CN204758760U - 一种电容器元件击穿的电流监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于高压电容器在线监测技术领域，公开了一种电容器元件击穿的电流监测装置，适用于高压油浸电容器。该电流监测装置，用于至少两个电容器，其特征在于，包括微处理器CPU，用于测量每个电容器工作电流的对应的电流互感器，用于模数转换的A\D转换模块，用于显示元件击穿的电容器编号、击穿时间和击穿累计次数的显示器；所述电流互感器的输出端电连接A\D转换模块的输入端，所述A\D转换模块的输出端电连接所述微处理器CPU的I/O输入端，所述微处理器CPU的I/O输出端电连接所述显示器的输入端。

Description

一种电容器元件击穿的电流监测装置

技术领域

本实用新型属于高压电容器在线监测技术领域，特别涉及一种电容器元件击穿的电流监测装置，适用于高压油浸电容器。

背景技术

目前，电容器故障监测方法有内部不平衡、电容量、温度、压力、局部放电、微水、油气谱等监测。

内部不平衡监测在电容器装置中作为电容器内部故障保护广泛应用，根据不同的接线形式，内部不平衡保护的灵敏度和应用场合不同。不管是哪一种内部不平衡保护都存在对称故障条件下，内部不平衡保护将无法监测的情况。

理论上和实际测量中都可以发现，电容器元件的击穿是整组电容器元件随机击穿。拿桥式接线方式的内部不平衡保护来看，如图1所示，当某一桥臂C₁电容器发生击穿后，四个桥臂中C₂电容器、C₃电容器发生故障将会时桥臂重新恢复平衡，只有当C₁电容器或C₄电容器发生故障时，才能扩大不平衡直到内部不平衡监测报警，其他的内部不平衡监测接线都存在同样的问题。这说明，该传统的内部不平衡监测有50％左右的可能性将故障累积，直到发生电容器雪崩式大量损坏或爆炸等严重故障。

电容器在运行过程中电容量会随时间发生变化，也会随着温度发生变化，这是由电容器本身的特性所决定的。这些因素会影响利用绝对电容量来反映电容器故障的可靠性。因此，在线监测电容量的方法最近几年虽然有些变电站尝试使用，但是没有得到广泛应用。

随着国内输电容量以及电压等级的提高，电容器组的容量也越来越大。有资料显示±500kV的输电系统将会使用800多万kvar的电容器，±800kV的输电系统将会使用1200多万kvar的电容器。按照国内目前使用的电容器单台容量在500kvar～600kvar之间计算，一条直流输电线使用的电容器量将在1.5万台～2.4万台。而不平衡检出法只可能检出电容器组中发生了元件击穿，而对发生元件击穿的电容器个数和位置无法确定，检修的时候需要对整个电容器组中的电容器进行逐个测量，数量如此巨大的电容器在剔除故障单元的过程中会耗费大量的人力物力。

其他相关监测手段如局放、油温、油色谱等，均为间接监测。目前尚无与这些参量有关的实用的寿命模型，很难反映电容器的当前状态，同时，这些传感器的安装可能会破坏电容器的密封性，目前仅在集合式电容器中少量使用。运行量最大的电容器组架装置监测中尚未得到广泛应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电容器元件击穿的电流监测装置，适用于高压油浸电容器。该装置和方法不仅可以监测电容器在运行过程中是否发生元件击穿，而且可以定位故障电容器并将电容器的累计击穿次数以及击穿时刻并输出；能够避免电容器在对称故障下累积故障造成更大的损失，也可以快速定位故障电容器，节约检修的人力物力。

为达到上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案予以实现。

一种电容器元件击穿的电流监测装置，用于至少两个电容器，其特征在于，包括微处理器CPU，用于测量每个电容器工作电流的对应的电流互感器，用于模数转换的A\D转换模块，用于显示元件击穿的电容器编号、击穿时间和击穿累计次数的显示器；所述电流互感器的输出端电连接A\D转换模块的输入端，所述A\D转换模块的输出端电连接所述微处理器CPU的I/O输入端，所述微处理器CPU的I/O输出端电连接所述显示器的输入端。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

所述监测装置还包括用于存储元件击穿的电容器的编号、击穿时间和击穿累计次数的存储器，所述存储器与所述微处理器CPU电连接。

所述监测装置还包括通讯模块和外部后台管理计算机，所述通讯模块的输入端与所述微处理器CPU电连接，所述通讯模块的输出端与外部后台管理计算机电连接。

本实用新型的电容器元件击穿的电流监测装置及其电流监测方法，可以实现电容器击穿的在线监测，监测电容器在运行过程中是否发生击穿，记录击穿数量和时间，定位故障电容器并将电容器的击穿数量以及击穿时间传输至显示器进行显示；避免电容器在对称故障下累积故障造成更大的损失，节约检修的人力物力；而且该装置安装使用方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1为背景技术中的桥式接线方式的内部不平衡监测方法的电气连接示意图。

图2为本实用新型的高压油浸电容器击穿的监测装置的电气连接结构示意图。

图3为高压油浸电容器单元中的元件连接图。

图4为高压油浸电容器单元中元件击穿的顺序图。

图5为电容器发生元件击穿的状态量变化率区域图。

具体实施方式

参照图1，为背景技术中的桥式接线方式的内部不平衡监测方法的电气连接示意图。

参照图2，为本实用新型的电容器元件击穿的电流监测装置，用于至少两个电容器。

该监测装置包括微处理器CPU，用于测量每个电容器工作电流的对应的电流互感器，用于模数转换的A\D转换模块，用于显示元件击穿的电容器编号、击穿时间和击穿累计次数的显示器；所述电流互感器的输出端电连接A\D转换模块的输入端，所述A\D转换模块的输出端电连接所述微处理器CPU的I/O输入端，所述微处理器CPU的I/O输出端电连接所述显示器的输入端。

其中，所述监测装置还包括用于存储元件击穿的电容器的编号、击穿时间和击穿累计次数的存储器，所述存储器与所述微处理器CPU电连接。

其中，所述监测装置还包括通讯模块和外部后台管理计算机，所述通讯模块的输入端与所述微处理器CPU电连接，所述通讯模块的输出端与外部后台管理计算机电连接。

下面以型号相同的两台并联电容器为例，说明本实用新型高压油浸电容器击穿的监测方法。

(一)基本概念

图3为高压油浸电容器中的元件连接图，图中左侧虚框表示第一电容器，右侧虚框表示第二电容器，每台电容器由m个串联段组成，每个串联段由n个元件并联而成，每个元件的电容量为Ce。每台电容器用对应一台电流互感器测量其工作电流。

如图3，第一电流互感器CT₁测量第一电容器的工作电流电流I₁，设定第一电容器的电容量C₁；第二电流互感器CT₂测量第二电容器的工作电流I₂，设定第二电容器的电容量C₂。

(1)电容器发生故障前(t＝0时刻，定义为前一时刻)，第一电流互感器和第二电流互感的的测量工作电流分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{10}=\mathrm{j\ω}{C}_{10}\stackrel{\·}{U}$

${\stackrel{\·}{I}}_{20}=\mathrm{j\ω}{C}_{20}\stackrel{\·}{U}$

其中，为第一电容器的前一时刻工作电流，为第二电容器的前一时刻工作电流；C₁₀为第一电容器的前一时刻电容量，C₂₀为第二电容器的前一时刻电容量，为工作电压，ω为工作角频率。

电容器故障前的状态量K₀(即电容器元件击穿前一时刻状态量K₀)为：

$K_0=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{10}-{\stackrel{\·}{I}}_{20}}{{\stackrel{\·}{I}}_{10}+{\stackrel{\·}{I}}_{20}}=\frac{C_{10}-C_{20}}{C_{10}+C_{20}}$

(2)当电容器发生故障后(t＝1时刻，定义为当前时刻)，第一电流互感器和第二电流互感的测量工作电流分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_{11}=\mathrm{j\ω}{C}_{11}\stackrel{\·}{U}$

${\stackrel{\·}{I}}_{21}=\mathrm{j\ω}{C}_{21}\stackrel{\·}{U}$

其中，为第一电容器的当前时刻工作电流，为第二电容器的当前时刻工作电流；C₁₁为第一电容器的当前时刻电容量，C₂₁为第二电容器的当前时刻电容量，为工作电压，ω为工作频率。

电容器故障后的状态量K₁(即电容器元件击穿当前时刻状态量K₁)为：

$K_1=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{11}-{\stackrel{\·}{I}}_{21}}{{\stackrel{\·}{I}}_{11}+{\stackrel{\·}{I}}_{21}}=\frac{C_{11}-C_{21}}{C_{11}+C_{21}}$

(3)电容器故障前后的状态量变化率T(即电容器元件击穿当前时刻状态量变化率T)为：

$T=\frac{K_1-K_0}{K_0}=-\frac{2(C_{10}{C}_{21}-C_{11}{C}_{20})}{(C_{10}-C_{20})(C_{11}+C_{21})}$

状态量变化率T仅仅反应电容量的变化。

(二)以内熔丝电容器为例，详述如何利用状态量变化率T判断电容器的元件击穿和累计击穿数量。

在内熔丝电容器中，当元件发生故障时，内熔丝熔断隔离故障元件，电容器的电容量将下降。

(1)当第一电容器C₁发生元件击穿时，其电容量由C₁₀变为C₁₁；第二电容器C₂的电容量不发生变化，仍为C₂₀，此时，电容器故障前后的状态量变化率为：

$T=-\frac{2C_{20}}{(C_{11}+C_{20})}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}$

(2)当第二电容器C₂发生击穿时，其电容量由C₂₀变为C₂₁，第一电容器C₁的电容量不发生变化，仍为C₁₀，此时，电容器故障前后的状态量变化率为：

$T=\frac{2C_{10}}{(C_{10}+C_{21})}\frac{(C_{20}-C_{21})}{(C_{10}-C_{20})}.$

(3)假设第一电容器和第二电容器的电容量标称值为C_N，元件的标称电容量为 $C_e=C_N\frac{m}{n}.$

不妨假设第一电容器C₁发生元件击穿，第一电容器C₁的电容量由C₁₀变为C₁₁。

$\begin{array}{c}T=-\frac{2C_{20}}{(C_{11}+C_{20})}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}=-\frac{2}{(\frac{C_{11}}{C_{20}}+1)}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}=-\frac{2}{(\frac{C_N(1+{\mathrm{\α}}_1)}{C_N(1+{\mathrm{\α}}_2)}+1)}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}\\ =-\frac{2}{(\frac{1+{\mathrm{\α}}_1}{1+{\mathrm{\α}}_2}+1)}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}\end{array}$

$T=-\mathrm{\β}({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_2)\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}$

$\mathrm{\β}({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_2)=\frac{2}{(\frac{1+{\mathrm{\α}}_1}{1+{\mathrm{\α}}_2}+1)}$

定义β(α₁,α₂)为状态量变化率T的误差系数。其大小与正常电容器单元允许偏差以及电容器击穿后允许的电容量偏差有关。

β＝minβ(α₁,α₂)

当α₁为电容器容量偏差允许上限，α₂为电容器容量偏差允许下限时，β(α₁,α₂)取最小值；即，电容器的允许电容量区间为[C_N(1+α₂),C_N(1+α₁)]_。

例如，内熔丝电容器的允许元件击穿后的电容量变化不超过其标称电容量的-10％，电容器加工误差为±5％。

元件击穿发生前电容器的电容量可能范围为[C_N(1-5％),C_N(1+5％)]。

当电容器组中某一台电容器发生击穿后，容量低于90％的初始容量时(由电容器制造商提供该数据)，认为电容器损坏，那么电容器组中电容器单元的容量范围为：

C_X∈[C_N(1-14.5％),C_N(1+5％)]

此时，α₁＝5％,α₂＝-14.5％时，β(α₁,α₂)取值最小＝0.898

$T=-\mathrm{\β}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}$

当|C₁₀-C₁₁|一定时，击穿前的初始值|C₁₀-C₂₀|达到极大值时，状态量变化率T的绝对值最小。

当|C₁₀-C₂₀|一定时，击穿前后电容量的变化量|C₁₀-C₁₁|越小，状态量变化率T的绝对值越小。

(5)参照图4，说明电容器的元件击穿的顺序；并解释说明，当电容器元件按照这种顺序击穿时，电容器电容量变化率最小。

假设第一电容器的元件击穿达到某种状态时，其第i个串联段剩余元件为n_i，那么此时，第一电容器的电容量C₁为：

$C_1=\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n_i{C}_e}}$

$\frac{d{C}_1}{d{n}_i}=\frac{C_e\frac{1}{n_i^2}}{{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n_i}\right)}^2}$

当n_i＝max(n_j),j∈[1,m]，取最小值。

即，电容器的元件击穿总是发生在并联元件数最大的串联段，此时电容器整体的电容量变化最小。

(6)按照图4所示的击穿顺序，当元件击穿时，说明电容量的变化规律。

当电容器的允许击穿元件数量为s时，允许击穿元件数量s可以表示为串联段数的整数倍k和余数q之和，即

s＝km+q，k＝0,1...k_max，

[]为取整运算符。

按照这种击穿顺序，第一电容器的电容量C₁可以表示为

$C_1=\frac{C_e\frac{(n-k-1)}{q}{C}_e\frac{n-k}{m-q}}{C_e\frac{(n-k-1)}{q}+C_e\frac{n-k}{m-q}}=\frac{n-k-1}{m-\frac{m-q}{n-k}}{C}_e$

$\frac{d}{\mathrm{dq}}{C}_1=-\frac{(n-k-1)}{{(m-\frac{m-q}{n-k})}^2}\frac{1}{n-k}{C}_e<0$

$\frac{d}{\mathrm{dq}}\left|\frac{d}{\mathrm{dq}}{C}_1\right|=-\frac{2[{(n-k)}^2-(n-k)](n-k+1+\frac{q}{m})}{m{(m-q+\mathrm{km}-\mathrm{mn})}^4}{C}_e<0$

上式说明，击穿前后电容量的变化率绝对值会随着元件的击穿数量会逐渐变小。

(7)总结电容器的元件击穿规律，确定状态量变化率T的判断阈值T_F。

按照上面步骤(4)、(5)、(6)计算分析，可知：

(a)元件按照规律顺序击穿时，|C₁₀-C₁₁|可以达到最小值；

(b)元件按照规律顺序击穿时，|C₁₀-C₁₁|随击穿数量增加逐渐减小；

(c)当元件击穿时，电容量将下降。

换句话说，在保证制造商允许元件击穿并可正常使用电容量C_X的情况下，状态量变化率T绝对值的极小值将出现在电容器连续按照规律顺序击穿的最后一个允许击穿元件时。

假设最后一个允许击穿元件在元件击穿时，计算状态量变化率T绝对值的极小值，并作为判断阈值T_F。

判断阈值T_F的计算公式如下：

$T_F=\left|\min \right[\mathrm{\&beta;}\frac{1}{(\frac{n-k-1}{m-\frac{m-(q_{\max }-1)}{n-k}}-\frac{n}{m})}(\frac{n-k-1}{m-\frac{m-(q_{\max }-1)}{n-k}}-\frac{n-k-1}{m-\frac{m-q_{\max }}{n-k}})\left]\right|,k=\mathrm{0,1}...k_{\max }$

当k<k_max时，q_max＝m；

当k＝k_max时，q_max＝s-km；

s＝km+q，[]为取整运算符；

其中，β为状态量变化率T的误差系数最小值；m为电容器的串联段数；n为电容器的并联元件数；s为电容器单元的允许击穿元件数量，是串联段数m的整数倍k和余数q之和。

(8)內熔丝电容器发生元件击穿的判定依据。

表1为內熔丝电容器发生元件击穿的判据表。图5为电容器发生元件击穿的状态量变化率区域图。

表1为內熔丝电容器发生元件击穿的判据表

总结：微处理器CPU通过第一电流互感器和第二电流互感器分别实时测量第一电容器和第二电容器的工作电流，计算并存储前一时刻的状态量K₀、当前时刻的状态量K₁及状态量变化率T，根据內熔丝电容器发生元件击穿的判据表，判定发生元件击穿的电容器和累计击穿数量。

(二)以外熔丝或无熔丝电容器为例，详述如何利用状态量变化率T判断电容器的元件击穿和累计击穿数量。

当元件发生击穿时，击穿元件短路，电容器的电容量将上升。与内熔丝电容器类似可以表示为：

(1)当第一电容器C₁发生元件击穿时，其电容量由C₁₀变为C₁₁；第二电容器C₂的电容量不发生变化，仍为C₂₀，此时，电容器故障前后的状态量变化率为：

$T=-\frac{2C_{20}}{(C_{11}+C_{20})}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}$

(2)当第二电容器C₂发生击穿时，其电容量由C₂₀变为C₂₁，第一电容器C₁的电容量不发生变化，仍为C₁₀，此时，电容器故障前后的状态量变化率为：

$T=\frac{2C_{10}}{(C_{10}+C_{21})}\frac{(C_{20}-C_{21})}{(C_{10}-C_{20})}$

(3)判断阈值T_F的计算方法，与内熔丝电容器类似，差别在于当外熔丝或无熔丝电容器元件击穿时，故障元件串联段短路，故障电容器电容量变大。

假设第一电容器和第二电容器的电容量标称值为C_N。不妨再假设第一电容器C₁发生元件击穿，设击穿元件数量i，此时，第一电容器C₁的电容量为：

$C_1=C_N\frac{m}{m-i}$

其中，i为击穿元件数量；m为电容器串联数；

此时，状态量变化率为：

$T=-\frac{2C_{20}}{(C_{11}+C_{20})}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}=-\frac{2}{(\frac{C_{11}}{C_{20}}+1)}\frac{(C_{10}-C_{11})}{(C_{10}-C_{20})}$

判断阈值T_F的计算公式如下：

$T_F=\min \left|\mathrm{\&beta;}\frac{(\frac{m}{m-(s-1)}-\frac{m}{m-s})}{(\frac{m}{m-(a-1)}-1)}\right|$

其中，β为状态量变化率T的误差系数最小值；m为电容器的串联段数；s为电容器的允许击穿元件数量。

(4)外熔丝或无熔丝电容器发生元件击穿的判定依据。

表2为外熔丝或无熔丝电容器发生元件击穿的判据表。同样，图5为电容器发生元件击穿的状态量变化率区域图。

表2外熔丝或无熔丝电容器发生元件击穿的判据表

总结：微处理器CPU通过第一电流互感器和第二电流互感器分别实时测量第一电容器和第二电容器的工作电流，计算并存储前一时刻的状态量K₀、当前时刻的状态量K₁及状态量变化率T，根据外熔丝电容器或无熔丝电容器发生元件击穿的判据表，判定发生元件击穿的电容器和累计击穿数量。

(三)当并联电容器数量大于两台时，选择使电容量相近的两台电容器作为第一电容器和第二电容器。这样，第一电容器和第二电容器的工作电流接近，工作状态接近，任何一个电容器发生元件击穿时，其工作电流或电容量的变化相对比较大，也即状态变化率变化显著，有利于故障的准确判断。

此外，需要说明的是，上述描述的计算过程为一种近似的判断阈值T_F计算公式，同样也可以采用计算机模拟或其他公式计算判断阈值T_F。

尽管以上结合附图对本实用新型的实施方案进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本实用新型保护之列。

Claims (3)

1.一种电容器元件击穿的电流监测装置，用于至少两个电容器，其特征在于，包括微处理器CPU，用于测量每个电容器工作电流的对应的电流互感器，用于模数转换的A\D转换模块，用于显示元件击穿的电容器编号、击穿时间和击穿累计次数的显示器；所述电流互感器的输出端电连接A\D转换模块的输入端，所述A\D转换模块的输出端电连接所述微处理器CPU的I/O输入端，所述微处理器CPU的I/O输出端电连接所述显示器的输入端。

2.根据权利要求1所述的电容器元件击穿的电流监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括用于存储元件击穿的电容器的编号、击穿时间和击穿累计次数的存储器，所述存储器与所述微处理器CPU电连接。

3.根据权利要求1所述的电容器元件击穿的电流监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括通讯模块和外部后台管理计算机，所述通讯模块的输入端与所述微处理器CPU电连接，所述通讯模块的输出端与外部后台管理计算机电连接。