电力电容器故障检测系统的设计与实现

刘

艳/工程师

关键词/Keywords

电容器·在线监测·虚拟仪器·数据库·谐波·

·建筑电气·2011年第30卷第12期

电力电容器故障检测系统的设计与实现

介绍了一种基于虚拟仪器的电力电容器故障检测系统的设计与实现。该系统利用虚拟仪器设计平台，实现对电容器组的实时监测、预警和报警；利用缓冲机制对电容器运行参数和信号进行有效的采集和存储；利用谐波分析技术，检测分析电容器运行时谐波状况；利用ADO 技术在虚拟仪器平台中调用外部数据库，对存储的电容器运行参数和信号进行查询和管理。经过在11kV 变电站一段时期的运行，证明系统运行稳定、可靠且功能全面，满足了实际在线监测的需要。

刘

艳

1

刘瑞云

2

陶维亮

3

倪学锋

1

王先培3

/1.国网电力科学研究院

2.武汉电力高等职业学院

3.武汉大学

在电力系统，高压并联电容器装置是一种广泛应用于电力输配电系统的无功补偿设备，能够有效改善系统的功率因数，调整网络电压和降低线路损耗，是电网降损升压的有效手段。近些年来，尽管电容器的生产工艺有了大幅度的提高，介质材料也有了相应的改进，但仍不断发生严重的电容器爆炸事故，造成群死群伤事件，对系统安全运行及运行检修人员人身安全都构成了较大的

威胁。因此，对电容器的状态在线监测是电力科技工作人员关注的问题之一。

本文提出了一种基于虚拟仪器技术的电容器在线监测装置。在电容器两端获取实时电流或电压信号，通过数字信号处理，以此得到电容器的工作状态。装置具有实时监测、预警、报警、谐波分析、录波及查询等功能。介绍了在线监测系统进行故障检测的基本原理，以及该系统在虚拟仪器平台上的实现方法，最后论文对该系统在某11kV 变电站一段时间的运行结果进行了分析。

国家自然科学基金（50677047）。

分析结果表明系统准确、可靠，满足了实际在线监测的需要。

基本原理

假设电容器工作电压为U （V ），工作电流为I （A ），电容量为C （F ），ω是电容器工作频率，则有

U I =1ωC

（1）

正常工作状态下，没有内部元件损坏时，各台电容器并联在三相母线上，电流的有效值基本相等。一旦某台电容器发生内部元件击穿或其他故障时，电容量变化为C '，母线电压不变，则其运行电流I '随C '等比例变化，即

I'I =C'C

（2）

11kV 并联电容器装置内部结构一般为4串16并，图1为其内部结构示意图。设每个单元的电容量为C 0/4，则其总的电容量为

C =

C 0/4ˑ16

4

=C 0

（3）

图1

并联电容器装置内部结构示意图

对于无内熔丝保护、采用外熔断器保护的并联电容器，当电容器内部某一单元被击穿时，其所在串段的其他单元将被短路，电容器总的电容量将变为

C'=

C 0/4ˑ16

3

=4C 0/3（4）

相对故障前，电容量增大了33.3%。

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对于有内熔丝的电容器，若某一串段中有一个小单元被击穿，与它并联的电容器元件将对它放电，放电电流熔断熔丝，从而将它从线路中切除。此时电容器总电容量为

C'=1

14C 0+14C 0+14C 0+

415C ()

0=160C 0/61≈0.984C 0

（5）

相对故障前，电容值减小了1.6%。

由上述分析，对于无内熔丝的电容器，如果内部有一个单元损坏时，其工作电流将增大33%；对于有内熔丝保护的电容器，如果内部有一个单元损坏时，其工作电流将减小1.6%。基于这种原理，监测系统通过分相实时比较各台电容器上的电流值就可以监测它们的工作状况，继而判断是否有故障发生，并定位故障所在。

系统设计及信号处理流程

该系统的结构框图如图2所示。先通过互感器对电容器组中的每一台电容器的电流及相电压进行采样并在采集卡中转换为数字信号，然后传送到工控机端进行信号处理并在显示终端报警、显示，处理的数据通过局域网分发到各客户端。

图2

系统设计结构图

信号处理程序流程如图3所示。首先初始化系统，然后启动采集并获取数据。对数据进行分析，判断其分合闸动作、故障现象，根据电容器状态将其各次谐波、失真度等参数作为历史数据存入数据库中，供用户调用查询。

图3

数据处理流程图

监测系统部分功能程序实现

1.电容器故障录波

为了帮助查明事故原因，必须保存特定时刻（如发生故障、故障工作电流变化以及分合闸）前后的电容器的电流波形。

为达到上述目的，首先需要定义多种触发源，如电容器发生故障、发生故障后的状态变化、分闸和合闸等，其次要求系统具备预采集功能，以便将故障和分合闸等状态下电容器运行从瞬态到稳态的过程完整地记录下来。

图4为本系统实现缓冲采集的程序框图。新采集数据由AI READ 子vi 读取后，存入缓冲区sampleData 的末端，然后将其最前端截断，得到新缓冲数据sampleDataNew ，循环处理即实现了FIFO 缓冲功能。而分析处理的数据curData 取自缓冲区中部，一旦判断异常，则将整个缓冲区的

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数据存入数据文件中，同时系统报警。图4FIFO 缓冲区的程序框图

该处理机制使系统对电容器故障捕捉延时了半个缓冲区的存储时间。为此，程序对最近采集数据newInData 也进行故障分析，如发现异常，则进行预警。2.数据库管理

要根据触发事件、触发时间等条件来查询存储的历史数据，必须在存储时就按一定的规则，对数据信息进行有效的组织和存储。本系统利用虚拟仪器设计平台的ActiveX 功能，调用Microsoft ADO 对象，利用SQL 语言实现数据库的访问

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。主要有四个步骤，如图5所示。

图5操作Oracle 数据库的程序框图

（1）新建并打开ADO 对象

在访问数据库前，必须首先新建一个ADO 对象。在前面板控件中选择Refnum →Automation Refnum ，设置该引用为数据库连接对象ADODB.Connection 。

在程序面板中选择Connectivity →ActiveX →Automation Open ，将ADO 对象ADODB.Connec-

tion 的输出引脚与其输入引脚Automation Refnum

相连，即可打开ADO 对象。

（2）连接数据库

选择Application Control →Invoke Node 节点，

将Automation Open 的输出引脚Automation Refnum 与节点的输入引脚reference 相连，此时节点自动成为connection 类型，单击节点的Method 选项，选择Open ，正确设置“ConnectionSring ”连接到数据库的字符串

，“UserID ”数据源的用户名和“Password ”数据源的密码，即可连接指定数据源。

（3）操作数据库

再选择一个Invoke Node ，将前面Invoke Node 的输出reference out 与此节点的reference 相连，单击节点的Method 选项，选择Execute ，在输入引脚Command Text 中设置SQL 命令文本，即可对已连接的数据库进行相应的操作，产生的结果以RecordSet 的形式，由引脚Execute 输出。

将数据集输出连接到一个Invoke Node ，选择相应的Method 选项即可实现数据集操作，本例中未对数据集进行操作，Method 选择为Close ，关闭数据集。

（4）关闭数据库连接和ADO 对象

对数据库访问操作完毕后要及时关闭连接对象以释放内存和所用的系统资源。生成一个In-voke Node 节点，与数据库操作节点的输出相连，选择该节点待执行的操作为Close ，即关闭数据库连接，然后选择Application Control →Close Refer-ence 来关闭ADO 对象。3.谐波计算误差分析

谐波污染是造成电容器工作异常或损坏的重要原因之一。因此准确、实时检测电容器电流、母线电压、谐波含量及总谐波失真度是在线监测系统的一项重要工作。

系统采用较成熟的傅里叶算法来计算得到基波和频率为基波频率整数倍的各次谐波的幅值和相位

［11］

。

图6为计算谐波的FFT 算法程序框图。算法原理本文不做赘述，仅分析算法的主要计算误差，并研究减少误差的措施。

（1）频谱混叠和频谱泄漏

对周期为T 的连续信号作间隔N 点采样时，采样周期为T /N ，对应的采样频率为信号频率的N 倍