基于差動(dòng)電壓的并聯(lián)電容器在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫瓏，翁暉

（寧波電業(yè)局，浙江寧波315000）

無功電源是保證電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、降低網(wǎng)損以及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行所不可缺少的部分。根據(jù)《華東電網(wǎng)“十一五”規(guī)劃和2020年目標(biāo)網(wǎng)架研究》，華東電網(wǎng)隨著網(wǎng)架規(guī)模的擴(kuò)大，當(dāng)電網(wǎng)因故失去一個(gè)或多個(gè)元件時(shí)，其有功功率外部支援能力較強(qiáng)，對(duì)保持頻率的穩(wěn)定基本不會(huì)造成影響。然而，無功功率的補(bǔ)償需要就地平衡，因此，電壓穩(wěn)定問題就會(huì)成為電網(wǎng)正常運(yùn)行的主要威脅[1]。并聯(lián)電容器是目前無功補(bǔ)償?shù)闹饕绞剑虼?，無功補(bǔ)償電容器設(shè)備的健康狀況對(duì)預(yù)防電壓崩潰的發(fā)生，確保電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。由于500 kV變電站正在提高變電站智能化并逐步向無人值班模式轉(zhuǎn)變，所以迫切需要一套能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容器組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能及時(shí)向值班員提供預(yù)警提示的系統(tǒng)。

1 寧波500 kV變電站無功補(bǔ)償電容器故障統(tǒng)計(jì)

截止2010年12月底，寧波電網(wǎng)共投運(yùn)5座500 kV變電站，共配置10組35 kV并聯(lián)電容器組。從2007年1月1日至2010年12月31日，共發(fā)生并聯(lián)電容器缺陷事故136起，其中涉及更換電容器的缺陷37起，網(wǎng)內(nèi)發(fā)生電容器群爆重大事故2起，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響。

并聯(lián)電容器的缺陷主要有：1）熔絲熔斷；2）電容器外殼鼓肚變形；3）電容器滲漏油；4）電容器外殼銹蝕；5）連接部分接頭過熱；6）電容器保護(hù)動(dòng)作或告警；7）電容器群爆[2]。近2 a各類并聯(lián)電容器缺陷故障具體分布如表1所示。

這些故障現(xiàn)象，除了接頭過熱和外殼銹蝕，其余均會(huì)在故障電容器本身電容量的變化上有直接的體現(xiàn)，且隨著故障現(xiàn)象的明顯，相應(yīng)電容器電容量的變化也會(huì)增大。另外，電容量作為電容器的最基本特性參數(shù)，是反映電容器自身特性最關(guān)鍵的指標(biāo)。通過監(jiān)測電容器組的電容量變化能夠判斷并聯(lián)電容器的設(shè)備性能狀況[3]。

表1 2007年1月至2010年12月寧波電網(wǎng)電容器設(shè)備故障情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of capacitor equipment faults in Ningbo power grid from 2007 January to 2010 December

2 并聯(lián)電容器監(jiān)測方法現(xiàn)狀

目前并聯(lián)電容器的監(jiān)測手段仍然停留在傳統(tǒng)的定期校驗(yàn)和缺陷發(fā)生后的事故分析校驗(yàn)，無法及早預(yù)測并聯(lián)電容器事故的發(fā)生。日常的運(yùn)行維護(hù)只能依靠運(yùn)行人員進(jìn)行定期巡視設(shè)備來進(jìn)行。由于現(xiàn)在變電所內(nèi)設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入狀態(tài)檢修階段，對(duì)于運(yùn)行的并聯(lián)電容器，也按照Q/GDW 451-2010并聯(lián)電容器裝置（集合式電容器裝置）狀態(tài)檢修導(dǎo)則要求實(shí)行狀態(tài)檢修，但判斷并聯(lián)電容器運(yùn)行狀態(tài)只能通過人員的外觀檢查和紅外熱像監(jiān)測，由此出現(xiàn)以下弊端：

1）由于并聯(lián)電容器安裝緊密且日常檢查只能在設(shè)備網(wǎng)門外進(jìn)行，所以無論是使用目測觀察還是紅外熱像監(jiān)測，都無法全方位地看清每個(gè)電容器元件，必然存在監(jiān)測死區(qū)。

2）目測觀察只能發(fā)現(xiàn)熔絲熔斷故障、嚴(yán)重的外殼膨脹變形、外殼銹蝕和滲漏油，紅外熱像監(jiān)測只能發(fā)現(xiàn)電容器表面溫度過熱和接頭過熱，而且通過上述方式發(fā)現(xiàn)的缺陷已經(jīng)不屬于電容器的早期故障，需要立刻停用相關(guān)電容器組。

3）不論是運(yùn)行人員定期巡視還是檢修人員狀態(tài)監(jiān)測信息采集，都是按照一定的固有周期進(jìn)行的，在時(shí)間上存在間隔，無法做到實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測電容器的運(yùn)行狀況。

綜上所述，2種傳統(tǒng)的日常監(jiān)測方法都無法實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)測并聯(lián)電容器組內(nèi)每個(gè)電容器單元的運(yùn)行狀況，不能在故障早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)電容器的絕緣缺陷，無法為電容器狀態(tài)檢修提供設(shè)備運(yùn)行時(shí)的電容量測量數(shù)據(jù)和運(yùn)行歷史記錄。

3 并聯(lián)電容器電容量變化在線監(jiān)測

3.1 并聯(lián)電容器差壓與電容量的關(guān)系

本文提到的并聯(lián)電容器差動(dòng)電壓與并聯(lián)電容器差壓保護(hù)所指的差動(dòng)電壓一樣，均是指同一電容器組上、下段電容（兩段電容值相同）上的電壓，通過放電線圈，將上、下段電壓送入差壓繼電器所得到的數(shù)值[4]。其等效示意圖見圖1。

圖1 并聯(lián)電容器組壓差示意圖Fig.1 Differential voltage of shunt capacitor diagram

2010年5月，對(duì)某500 kV變電站的并聯(lián)電容器組狀態(tài)檢修數(shù)據(jù)采集時(shí)發(fā)現(xiàn)該變電站3號(hào)主變3號(hào)電容器A相壓差值異常，ΔUA=3.95 V；并聯(lián)電容器組停役檢修后經(jīng)測量得到數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，A相第一串A1~A10的整體電容值比額定值偏小，整體電容量變化率在4.14%，單獨(dú)測量每個(gè)電容器元件后發(fā)現(xiàn)A9的電容量變化率為38.4%，不滿足規(guī)程變化率≤3%要求；其余電容器元件的電容量變化均≤3%，滿足規(guī)程要求。此時(shí)，電容器差壓保護(hù)因未達(dá)到定值而沒有動(dòng)作，但A9電容器的性能已經(jīng)完全超出規(guī)程中電容量變化率≤3%的要求，應(yīng)及早更換，以免影響同一串的其他電容器。更換A9電容器后差壓值為ΔUA=0.08 V。

理論上，當(dāng)電容器正常運(yùn)行時(shí)，電容器組兩串聯(lián)段上電容量C1=C2，由此產(chǎn)生的電壓降也相等，經(jīng)放電線圈傳變后的電壓U1=U2，差動(dòng)電壓ΔU=0；當(dāng)并聯(lián)電容器存在絕緣缺陷異常運(yùn)行時(shí)，C1≠C2，上、下段電容量的變化會(huì)引起相應(yīng)的電壓變化，隨之會(huì)產(chǎn)生差壓，必定引起壓差變化導(dǎo)致ΔU≠0。不考慮同一串聯(lián)段上下兩段電容器同時(shí)發(fā)生相同電容量變化的故障[5]。

表2 3號(hào)主變3號(hào)電容器故障前后電容量相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.2 Capacitance statistics of#3 capacitor of#3transformer before and after fault

并聯(lián)電容器組差壓保護(hù)已經(jīng)作為電容器組的主要繼電保護(hù)判據(jù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場中。

因?yàn)殡娙萜鹘M內(nèi)電容量最早發(fā)生變化的一定是絕緣性能最差的一個(gè)元件，所以在只考慮一個(gè)元件故障的情況下，電容器組電容量變化率與兩串聯(lián)段上的差壓公式[6]如下

式中，ε為單個(gè)電容器的電容量變化率；ΔU為輸出的差動(dòng)電壓；N1為上段支路串聯(lián)的元件數(shù)；M為元件串聯(lián)支路并聯(lián)數(shù)；n為放電線圈電壓變比；k為電抗率，XL/XC。

式中，N1、M、n、k均為定值。由此可知，并聯(lián)電容器的電容量變化率能夠通過測得的差動(dòng)電壓求得。

綜上可知，能夠通過運(yùn)行中并聯(lián)電容器的差動(dòng)電壓的變化來判斷并聯(lián)電容器組內(nèi)電容量的變化。電容器差壓保護(hù)整定值相對(duì)較高，但可以通過觀察差壓值的變化，在差壓值升高時(shí)設(shè)定告警門檻，當(dāng)差壓值越限告警時(shí)，結(jié)合電容器停役進(jìn)行檢查、消缺，在電容器差壓保護(hù)動(dòng)作前及早消除存在的隱患，避免對(duì)電網(wǎng)的無功功率平衡造成影響。

針對(duì)上述并聯(lián)電容器監(jiān)測現(xiàn)狀存在的問題，本文提出一種通過在線監(jiān)測并聯(lián)電容器差動(dòng)電壓的方法來計(jì)算并聯(lián)電容器電容量的變化，即利用并聯(lián)電容器差動(dòng)電壓作為狀態(tài)量來判斷并聯(lián)電容器組的工作狀況，以期達(dá)到及時(shí)準(zhǔn)確地了解并聯(lián)電容的工作狀況的目的。這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 并聯(lián)電容器電容量在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 On-line monitoring system of capacitance structure diagram

3.2 并聯(lián)電容器差壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集

因?yàn)樽冸娬緝?nèi)現(xiàn)場的電容器保護(hù)裝置已經(jīng)采集了并聯(lián)電容器的差壓數(shù)據(jù)，所以可以利用從現(xiàn)有的電容器保護(hù)裝置中提取差壓數(shù)據(jù)。電容器保護(hù)裝置本身均能向保護(hù)管理機(jī)或后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送壓差數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)場運(yùn)行的35 kV電容器保護(hù)均只配備一個(gè)用于與保護(hù)管理機(jī)通訊的網(wǎng)絡(luò)口，按照要求不允許占用或共享。打印機(jī)口能夠打印實(shí)時(shí)的模擬量和開入量，所以也具備輸出差動(dòng)電壓的能力。遵循對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備影響最小的原則，可以選取打印機(jī)口實(shí)現(xiàn)差壓數(shù)據(jù)的采集。通過一個(gè)含網(wǎng)口輸出的串口交換機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)打印機(jī)與差壓提取軟件對(duì)保護(hù)裝置打印口的數(shù)據(jù)共享。后臺(tái)軟件通過串口交換機(jī)的網(wǎng)口與保護(hù)裝置之間實(shí)現(xiàn)報(bào)文通訊，利用虛擬“打印”命令從保護(hù)中提取差壓模擬量和開關(guān)位置開入量。差壓數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。電容器保護(hù)和在線監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)之間距離較長時(shí)可采用光纜連接。

圖3 并聯(lián)電容器差壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Collection structure diagram of differential voltage statistics of shunt capacitor

寧波電網(wǎng)500 kV變電站中采用北京四方CSC221A數(shù)字式電容器保護(hù)測量裝置作為電容器保護(hù)比較普遍，故選定北京四方CSC221A保護(hù)作為差動(dòng)電壓的實(shí)例提取對(duì)象。

后臺(tái)軟件利用打印口與CSC221A保護(hù)裝置進(jìn)行通訊，通訊規(guī)約為RS485，采集電容器保護(hù)報(bào)文內(nèi)的差動(dòng)電壓模擬量和開關(guān)位置開關(guān)量。因差動(dòng)電壓模擬量在保護(hù)裝置內(nèi)已經(jīng)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，并以數(shù)字量的形式進(jìn)行傳輸，所以采集到的差動(dòng)電壓的精度能到達(dá)保護(hù)裝置本身的模擬量通道的采集精度，完全滿足并聯(lián)電容器在線監(jiān)測的要求。通過軟件采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 并聯(lián)電容器差動(dòng)電壓實(shí)時(shí)采集示意圖Fig.4 Collection diagram of differential voltage statistics of shunt capacitor

軟件能夠通過設(shè)定的時(shí)間間隔從保護(hù)裝置中提取三相相關(guān)數(shù)據(jù)，在主界面上通過不同顏色的曲線加以區(qū)分。利用后臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)能實(shí)現(xiàn)多組并聯(lián)電容器同時(shí)監(jiān)測。

3.3 后臺(tái)軟件數(shù)據(jù)分析

利用采集的差壓數(shù)據(jù)，通過式1，能夠計(jì)算出電容量的變化率。按照電容量變化率≤3%的要求設(shè)定適當(dāng)?shù)牟顒?dòng)電壓幅值越限門檻值，當(dāng)采集的差動(dòng)電壓幅度超高門檻值時(shí)，軟件發(fā)出預(yù)警信息，通知運(yùn)行和檢修人員加強(qiáng)巡視并及時(shí)處理。

由于并聯(lián)電容器并不是一直處于運(yùn)行狀態(tài)，所以需要加入電容器的開關(guān)位置輔助接點(diǎn)來判斷電容器的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)任一相合位時(shí)，軟件開始召喚差壓數(shù)據(jù)并保存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中；當(dāng)開關(guān)三相均為分位時(shí)，軟件停止召喚和保存差壓數(shù)據(jù)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)有：

1）避免頻繁讀取保護(hù)裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有效地減輕對(duì)保護(hù)裝置的影響；

2）節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量；

3）能正確區(qū)分差壓數(shù)據(jù)為零漂值還是差壓值，并利用開關(guān)位置來屏蔽并聯(lián)電容器退出運(yùn)行時(shí)的差壓零漂值。

由于電容器電容量的變化是個(gè)緩慢的過程，不需要頻繁地提取保護(hù)裝置內(nèi)的差動(dòng)電壓值，只需設(shè)定一個(gè)合理的時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，避免加重保護(hù)CPU的負(fù)擔(dān)。

軟件還具備并聯(lián)電容器電容量歷史數(shù)據(jù)查詢和電容量變化趨勢分析，利用電容量的變化趨勢實(shí)現(xiàn)預(yù)測功能，對(duì)于變化趨勢超過要求的進(jìn)行預(yù)警。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

利用該套并聯(lián)電容器在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)500 kV某變電站3號(hào)主變3號(hào)電容器組進(jìn)行差壓數(shù)據(jù)監(jiān)測時(shí)，該系統(tǒng)后臺(tái)軟件發(fā)出告警信號(hào)，此時(shí)該組電容器B相差動(dòng)電壓值越限告警，B相差動(dòng)電壓ΔUB=1.03 V，大于該系統(tǒng)整定的差動(dòng)電壓告警門檻值ΔU=1 V。停役該并聯(lián)電容器組后測得B相11號(hào)電容器的電容量為26.89 μF，低于該電容器的額定電容量30.1 μF，變化率達(dá)到10.66%，大于3%的規(guī)程要求，確實(shí)存在故障，需要更換該電容器。其余電容器電容量變化率均滿足規(guī)程要求。更換B相11號(hào)電容器后，測得B相差動(dòng)電壓值ΔUB=0.08 V，恢復(fù)正常運(yùn)行要求。

4 結(jié)語

利用電容器保護(hù)內(nèi)的差動(dòng)電壓而得到的電容量變化值，在不需要增加或改動(dòng)一次設(shè)備的情況下，就能實(shí)現(xiàn)電容器組電容量變化率的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。基于差動(dòng)電壓的并聯(lián)電容器在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠客觀地記錄并聯(lián)電容器組運(yùn)行中的差動(dòng)電壓變化，并且能反映出并聯(lián)電容器組整體的運(yùn)行狀況，同時(shí)實(shí)行對(duì)不正常狀況進(jìn)行預(yù)警。

由于這套系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)并聯(lián)電容器組差動(dòng)電壓的在線實(shí)時(shí)采集已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，所以通過后臺(tái)軟件的功能擴(kuò)展和高級(jí)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容器組差動(dòng)電壓、電容量變化率的歷史數(shù)據(jù)查詢，變化趨勢分析，越限告警等相關(guān)功能，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支持。

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