幅频域综合分析法在高压电容器故障检测应用中的讨论

摘要：高压电容器是线路补偿关键设备，由于故障率较高时常影响线路补偿效果。本文提出一种基于宽频域复阻抗分析的故障隐患检测的新技术，可以对新投运的电容器进行内部故障隐患的识别与筛选，从而减少有缺陷的电容器投入现场，起到减少故障率，提高线路稳定性的目的。

关键词：高压电容器 宽频域 复阻抗 缺陷

Abstract： As critical equipment for electric power lines compensation， high voltage capacitor has relatively high failure rates which results in poor compensation. The paper here presents a new technology employing broad band complex impedance analysis used for defects recognization and detection，so as to lessen the rate of installation of defective capacitors and then decrease failure rate and improve stability of power lines.

Keywords： High voltage capacitors broad band frequency complex impedance defects

引言

高压电容器是变电站关键线路补偿设备，与电抗器共同调节线路功率因数，从而降低线损，提高线路输送能力。电容器故障通常不会直接影响电力线路正常的电力输送，但较高的故障率使得电容器维修工作较为频繁，影响电力线路的稳定。为了尽可能减少故障率，一方面应在投运前尽可能选用优质电容器，另一方面采用较好的技术手段对一些隐患进行识别和探测。传统的检测方法主要是针对电容器的电容值进行测量，但是该方法对于筛选不良电容器的效果比较粗糙，基本不具备预测效果。本文提出的一种基于复阻抗频谱分析的方法是一种将被试电容器看作代表不同频率的电容支路，从而研究不同频率下的吸收功率和阻抗特性来表征电容器的缺陷。

1 电容器故障隐患识别的技术背景

电容器常见故障有漏油，裂纹，高温老化等，这些故障有些导致容值下降，有些只引起容值的不稳定。而从等效阻抗的角度出发，即使总体容值一致，故障电容器的内部等效电容的分布已经发生变化，表现为早期的缺陷在高频段吸收功率出现较明显的增大，而老化则表现为低频段阻抗频谱曲线的偏移。只有当故障累积到一定程度后，才会导致较为稳定的电容值下降。因此通过探测内部高频电容成分来描述电容器故障是一种具备较高灵敏度的分析方法。

2 复频域试验装置的实现原理

实现如图1所示的分支阻抗频响特性的测量，需要一套变频试验电源和试验响应信号的采集跟踪系统。

由下图所示，复频域试验装置由数字频率合成DDS发生器，功率放大，双通道并行采集单元，负载阻抗调节装置构成。数字频率合成器可产生频率0.1Hz到数十千赫兹的正弦波信号，功率放大器是一种特殊设计的双模式放大单元，要求频率响应覆盖到下限0.1Hz，上限覆盖到数十千赫兹。一般的功率放大模块难以满足，所以该试验装置的功率放大器采用全集成运放模式，不能设置耦合电容。为避免运放带来的零漂和噪音问题，在功率放大器输出端设置了阻抗调节模块，该阻抗调节模块呈阻性，用于平衡放大器的增益并适当提供负载支路的阻尼作用，特别是在试验频率切换时，可能产生负载电容器与功率放大器的谐振冲击脉冲，从而影响试验精度。采用双路并行采集装置的目地是获取精准的输出负载相位，从而研究负载的阻容关系。

中央控制器主要担任DDS数字频率合成器的起停以及控制双路并行采集装置的控制与采集数据计算。

3 复阻抗频谱分析方法及应用

复阻抗分析法是一种基于欧姆定律的传统模式，但由于被试对象的复杂性，采用宽频域的复阻抗分析后，单独频率点的复阻抗参数是不具备比较意义的，通常以研究趋势性或相同规格的电容器的特征曲线的差异来进行分析。同时即使个别频率点的复阻抗出现了较大的变化，也不能简单得出电容器是否存在故障的结论，原因如下：

试验电源会存在毛刺，特别是频率从低端过度到高端时，电路的分布参数的频响特性也会发生改变，从而构成总阻抗的一部分，影响分析结果。

环境噪音可能在高频段构成干扰

高频段的阻抗值本身跳变较大，即使出现30%-50%的误差也属正常范围

目前没有标准的电容器高频阻抗值可供参考比对

基于以上原因，分析数据的误差变化可能增大检修的难度，由于现场电容器数量较多，不适合依赖人工进行演算，而采用曲线分析法，可以较好的弥补该缺陷，具体如下：

横向比对法：基于同规格电容器的特征曲线比对；由于同规格的电容器制造材质和工艺是相同的，因此通过大量测试后能基本掌握该规格的电容器特征阻抗曲线的模型，将其与有缺陷的电容器进行比较能够较明显的发现曲线的差异点和严重程度。

纵向比对法：通过一段时间的比对分析，并结合温湿度的影响，分析阻抗频谱特征曲线的稳定性和变化等。

简而言之，横向比对和纵向比对的结合分析是比较恰当的，能够对故障的发展趋势和严重程度进行综合评估。

另外，阻抗频谱的分解可以进一步分析阻容关系随着频率的变化特征，所以本篇提出的阻抗频谱基于阻抗模值，相位及吸收功率的频谱三组曲线进行。

4 现场应用

通过对荷花变110kV的补偿电容器进行了现场测试，结合了横纵向比较法与实验室数据进行关联比较，得出了较为直观的解决方案。

5 总结

本篇提出了一种基于幅频域阻抗分析的电容器故障隐患分析方法，该方法采用了一套变频试验系统和快速采集装置对输出功率频响及阻抗频响进行测量计算，并提供了一套基于频谱特征曲线的差异性比对分析方法。基于曲线分析的方法比数据分析更为直观，尤其针对故障趋势性分析的环境，但是由于不同厂家的电容器设计与制造工艺相差较大，多次测试建立参考曲线将利于后期作出较为准确的分析和故障判断的结论。

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