Quins són els mecanismes de falla les característiques i les mesures preventives dels condensadors elèctrics
1 Mecanismes de falla dels condensadors d'energia
Un condensador d'energia consta principalment d'un capsa, un nucli de condensador, un medi aïllant i una estructura de terminal. La capsa sol estar feta de ferro laminat o inoxidable, amb còmplices soldades a la tapa. El nucli del condensador es trenca a partir de pel·lícula de polipropil·le i full d'alumini (electrodes), i l'interior de la capsa s'ompli amb dielèctric líquid per aïllament i dissipació de calor.
Com a dispositiu totalment tancat, els tipus de falla comuns dels condensadors d'energia inclouen:
Falla interna dels elements del condensador;
Fonsa del fusible;
Falles de curtcircuït internes;
Falles de descàrrega externa.
Les falles internes són més destructives per al cos del condensador i, un cop ocorregudes, generalment no es poden reparar en el lloc, afectant significativament l'eficiència d'utilització de l'equipament.
1.1 Falla interna dels elements del condensador
La falla dels elements del condensador es produeix principalment per factors com l'envelleciment del dielèctric, l'ingrés d'humitat, defectes de fabricació i condicions d'operació severes. Si l'element no té un fusible intern, una única falla d'element provocarà un curtcircuït als seus counterparts connectats en paral·lel, eliminant-los de la compartició de tensió. Això augmenta la tensió d'operació sobre els elements restants connectats en sèrie. Sense un aïllament de falla oportú, això suposa riscos de seguretat seriosos i pot conduir a falles catastròfiques.L'ús de fusibles interns permet un aïllament eficaç i ràpid dels elements defectuosos, millorant la seguretat operativa.
La falla del condensador es pot classificar en tres tipus: falla elèctrica, falla tèrmica i falla de descàrrega parcial.
Falla elèctrica: Provocada per sobretensió o harmònics, que porta a una força de camp elèctric excessivament alta a través del dielèctric, resultant en una falla d'aïllament en punts defectuosos. Es caracteritza per una durada curta i una intensitat de camp alta. La resistència a la falla està molt relacionada amb la uniformitat del camp, però és menys sensible a la temperatura i la durada de la tensió.
Falla tèrmica: Ocurre quan la generació de calor supera la dissipació, causant un increment continu de la temperatura en el dielèctric, que porta a la degradació del material i finalment a la falla d'aïllament. Això sol passar durant l'operació en estat estacionari, amb una tensió de falla relativament més baixa i una durada de la tensió més llarga comparada amb la falla elèctrica.
Falla de descàrrega parcial: Resulta de camps elèctrics locals alts dins del dielèctric, que superen la resistència a la falla de regions de baixa permittivitat com líquids, gasos o impuretes. Això inicia descàrregues parcials que gradualment degraden el rendiment de l'aïllament, eventualment evolucionant en una falla completa a través dels electrodes. El procés és progressiu, desenvolupant-se des de descàrregues no penetrants fins a la falla completa de l'aïllament.
1.2 Fonsa del fusible
La protecció per fusible és una de les mesures protectoras més comunes per als condensadors d'energia i joca un paper vital en l'operació segura i estable dels sistemes de compensació. Es categoritza en protecció per fusible externa i interna.
Protecció per fusible externa: Quan falla un element intern del condensador, la corrent de falla a través del condensador i el fusible extern augmenta. Un cop la corrent arriba al llindar de fusió del fusible, aquest es calenta, trencant l'equilibri tèrmic i fonent, desconectant el condensador defectuós per evitar l'escalada de la falla.
Protecció per fusible interna: En cas de falla d'un element, els elements paral·lels descarreguen a l'element defectuós, generant una corrent transitoria d'amplitud alta i decayment ràpid. L'energia d'aquesta corrent fon el fusible intern connectat en sèrie, aïllant l'element defectuós i permetent que el residu del condensador continue operant.
En la pràctica, una selecció inadeguada del fusible o un contacte pobre del terminal pot causar una fonsa anormal del fusible durant l'operació normal, eliminant per error condensadors sanjos i reduint la sortida de potència reactiva.
Si els fusibles interns estan mal dimensionats i no aïllen les falles prontament, la falla pot empeorar, potencialment conduint a l'explosió o incendi del condensador.
1.3 Falles de curtcircuït internes
Les falles de curtcircuït internes en els condensadors d'energia inclouen principalment cortcircuïts entre els electrodes vius i la capsa, i entre electrodes. Aquests són causats principalment per l'envelleciment prolongat del dielèctric, l'ingrés d'humitat intern, l'estress de sobretensió o defects d'aïllament inherents als processos de disseny o fabricació, tots els quals poden portar a una falla d'aïllament de tipus perforació i a curtcircuïts interns.
1.4 Falles de descàrrega externa
Les falles de descàrrega externa es refereixen a falles que ocorren fora del cos del condensador, causades per factors externs com la descàrrega superficial de còmplices, la perforació de còmplices, els curtcircuïts entre fases o entre fase i terra, o les creixes en còmplices de porcellana degudes a l'estress mecànic. Aquestes falles tenen causes diverses però ocorren en la circuitària externa. Generalment es poden detectar i mitigar a temps mitjançant accions de protecció per relé, inspeccions rutinàries o proves offline. La seva probabilitat i gravetat són menors que les falles internes, encara que encara requereixen atenció suficient.
2 Característiques i causes comunes de les falles dels condensadors d'energia
2.1 Pèrdua d'oli del cos del condensador
Com a dispositiu totalment tancat, d'alta intensitat de camp i corrent, la pèrdua d'oli en un condensador d'energia no només redueix el nivell d'aïllament degut a la disminució del nivell d'oli, sinó que també permet l'ingrés d'humitat degut a la pressió interna menor. Això porta a l'humidificació de l'aïllament, la reducció de la resistència d'aïllament i, finalment, a la falla interna dels elements o fins i tot a l'explosió.
Les causes principals de la pèrdua d'oli inclouen: soldadura deficiente que porta a un aïllament inadequat; joints envejits o subjectes a tensions irregulars; daños mecànics durant el transport o instal·lació; manteniment insuficient que causa la corrosió de la capsa; i estrès mecànic que dany les juntes de còmplice.
2.2 Deformació de la capsa del condensador
En condicions normals d'operació, una expansió o contractació menor de la capsa del condensador deguda a variacions de temperatura i tensió és acceptable. Tanmateix, quan la força del camp elèctric intern és excessiva, causant descàrregues parcials o curtcircuïts, el dielèctric es descompon i genera grans quantitats de gas. Això augmenta la pressió interna en la cambra tancada, provocant abombament o deformació de la capsa.
Un cop ocorre una deformació severa, sovint no es pot reparar en el lloc i es necessita la substitució. La deformació de la capsa no només agrava la deterioració de l'aïllament intern, sinó que també pot enderrocar l'estructura elèctrica, alterant les distàncies d'aïllament originals. En casos severos, pot causar la fractura del còmplice (vegeu Fig. 1), potencialment conduint a l'explosió o incendi.
La deformació de la capsa es produeix principalment per problemes de qualitat del producte, com: qualitat deficients dels materials d'electrode o dielèctric; utilització d'oli aïllant que no absorbeix gas; entorn de fabricació o processos subestàndards; impuretes residuals durant la producció; persecució excessiva de determinades metriques de rendiment; o material de capsa massa fin.
2.3 Augment de temperatura anòmal en condensadors
Un augment de temperatura anòmal en condensadors d'energia porta a una temperatura excesiva del cos, que acelera l'envelleciment tèrmic del dielèctric intern, redueix la seva resistència a l'aïllament i pot fins i tot desencadenar descàrregues parcials. La vida útil dels condensadors d'energia generalment segueix la "regla de 8°C": per cada 8°C d'augment per sobre de la temperatura d'operació permessa per disseny, l'esperança de vida es redueix aproximadament a la meitat.
L'augment de temperatura anòmal es produeix principalment per ventilació deficiente o condicions de sobrecorrent prolongades. Exemples d'això inclouen: disposició espacial irracional de la sala dels condensadors o col·locació inadeguada de l'equipament de ventilació que porta a una dissipació de calor insuficient; major càlida deguda a l'operació amb sobretensió que provoca sobrecorrent; i corrents harmòniques generades per unitats de retificador que també contribueixen al sobrecalentament del condensador. A més, l'envelleciment del dielèctric, l'ingrés d'humitat o falles internes dels components poden augmentar les pèrdues de potència, exacerbant així l'augment de temperatura.
2.4 Descàrrega superficial en els còmplices del condensador
Els components en les instal·lacions de condensadors d'energia solen estar disposats compactament. Durant l'operació, l'entorn circumdant presenta temperatures altes i intensitats de camp elèctric, facilitant l'adsorció de partícules carregades. Això porta a l'acumulació de contaminació en les superfícies dels còmplices, augmentant la corrent de fuga superficial. Sota la influència combinada d'harmònics del sistema i tensió, pot ocorrer arc voltaïc localitzat en la porcellana del còmplice. Quan la contaminació s'acumula a un nivell crític, pot resultar en una descàrrega superficial, acompanyada de soroll anòmal. En casos severos, això pot conduir a curtcircuïts externs entre fase i terra.
2.5 Soroll anòmal dels condensadors
Els condensadors d'energia són dispositius de compensació reactiva estàtica sense parts mòbils ni components d'excitació electromagnètica. En condicions normals d'operació, no haurien de produir soroll audible. Si ocorre soroll anòmal durant l'operació, pot indicar descàrregues parcials d'alta energia dins del condensador, i l'equipament s'hauria de desenergitzar immediatament per a la inspecció.
2.6 Ruptura del condensador
La ruptura del condensador és una falla severa amb conseqüències significatives. Sol ocorre quan un element intern del condensador patix una falla d'aïllament entre electrodes o entre electrode i capsa, resultant en un curtcircuït total. Els altres condensadors en operació en paral·lel llavors carregaran i descarregaràn ràpidament al component defectuós. Si l'energia injectada supera la resistència mecànica de la capsa, el condensador pot romandre i expulsar oli, potencialment causant un incendi, posant en perill la seguretat de tota la subestació, i fins i tot conduir a ferits o morts de personal.
Es mostra un incident de ruptura en cascada d'un banc de condensadors en la Figura 2, desencadenat per una falla interna dels elements del condensador; la condició detallada de l'element defectuós es il·lustra en la Figura 3.
2.7 Sobrecalentament dels terminals de connexió del banc de condensadors
Un cop energitzat, els bancs de condensadors d'energia operen sota càrrega total amb corrents de circuit elevades. Si les connexions internes presenten un contacte deficient, pràctiques de disseny o instal·lació inadequades, o manteniment insuficient, pot ocorre un sobrecalentament localitzat en els punts de connexió. Un sobrecalentament prolongat pot portar a l'acumulació excessiva d'energia tèrmica, potencialment causant la fusió dels conductors de connexió. Les falles de sobrecalentament en els terminals del banc de condensadors són relativament comunes; la condició d'una connexió fundida es mostra en la Figura 4.
3 Mesures preventives contra accidents
3.1 Assegurar la qualitat en la fabricació i la comissió d'instal·lació de l'equipament
La operació segura dels condensadors d'energia depèn de la qualitat de la fabricació de l'equipament i la comissió d'instal·lació. Durant la producció, és essencial seguir estrictament els fluxos de procés, utilitzar matèries primeres i maquinària de producció qualificada, i millorar la supervisió de la qualitat a tot el procés. Inspeccions rigoroses a fàbrica asseguren la qualitat del producte. Les instal·lacions en lloc haurien de ser "fasejades i agrupades" de manera raonable per assegurar un equilibri de capacitance entre fases i seccions. A més, s'ha de posar èmfasi en la transició i acceptació del lloc després de l'instal·lació per garantir la qualitat de l'instal·lació i minimitzar les falles durant l'operació.
3.2 Millorar els mètodes d'operació i execució
Quan s'executen operacions d'energització i desenergització de càrregues de línia, els bancs de condensadors han de seguir el principi de "desconnectar primer, llavors connectar", mentre que les línies de càrrega han de seguir la seqüència de "connectar primer, llavors desconnectar". Aquest ordre no pot ser canviat arbitràriament.
Abans de restaurar les operacions dels bancs de condensadors, s'ha de garantir un temps de descàrrega suficient. S'ha de minimitzar la commutació freqüent dels bancs de condensadors; només després de la descàrrega completa es pot tornar a tancar. Si una falla fa que els dispositius de protecció triguin el banc de condensadors, no es pot reconnectar abans d'identificar la causa per evitar l'escala de l'accident.
Per evitar que harmonics d'ordre superior afectin els bancs de condensadors, s'han de seleccionar taules de reactor adequades basades en escenaris d'aplicació específics. Això suprimeix efectivament els harmonics d'ordre superior, redueix les corrents d'inrush i la sobretensió al tancar, assegurant l'operació segura de tot el sistema.
3.3 Controlar la temperatura de l'ambient d'operació
La temperatura operativa dels condensadors impacta directament el seu rendiment i vida útil. Les temperatures altes acceleren l'envelleciment de l'aïllament, reduint la vida útil. Per tant, controlar la temperatura de l'ambient d'operació és crucial. Els bancs de condensadors instal·lats en interiors haurien de mantenir una bona ventilació i, si cal, instalar sistemes de control de temperatura automàtics. Les unitats exteriors haurien d'evitar l'exposició directa a la llum solar i assegurar una ventilació i dissipació de calor adequades. Realitzar regularment termografia infraroja en línia en els bancs de condensadors i l'equipament associat per prendre mesures oportunes, assegurant que les temperatures internes del medi i l'ambient compleixen amb les normatives.
3.4 Implementar la monitorització en línia de l'estat operatiu de l'equipament
Instal·lar dispositius de monitorització en línia en els bancs de condensadors facilita la monitorització en temps real de l'estat operatiu, ajudant a la detecció i gestió oportuna de possibles falles. Això inclou la monitorització de la tensió d'operació real, descàrregues parcials, pèrdues dielèctriques, capacitance, corrent de fuga i altres senyals característics. No només ajuda en el diagnòstic i aïllament de falles, sinó que també permet l'anàlisi de possibles defects, assolint avísos predictius de falles.
3.5 Millorar la inspecció rutinària de l'equipament
Fortalecer la inspecció rutinària és vital per assegurar l'operació normal dels bancs de condensadors. S'ha de centrar en la verificació de deformacions de la capsa, pèrdues d'oli, nivells de contaminació de les aïlladores de porcellana, signes de descàrrega, distàncies elèctriques i temperatures ambientals. Mètodes auxiliars com la termografia infraroja poden detectar sobrecalentaments en les connexions, permetent el manteniment oportú i assegurant l'operació segura de les assemblies de condensadors d'energia.
Conclusió
A través de l'anàlisi dels mecanismes de falla, les característiques i les causes dels condensadors d'energia, aquest article proposa mesures preventives des de cinc aspectes: qualitat de la fabricació i la comissió d'instal·lació de l'equipament, mètodes d'operació, control de la temperatura de l'ambient d'operació, monitorització en línia de l'estat operatiu i inspeccions rutinàries. Aquestes recomanacions proporcionen orientació pràctica per a l'aplicació efectiva dels condensadors d'energia.
