Какви са характеристиките на механизмите за отказ и предпазните мерки на електрическите кондензатори

1 Механизми на дефектите при мощностните кондензатори

Мощностният кондензатор се състои основно от корпус, ядро на кондензатора, изолираща среда и терминална структура. Корпусът обикновено е направен от тънка стомана или неръждавееща стомана, с бушони, сварени към капака. Ядрото на кондензатора е намотано от полипропиленова филма и алюминиев фол (електроди), а вътрешността на корпуса е напълнена с течна диелектрична среда за изолация и разсейване на топлината.

Като напълно запечатано устройство, общите типове дефекти на мощностните кондензатори включват:

• Вътрешен пропад на елемента на кондензатора;

• <п>Изгаряне на предпазител;

• Вътрешни късо-замкнати дефекти;

• Външни дефекти от разряд.

Вътрешните дефекти са по-разрушителни за тялото на кондензатора и, веднъж появили се, обикновено не могат да бъдат поправени на място, което значително влияе на ефективността на използването на оборудването.

1.1 Вътрешен пропад на елемента на кондензатора

Пропадът на елемента на кондензатора е причинен основно от фактори като стареене на диелектричната среда, проникване на влага, производствени дефекти и сурови условия на работа. Ако елементът липсва вътрешен предпазител, единичен пропад ще късо-замкне паралелно свързаните елементи, премахвайки ги от споделянето на напрежението. Това увеличава работното напрежение в останалите сериозно свързани елементи. Без навременно изолиране на дефекта, това представлява сериозен риск за безопасността и може да доведе до катастрофални дефекти.Използването на вътрешни предпазители позволява ефективно и навременно изолиране на дефектните елементи, подобрявайки оперативната безопасност.

Пропадът на кондензатора може да бъде класифициран в три типа: електричен пропад, термичен пропад и частичен разряден пропад.

• Електричен пропад: Причинен от прекомерно напрежение или хармоники, водещи до прекомерно висока електрическа поле в диелектричната среда, резултиращо в провал на изолацията в дефектни точки. Характеризира се с краткосрочно продължителност и висока интензивност на полето. Прочнотата на пропада е тясно свързана с равномерността на полето, но по-малко чувствителна към температурата и продължителността на напрежението.

• Термичен пропад: Възниква, когато генерирането на топлина надхвърля разсейването, причинявайки постоянен повишаване на температурата в диелектричната среда, водещ до деградация на материала и окончателен провал на изолацията. Обикновено това се случва при стационарна работа, с относително по-ниско напрежение за пропад и по-дълга продължителност на приложението на напрежението в сравнение с електричния пропад.

• Частичен разряден пропад: Резултат от локализирани високи електрически полета в диелектричната среда, надхвърлящи прочнотата на пропад на области с ниска диелектрична проницаемост, като течности, газове или замърсители. Това инициира частични разряди, които постепенно деградират изолационната способност, окончателно развивайки се до пълен пропад през електродите. Процесът е прогресивен, развиващ се от непроницаеми разряди до пълна изолационна авария.

1.2 Изгаряне на предпазител

Предпазването чрез предпазител е една от най-общи защитни мерки за мощностните кондензатори и играе жизненоважна роля за безопасната и стабилна работа на системите за компенсация. То се класифицира във външен и вътрешен предпазител.

• Външен предпазител: Когато вътрешен елемент на кондензатора се дефектува, дефектната тока през кондензатора и външния предпазител се увеличава. Когато токът достигне зададения порог за топене на предпазителя, той се затопля, разбива термичното равновесие и се топи, прекъсвайки дефектния кондензатор, за да се предотврати ескалацията на дефекта.

• Вътрешен предпазител: При дефект на елемента, паралелните елементи разтоварват в дефектния елемент, генерирайки високоамплитуден, бързо убиващ преходен ток. Енергията от този ток топи серийно свързания вътрешен предпазител, изолирайки дефектния елемент и позволявайки на останалата част от кондензатора да продължи да работи.

На практика, неправилно избор на предпазител или лош контакт на терминалите може да причини ненормално изгаряне на предпазител по време на нормална работа, грешково премахвайки здрави кондензатори и намалявайки реактивната мощност.

Ако вътрешните предпазители са неправилно размерени и не успяват навременно да изолират дефектите, дефектът може да се усуква, потенциално водейки до експлозия или пожар на кондензатора.

1.3 Вътрешни късо-замкнати дефекти

Вътрешните късо-замкнати дефекти при мощностните кондензатори включват главно живи електроди-към-корпус късо-замкнати и междинни електродни късо-замкнати. Те са предимно причинени от дългосрочно стареене на диелектричната среда, вътрешно проникване на влага, стрес от прекомерно напрежение или вродени дефекти на изолацията от дизайна или производствените процеси, всички които могат да доведат до пробивна изолационна авария и вътрешни късо-замкнати.

1.4 Външни дефекти от разряд

Външните дефекти от разряд се отнасят до дефекти, които се появяват извън тялото на кондензатора, причинени от външни фактори като повърхностен разряд на бушон, пробив на бушон, късо-замкнати между фази или между фаза и земя, или пукнатини в порцелановите бушони поради механичен стрес. Тези дефекти имат различни причини, но се появяват във външната верига. Те обикновено могат да бъдат открити и ограничени навременно чрез действия на реле-защита, редовни проверки или офлайн тестове. Вероятността и тежестта им са по-ниски от вътрешните дефекти, но все пак заслужават достатъчно внимание.

2 Общи характеристики и причини на дефектите при мощностните кондензатори
2.1 Протичане на масло от тялото на кондензатора

Като напълно запечатано, високонапреговано, високоструйно устройство, протичането на масло в мощностния кондензатор не само намалява нивото на изолацията поради понижено ниво на масло, но и допуска проникване на влага поради намалено вътрешно налягане. Това води до влажност на изолацията, намалена изолационна съпротивление и окончателно вътрешен пропад на елемента или дори експлозия.

Основните причини за протичането на масло включват: лоша сварка, водеща до недостатъчно запечатване; стареене или неравномерно напрегнати прокладки; механично повредяване по време на транспортиране или инсталация; недостатъчно поддръжка, причиняваща корозия на корпуса; и механичен стрес, повреждащ запечатванията на бушоните.

2.2 Деформация на корпуса на кондензатора

При нормални условия на работа, малко разширяване или съкращаване на корпуса на кондензатора поради вариации в температурата и напрежението е приемливо. Но, когато вътрешното електрическо поле е прекомерно, причинявайки частичен разряд или късо-замкнати, диелектричната среда се разпада и генерира големи количества газ. Това увеличава вътрешното налягане в запечатаната камера, водейки до издуване или деформация на корпуса.

Когато се появява сериозна деформация, обикновено е невъзможно да се поправи на място и е необходима замяна. Деформацията на корпуса не само усуква вътрешната изолационна деградация, но може също да повреди електрическата структура, изменяйки оригиналните изолационни разстояния. В тежки случаи, тя може да причини пробив на бушон (виж фиг. 1), потенциално водейки до експлозия или пожар.

Деформацията на корпуса е предимно причинена от проблеми с качеството на продукта, като: лошо качество на материалите на електродите или диелектричната среда; използване на изолационно масло, което не абсорбира газ; стандартно производствено окружение или процеси; остатъчни замърсители по време на производството; прекомерно стремеж към специфични показатели на производителност; или материалът на корпуса е твърде тънък.

2.3 Ненормално повишаване на температурата на кондензаторите

Ненормалното повишаване на температурата при мощностните кондензатори води до прекомерна температура на тялото, което ускорява термичното стареене на вътрешната диелектрична среда, намалява нейната изолационна съпротивляемост и дори може да активира частичен разряд. Срокът на полезност на мощностните кондензатори обикновено следва "правилото на 8°C": за всяко 8°C повишение над позволената температура за работа, очакваният срок на полезност е приблизително половината.

Ненормалното повишаване на температурата е предимно причинено от лоша вентилация или продължително извънредно токово състояние. Примери включват: неразумно пространствено разположение на помещението за кондензаторите или неправилно разположение на вентилационното оборудване, водещо до недостатъчно разсейване на топлината; увеличено нагорещяване при работа с прекомерно напрежение, причиняващо извънреден ток; и хармонични токове, генерирани от выпрямителни устройства, които също допринасят за прекомерното нагорещяване на кондензаторите. Освен това, стареене на диелектричната среда, проникване на влага или вътрешни дефекти на компонентите могат да увеличат загубите на мощност, допълнително усуквайки повишаването на температурата.

2.4 Повърхностен разряден дефект на бушоните на кондензаторите

Компонентите в установките за мощностни кондензатори обикновено са компактно разположени. По време на работа, околната среда характеризира висока температура и електрическо поле, правейки лесно за заредени частици във въздуха да бъдат адсорбирани. Това води до натрупване на контаминация на повърхността на бушоните, увеличавайки повърхностния ток на утечка. Под комбинираното влияние на системните хармоники и напрежението, локализиран разряден дефект може да се появи на фарфора на бушоните. Когато натрупаната контаминация достигне критично ниво, тя може да доведе до повърхностен разряден дефект, придружен от аномален шум. В тежки случаи, това може да доведе до външни късо-замкнати между фаза и земя.

2.5 Аномален шум от кондензаторите

Мощностните кондензатори са статични устройства за реактивна компенсация без движущи се части или електромагнитни компоненти. При нормална работа, те не трябва да произвеждат слухови сигнали. Ако по време на работа се появи аномален шум, това може да указва високоенергийен частичен разряд в кондензатора, и оборудването трябва незабавно да бъде изключено за проверка.

2.6 Разцепване на кондензатора

Разцепването на кондензатора е сериозен дефект с тежки последици. Обикновено то се случва, когато вътрешен елемент на кондензатора страда от изолационен пропад между електродите или между електрода и корпуса, водейки до пропусклив дефект. Другите кондензатори, работещи в паралел, ще се зареждат и разтоварват бързо в дефектната единица. Ако внесената енергия надхвърли механичната съпротивляемост на корпуса, кондензаторът може да се разцепи и изхвърли масло, потенциално причинявайки пожар, опасност за цялата подстанция и дори причиняващо ранявания или смърт на персонала.

Случаят на каскадно разцепване на цял банк от кондензатори е показан на фиг. 2, активиран от изолационен пропад на вътрешен елемент на кондензатора; подробното състояние на дефектния елемент е илюстрирано на фиг. 3.

2.7 Нагорещяване на контактните терминали на банката от кондензатори

Веднъж включени, банките от мощностни кондензатори работят под пълна нагрузка с високи веригови токове. Ако вътрешните връзки показват лош контакт, недостатъчно проектиране или инсталация, или недостатъчна поддръжка, локализирано нагорещяване на точките на връзка може да се появи. Продължителното нагорещяване може да доведе до прекомерно натрупване на термична енергия, потенциално причиняващо топене на свързващите проводници. Дефектите от нагорещяване на контактните терминали на банката от кондензатори са относително общи; състоянието на топене на връзката е показано на фиг. 4.

3 Предотвратителни мерки срещу аварии

3.1 Осигуряване на качеството при производството и инсталацията на оборудването

Безопасната работа на мощностните кондензатори зависи от качеството на производството и инсталацията на оборудването. По време на производството, е необходимо строго да се следват технологичните процеси, да се използват квалифицирани сурови материали и производствено оборудване, и да се подобрят контролът на качеството през целия процес. Строгите заводски проверки осигуряват качеството на продуктите. На местата на инсталацията трябва да се разделят разумно "по фази и групи", за да се гарантира балансирано съответствие на капацитета между фазите и секциите. Освен това, акцентът трябва да бъде поставен върху предаването и приемането на обекта след инсталация, за да се гарантира качеството на инсталацията и да се намалят дефектите по време на работа.

3.2 Подобряване на методите за управление и експлоатация

• По време на включване и изключване на линейните натоварвания, банките от кондензатори трябва да следват принципа "изключи първо, после включи", докато линейните натоварвания трябва да следват реда "включи първо, после изключи." Този ред не може да бъде произволно променен.

• Преди възстановяване на работата на банките от кондензатори, трябва да се гарантира достатъчен период за разтоварване. Честото включване и изключване на банките от кондензатори трябва да се минимизира; само след пълно разтоварване може да се възстанови. Ако дефект причини защитните устройства да изключат банката от кондензатори, тя не може да бъде повторно включена, преди да се определи причината, за да се предотврати ескалацията на аварията.

• За да се избегнат високоредните хармоники, влияещи върху банките от кондензатори, трябва да се изберат подходящи реактивни коефициенти в зависимост от конкретните приложения. Това ефективно подтисква високоредните хармоники, намалява входящите токове и прекомерното напрежение при включване, осигурявайки безопасна работа на цялата система.

3.3 Контрол върху температурата на работната среда

Оперативната температура на кондензаторите директно влияе върху техния функционал и срок на полезност. Високите температури ускоряват изолационното стареене, намалявайки срока на полезност. Затова, контролът върху температурата на работната среда е важен. Банките от кондензатори, инсталирани вътрешно, трябва да поддържат добра вентилация и, когато е необходимо, да се инсталират автоматични системи за контрол на температурата. Отворените единици трябва да избягват директното слънце и да се гарантира правилна вентилация и разсейване на топлината. Редовно извършвайте живо инфрачервено термографско изследване на банките от кондензатори и съответното оборудване, за да вземете навременни мерки, осигурявайки, че вътрешната медиумна температура и околната среда съответстват