
在现代的电力系统中，稳定的电网运行对于经济的发展和生活质量的保证都是非常重要的，并且无功功率的补偿对于电网稳定运行，电压的支撑是息息相关的。高压电力电容器作为无功功率补偿的主要设备，是电力系统中重要的元件，在电网中被大量的运用。
高压电力电容器在无功功率补偿中占整个补偿装置的首位，对于电力系统安全稳定的供电是有着极其重要的作用的。若无功电源容量不足将会导致系统电路电压降低电流增大，引起线路电流超过额定电流，以至损坏电气设备，供电能力降低，增加功率损耗，减小输电效率，甚至还会造成电路电压的崩溃，最后破坏系统从而造成大范围的停电，因此需要对系统进行电压及无功的调节，避免不良后果的产生。电力系统一般在总降压变电所或者配电所中安装高压电力电容器组。在实际情况中可根据需要对若干电容器串、并联组成，容量可大可小，实现无功功率就地补偿，且可分相补偿，可随时分组投切。此外，改变容量方便，还可以根据需要分散拆迁到其他地点，运行灵活，维护方便。这就可以达到提高电路功率因数、节约电能降低输电线路损耗以及提高供电电压质量的目的。
由此可知，高压电容器组的分布安装位置都十分灵活，但高压电力电容器是满载运行设备，额定电流较大，长时间运行会导致电容元件的老化，老化电容器油的绝缘电阻会不断增加，这使得绝缘油过热分解产生大量的气体使箱壁塑性变形，另一方面油箱随有的温度变化而发生膨胀，形成明显的鼓肚现象。发生鼓肚的电容器已经不能修复需要及时更换，否则将导致单台电容器发生爆炸甚至是群爆，给电网安全运行造成影响，同时高压电力电容器还要承受操作过电压及系统内谐波成份的影响，造成设备缺陷率较高。高压电力电容器在长期运行中，由于缺陷、故障较多。并且重要的变电站中会有很多高压电力电容器组，且价格昂贵，因此出现很多电容器组损坏，需要及时发现并且补修。
然而目前电网在用于无功功率补偿的高压电力电容器检修运行方式无法有效实现提前预判设备故障，当前能做到的只有对高压电力电容器组的电流、电压、温度、介质损耗等参量进行监测。但是却不能精确找出在高压电力电容器组中具体哪一个高压电力电容器出现故障或者是隐患，极有可能导致高压电力电容器出现损坏。以致易出现单台电容器故障出现不平衡状态，导致扩大为整组故障，存在较大的设备安全运行隐患，影响了无功电压的就地支撑能力。对电力系统的安全经济运行构成隐患，也威胁到了运行维护人员的人身安全。
由于电容器内部结构复杂，不便解体修复，且故障出现比较频繁，所以电力电容器故障处理起来比较棘手。电力电容器的损坏与电网运行、现场环境、自身质量均有密切联系，其影响损坏因素多、组合变化复杂，一直是研究电力电容器损坏机理和故障诊断所面临的难题。同时电容器组的本身质量问题及频繁投切冲击导致故障时有发生。高压电容器组大多数采用差动电压原理进行保护，在发生差动电压保护动作后现场进行检查耗时耗力，且由于检查现场试验的电压较低，导致无法还原运行的工况导致无法准确查找到故障原因，送电后再次跳闸的情况时有发生，给系统的安全稳定运行带来了隐患。
目前对于高压电力电容器在线监测并没有较好的装置应用于现场，而且现有的在线监测装置仅局限于单一状态量的获取和监测并且现场的电容器数量非常多，现有的技术也不能对多个电容器的多个状态量进行同时的获取和监测。由于电气设备的故障类型多种多样，不同的状态量所反映的故障类型有所差别，因此需要同时提取出各种各样能够反映设备问题的最敏感的一些电气量，并且将这些电气量能够远程的发送到后台，使得后台能够随时的调度监控高压电力电容器的状态，并且可以记录高压电力电容器出现故障的原因、频率、状态等不正常的数据。
目前大部分电容器性设备的故障诊断，只是诊断由于温度过高造成的故障、介质损耗造成的故障、局部放电造成的故障，这些因素导致的故障与击穿的故障所产生的影响是不同的，对于高压电力电容器的击穿故障的诊断和具体哪个高压电容器被击穿造成故障的研究是极少的。不能在高压电力电容器组中精确找出具体哪一个高压电力电容器出现故障或者是隐患，极有可能导致高压电力电容器出现损坏。以致易出现单台电容器故障出现不平衡状态，导致扩大为整组故障，存在较大的设备安全运行隐患，并且高压电容器组因击穿故障跳闸发生差动电压保护动作后现场进行检查耗时耗力，送电后再次跳闸的情况时有发生，给系统的安全稳定运行带来了隐患。因此对电容器组识别击穿故障并能够精确找到故障的电容器是非常有必要的。
因此，亟需一种电容器击穿故障实时监测系统和实时监测方法，不仅能够对高压电力电容器组进行监控和记录数据，还能对高压电力电容器击穿故障进行识别和检测，并对其故障电容进行标识，精确的找到损坏的电容器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电容器击穿故障实时监测系统和实时监测方法，可以实时监测高压电力电容器组的温度、电流、局放等参量的状态，并且将数据用于实时识别是否在高压电力电容器组中出现电容器元件被击穿情况，对被有击穿的电容器进行标识。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电容器击穿故障实时监测实时监测系统，包括电容器组、中央处理器模块、外部存储器模块、数据采集模块、电源模块、人机交互模块、电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器；
所述电容器组包括若干个电容器；
电流互感器用于测量经过电容器桥臂的电流值，包括经过低压端所有的电容器桥臂支路的支路电流和经过高压端全部的电容器桥臂的不平衡电流；
所述红外温度传感器用于检测桥臂上的电容器温度特性的变化，获得电容器温度变化值；
所述超声波局部放电传感器用于检测桥臂上的电容器伴随着局部放电信号是否存在；
所述人机交互模块用于设置监测频率；还用于查看所有数据；
所述数据采集模块用于根据监测频率获取电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器采集的数据；
所述外部存储器模块用于存储获取击穿电容器的位置的程序和所有数据；
所述中央处理器模块用于调取外部存储器模块的程序，该程序根据支路电流和不平衡电流计算出不平衡电流相对值和低压端电流相对值后判断出故障区域；所述故障区域为出现故障的桥臂；随后根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置。
特别的，外部存储器模块包括SDRAM、FLASH。
特别的，所述中央处理器模块采用32位嵌入式处理器STM32F407。
特别的，所述数据采集模块采用AD7656芯片。
特别的，还包括信号调理模块，所述信号调理模块用于进行电压调理和电流调理；信号调理模块采用AD8032芯片。
特别的，所述人机交互模块采用触摸LCD屏。
特别的，所述电容器组采用H桥接线方式。
特别的，判断出故障区域的具体方法为：建立故障区域对照表；所述故障区域对照表包括不平衡电流相对值的变化趋势、低压端电流相对值的变化趋势及经过计算总结获得的故障区域；根据监测频率获得不平衡电流相对值及低压端电流相对值前后变化值比对故障区域对照表获得故障区域。
特别的，根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置的具体方法为：设定温度阈值；计算阻性电流改变前后的桥臂上的电容器温度差，若电容器温度差为正且电容器温度差与阻性电流改变前的桥臂上的电容器温度的比值大于温度阈值且该桥臂上的电容器存在局部放电信号，则可判断该电容器击穿。
一种电容器击穿故障实时监测方法包括以下步骤：
步骤1.设定监测频率；
步骤2.根据监测频率获取电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器采集的数据；电流互感器用于测量经过电容器桥臂的电流值，包括经过低压端所有的电容器桥臂支路的支路电流和经过高压端全部的电容器桥臂的不平衡电流；红外温度传感器用于检测桥臂上的电容器温度特性的变化，获得电容器温度变化值；超声波局部放电传感器用于检测桥臂上的电容器伴随着局部放电信号是否存在；
步骤3.根据支路电流和不平衡电流计算出不平衡电流相对值和低压端电流相对值后判断出故障区域；所述故障区域为出现故障的桥臂；随后根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置。
本发明在高压电力电容器组中对整组多个单体电容器进行温度、局放、阻性电流等多个参量的在线监测，并且通过结合多个参数的状态对故障电容器进行识别，找出处在故障电容器的具体位置并进行标记，避免即使电容器组出现了故障却找不到具体的故障电容器而导致需要停电检修的困难。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明可以对多个单体电容器进行谐波、温度、局放、阻性电流等多个参量的在线监测，并且这些监测的数据可以用于判断和预测电容器的当前状态。将这些监测的数据无线发送到后台，供后台的监控系统所用；
2.本发明的装置可以对谐波、温度、局放、阻性电流进行在线监测，与此同时利用这些监测数据判断电容器的状态，并且通过结合基于相对电流检测的方法，对电容器元件击穿故障进行识别，并融合多参数的情况对故障电容器进行识别，找出处在故障电容器的具体位置。避免出现由于无法找到故障原因，送电后再次跳闸的情况，给系统安全稳定带来隐患；
3.本发明的装置是可以在入网的高压电容器中直接安装使用，便捷可靠。对多个单体电容器同时进行在线监测，不需要对现有的电网中作为无功补偿的电容器更改连接方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例的系统的工作原理图；
图2为本发明实施例设定、运用监测频率的流程图。
图3为本发明实施例采用H桥接线方式的电路图。
图4为本发明实施例的方法的流程图。
图5为本发明实施例告警装置进行告警的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种电容器击穿故障实时监测系统，包括电容器组、中央处理器模块、外部存储器模块、数据采集模块、电源模块、人机交互模块、电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器、信号调理模块和告警装置。
电容器组包括若干个电容器。
电流互感器用于测量经过电容器桥臂的电流值，包括经过低压端所有的电容器桥臂支路的支路电流和经过高压端全部的电容器桥臂的不平衡电流。如图3所示，电容器组采用H桥接线方式。H桥低压端两个电流互感器可以取得两个支路电流I3和I4的值，在故障发生时，可以根据对低压端支路电流I3、I4和不平衡电流IUn的分析计算，捕捉到相对电流值的阶跃变化，将故障位置精确至H桥1/4区域。
检测3个电流值，分别为不平衡电流IUn、低压端支路电流I3和低压端支路电流I4，通过这3个值可以得到两个相对电流值，分别为不平衡电流相对值IUn/I3，低压端电流相对值(I4-I3)/I3，观察这两个电流相对值的阶跃变化可以识别出击穿故障的位置。不平衡电流相对值为
低压端电流相对值为
当某一个桥臂出现容量损失时，Iunpu和IOpu会发生阶跃变化，故障发生的区域可以由这两个值的阶跃变化确定。下面对故障区域与相对电流值阶跃变化的关系做出分析。当IOpu的值不变时，说明C3和C4桥臂运行正常，此时监测Iunpu的阶跃变化。如Iunpu值增大，则故障为C2电容值减小，即C2桥臂有电容器元件被隔离；如Iunpu值减小，则故障为C1电容值减小，即C1桥臂有电容器元件被隔离。当IOpu的值改变时，说明C3或C4桥臂出现故障。如果IOpu值变大，说明C3电容值减小，故障发生在C3桥臂，此时伴随Iunpu值增大；如果IOpu值变小，说明C4电容值减小，则故障发生在C4桥臂，此时伴随Iunpu值减小。按照上述推理，创建将故障区域与Iunpu、IOpu的关系总结见表1，即故障区域对照表。
表1故障区域对照表
红外温度传感器用于检测桥臂上的电容器温度特性的变化，获得电容器温度变化值；
超声波局部放电传感器用于检测桥臂上的电容器伴随着局部放电信号是否存在；
数据采集模块用于根据监测频率获取电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器采集的数据。流过电力电容器的电压和电流是一种连续变化的模拟信号，所以在A/D采集之前先需要信号进行一定的调整，使其信号幅值满足后续A/D采样电路的要求，A/D转换电路将经前级调理得到的满足ADC芯片的模拟电流、电压信号转换为数字量，从而为计算机进行数据处理提供数据。利用16位高速AD对电压电流进行实时同步采样，本系统由AD7656芯片完成数据采集工作，其工作方式是同步串行工作，并利用了STM32-F407硬件的SPI接口控制芯片的时序，实现对电压电流模拟信号的数字化采集。
人机交互模块用于设置监测频率；还用于查看所有数据；如图2所示，本系统由AD7656芯片完成数据采集工作，其工作方式是同步串行工作，并利用了STMF407硬件的SPI接口控制芯片的时序，实现对电压电流模拟信号的数字化采集。采用定时器中断方式实现定时控制，采用的固定采样频率fs，也就说每隔1/fs(秒)就开启一次AD转换。定时时间为1/fs，每隔1/fs进入一次中断，在中断函数中开启AD转换。首先是定时器的初始化，接着AD、SPI初始化，然后启动定时器，进入中断后开启AD进行采样，存储数据，完成数据的采集。人机交互模块采用触摸LCD屏。选用的触摸LCD屏是基于点阵显示的图形点阵液晶显示模块器件，可用于在系统中显示数字、中文、字符以及图形等并且通过触摸来控制系统做出相应的操作。触摸LCD屏作为系统的输出设备，主要是用于反馈系统的工作状态，并给用户直观的信息，用户可以根据显示的信息进行相应的操作。
外部存储器模块用于存储获取击穿电容器的位置的程序和所有数据；外部存储器模块包括SDRAM、FLASH。SDRAM具有存取速度快，数据吞吐率大、成本低的特点，还具有读/写的属性，所以被广泛应用于微处理系统中。因此，SDRAM主要用来存放执行代码和变量，在系统中用作程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，微处理器首先从复位地址0x00处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度。系统中还需要具有掉电保持数据特性的存储器来存储程序和数据，并完成历史电压、电流波形的记录存储功能，我们选用了一种可以在系统中进行电擦写的Flash存储芯片。Flash属于非易失内存，掉电后数据信息不会丢失，可以分扇区的在系统中编程，具有擦写速度快、存储密度高、功耗低、价格相对便宜的特点，适合于应用在大容量的数据存储介质中。我们可以使用系统内部的程序来完成对于芯片的操作，操作简便。
中央处理器模块用于调取外部存储器模块的程序，该程序根据支路电流和不平衡电流计算出不平衡电流相对值和低压端电流相对值后判断出故障区域。故障区域为出现故障的桥臂；随后根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置。中央处理器模块采用32位嵌入式处理器STM32F407。
判断出故障区域的具体方法为：建立如表1所示的故障区域对照表。故障区域对照表包括不平衡电流相对值的变化趋势、低压端电流相对值的变化趋势及经过计算总结获得的故障区域；根据监测频率获得不平衡电流相对值及低压端电流相对值前后变化值比对故障区域对照表获得故障区域。
根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置的具体方法为：设定温度阈值；计算阻性电流改变前后的桥臂上的电容器温度差，若电容器温度差为正且电容器温度差与阻性电流改变前的桥臂上的电容器温度的比值大于温度阈值且该桥臂上的电容器存在局部放电信号，则可判断该电容器击穿。
通过检测相对电流的变化情况后，找出相关桥臂出现的故障，通过对这一桥臂的温度和局部放电的监测，检测这一桥臂上的电容器温度特性的变化，在阻性电流改变前，温度为Tf。阻性电流改变后，温度为Tb，该桥臂上的电容器温度提升，同时超过温度阈值，即(θ表示温度阈值)。并且在这个过程中通过超声波局部放电检测仪检测到该桥臂上的电容器伴随着局部放电信号的产生。那么即可识别出击穿故障区域。以这种方案来确定电容器击穿故障的识别与击穿电容器位置的确认。
信号调理模块，信号调理模块用于进行电压调理和电流调理；信号调理模块采用AD8032芯片。
本发明实施例设置的告警装置，参考图5对于高压电力电容器故障判断的整体流程是通过触发故障判断状态，分析采集到的各个参量，通过多参量统一的故障识别方法进行分析，判断电容器的状态，通过触发中中断进行判断是否有警告，有警告输出相关的告警节点，显示具体的电容器故障ID，并触发存储任务进行告警的记录。若是无告警，则显示是否消除告警，若是对故障单体电容进行检修更换后，进行告警消除，否则重新检测故障情况。最终都会将检测的数据和告警信息发送到后台，以便工作人员远程的进行实时监测。
本发明实施例的一种电容器击穿故障实时监测方法包括以下步骤：
步骤1.设定监测频率；
步骤2.启动定时器，根据监测频率获取电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器采集的数据；电流互感器用于测量经过电容器桥臂的电流值，包括经过低压端所有的电容器桥臂支路的支路电流和经过高压端全部的电容器桥臂的不平衡电流；红外温度传感器用于检测桥臂上的电容器温度特性的变化，获得电容器温度变化值；超声波局部放电传感器用于检测桥臂上的电容器伴随着局部放电信号是否存在；
步骤3.根据支路电流和不平衡电流计算出不平衡电流相对值和低压端电流相对值后判断出故障区域。故障区域为出现故障的桥臂；随后根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：包括电容器组、中央处理器模块、外部存储器模块、数据采集模块、电源模块、人机交互模块、电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器；
所述电容器组包括若干个电容器；
电流互感器用于测量经过电容器桥臂的电流值，包括经过低压端所有的电容器桥臂支路的支路电流和经过高压端全部的电容器桥臂的不平衡电流；
所述红外温度传感器用于检测桥臂上的电容器温度特性的变化，获得电容器温度变化值；
所述超声波局部放电传感器用于检测桥臂上的电容器伴随着局部放电信号是否存在；
所述人机交互模块用于设置监测频率；还用于查看所有数据；
所述数据采集模块用于根据监测频率获取电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器采集的数据；
所述外部存储器模块用于存储获取击穿电容器的位置的程序和所有数据；
所述中央处理器模块用于调取外部存储器模块的程序，该程序根据支路电流和不平衡电流计算出不平衡电流相对值和低压端电流相对值后判断出故障区域；所述故障区域为出现故障的桥臂；随后根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置。
2.根据权利要求1所述的一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：外部存储器模块包括SDRAM、FLASH。
3.根据权利要求1所述的一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：所述中央处理器模块采用32位嵌入式处理器STM32F407。
4.根据权利要求1所述的一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：所述数据采集模块采用AD7656芯片。
5.根据权利要求1所述的一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：还包括信号调理模块，所述信号调理模块用于进行电压调理和电流调理；信号调理模块采用AD8032芯片。
6.根据权利要求1所述的一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：所述人机交互模块采用触摸LCD屏。
7.根据权利要求1所述的一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：所述电容器组采用H桥接线方式。
8.根据权利要求1所述的一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：判断出故障区域的具体方法为：建立故障区域对照表；所述故障区域对照表包括不平衡电流相对值的变化趋势、低压端电流相对值的变化趋势及经过计算总结获得的故障区域；根据监测频率获得不平衡电流相对值及低压端电流相对值前后变化值比对故障区域对照表获得故障区域。
9.根据权利要求1所述的一种电容器击穿故障实时监测系统，其特征在于：根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置的具体方法为：设定温度阈值；计算阻性电流改变前后的桥臂上的电容器温度差，若电容器温度差为正且电容器温度差与阻性电流改变前的桥臂上的电容器温度的比值大于温度阈值且该桥臂上的电容器存在局部放电信号，则可判断该电容器击穿。
10.一种使用权利要求1-9任意一个实时监测系统的电容器击穿故障实时监测方法包括以下步骤：
步骤1.设定监测频率；
步骤2.根据监测频率获取电流互感器、红外温度传感器、超声波局部放电传感器采集的数据；电流互感器用于测量经过电容器桥臂的电流值，包括经过低压端所有的电容器桥臂支路的支路电流和经过高压端全部的电容器桥臂的不平衡电流；红外温度传感器用于检测桥臂上的电容器温度特性的变化，获得电容器温度变化值；超声波局部放电传感器用于检测桥臂上的电容器伴随着局部放电信号是否存在；
步骤3.根据支路电流和不平衡电流计算出不平衡电流相对值和低压端电流相对值后判断出故障区域；所述故障区域为出现故障的桥臂；随后根据温度变化值和是否存在局部放电信号判断出击穿电容器的位置。
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