Jaké jsou charakteristika selhání a prevencní opatření elektrických kondenzátorů
1 Mechanismy selhání elektrických kondenzátorů
Elektrický kondenzátor se především skládá z obalu, jádra kondenzátoru, izolačního prostředku a terminální struktury. Obal je obvykle vyroben z tenké oceli nebo nerezové oceli, s vývodovými čepicemi svářenými na víko. Jádro kondenzátoru je navinuto z polypropylenové folie a hliníkového plechu (elektrody) a vnitřek obalu je naplněn kapalinou jako dielektrikem pro izolaci a odvádění tepla.
Jako plně uzavřené zařízení patří mezi běžné typy poruch u elektrických kondenzátorů:
Porucha vnitřních prvků kondenzátoru;
Přehoření pojistky;
Vnitřní krátkozaměrné poruchy;
Externí výboje.
Vnitřní poruchy jsou pro tělo kondenzátoru destruktivnější a po jejich vzniku obvykle nelze provést opravu na místě, což výrazně ovlivňuje efektivitu využití zařízení.
1.1 Porucha vnitřních prvků kondenzátoru
Porucha vnitřních prvků kondenzátoru je především způsobena faktory jako stárnutí dielektrika, proniknutí vlhkosti, výrobní vadami a tvrdými podmínkami provozu. Pokud prvek nemá vnitřní pojistku, porucha jednoho prvku způsobí krátkozaměr jeho paralelně zapojených protějšků, které jsou tak odstraněny ze sdílení napětí. To zvyšuje provozní napětí na zbývajících sériově zapojených prvcích. Bez včasného izolování poruchy to představuje vážné bezpečnostní riziko a může vést k katastrofálním selháním.Použití vnitřních pojistek umožňuje efektivní a rychlé izolování vadných prvků, což zlepšuje operační bezpečnost.
Selhání kondenzátoru lze rozdělit do tří kategorií: elektrické selhání, termické selhání a částečné výbojové selhání.
Elektrické selhání: Způsobeno přetlakem nebo harmonickými složkami, vedoucími k příliš vysoké síle elektrického pole v dielektriku, což vede k selhání izolace v defektních místech. Je charakterizováno krátkou dobou trvání a vysokou intenzitou pole. Selhání je úzce spojeno s rovnoměrností pole, ale méně citlivé na teplotu a dobu působení napětí.
Termické selhání: Vzniká, když výroba tepla přesahuje jeho odvod, což vedou k postupnému zvyšování teploty v dielektriku, což vede k degradaci materiálu a konečnému selhání izolace. Toto obvykle nastává během ustáleného chodu, s relativně nižším selhacím napětím a delší dobou působení napětí ve srovnání s elektrickým selháním.
Částečné výbojové selhání: Vzniká z lokálních vysokých elektrických polí v dielektriku, překračujících selhací sílu oblastí s nízkou permitivitou, jako jsou kapaliny, plyny nebo znečištění. To iniciuje částečné výboje, které postupně degradují výkon izolace, nakonec vedoucí k kompletnímu průchodu elektrodami. Proces je postupný, vyvíjející se od neprostupných výbojů k úplnému selhání izolace.
1.2 Přehoření pojistky
Ochrana pojistkami je jednou z nejčastějších ochranných opatření pro elektrické kondenzátory a hraje klíčovou roli v bezpečném a stabilním chodu kompenzačních systémů. Rozlišujeme mezi vnější a vnitřní ochranou pojistkami.
Vnější ochrana pojistkami: Když selže vnitřní prvek kondenzátoru, zvýší se proud chybou projíždějící kondenzátorem a vnější pojistkou. Jakmile dosáhne průtok hodnoty tepelného prahového bodu pojistky, pojistka se zahřeje, ztratí tepelnou rovnováhu a přehoří, odpojujíc tak vadný kondenzátor a bráníc tak dalšímu šíření poruchy.
Vnitřní ochrana pojistkami: Po selhání prvku do něj vybíhají paralelně zapojené prvky, generují vysokou amplitudu a rychle ubývající přechodný proud. Energie tohoto proudu roztaví sériově zapojenou vnitřní pojistku, izoluje vadný prvek a umožňuje zbytku kondenzátoru pokračovat v chodu.
Ve skutečnosti může nesprávné vybavení pojistkami nebo špatný kontakt na vývodech způsobit nesprávné přehoření pojistek během normálního chodu, což může vednout k nesprávnému odpojení zdravých kondenzátorů a snížení reaktivního výkonu.
Pokud jsou vnitřní pojistky nesprávně rozměrovány a nedokáží včas izolovat poruchy, může se porucha zhoršit, což může vést k explozi nebo požáru kondenzátoru.
1.3 Vnitřní krátkozaměrné poruchy
Vnitřní krátkozaměrné poruchy v elektrických kondenzátorech zahrnují případy, kdy živý vodič má krátkozaměr na obal nebo mezi elektrodami. Tyto poruchy jsou především způsobeny dlouhodobým stárnutím dielektrika, proniknutím vlhkosti dovnitř, přetlakem nebo vrozenými vadami izolace z důvodu konstrukce nebo výroby, což může vést k průnikovému selhání izolace a vnitřním krátkozaměrům.
1.4 Externí výboje
Externí výboje se týkají poruch, které se vyskytují mimo tělo kondenzátoru a jsou způsobeny externími faktory, jako jsou povrchové výboje na vývodových čepicích, průnik vývodových čepic, fázové nebo fáze-země krátkozaměry, nebo trhliny v porcelánových vývodových čepicích způsobené mechanickým namáháním. Tyto poruchy mají různé příčiny, ale vyskytují se v externích obvodech. Mohou být obvykle včasně detekovány a omezeny pomocí relé ochrany, pravidelných inspekčních kontrol nebo offline testování. Pravděpodobnost a závažnost jejich výskytu je nižší než u vnitřních poruch, ale stále vyžadují dostatečnou pozornost.
2 Běžné charakteristiky a příčiny poruch u elektrických kondenzátorů
2.1 Únik oleje z těla kondenzátoru
Jako plně uzavřené zařízení s vysokou sílou elektrického pole a vysokým proudem, únik oleje z elektrického kondenzátoru nejen snižuje úroveň izolace v důsledku snížení hladiny oleje, ale také umožňuje proniknutí vlhkosti v důsledku snížení vnitřního tlaku. To vede ke zvlhčení izolace, snížení odporu izolace a nakonec k vnitřnímu selhání prvků nebo dokonce explozi.
Hlavní příčiny úniku oleje zahrnují: špatné svařování vedoucí k nedostatečnému utěsnění; stárnutí nebo nerovnoměrně namáhané pružiny; mechanické poškození během přepravy nebo instalace; nedostatečnou údržbu vedoucí k korozí obalu; a mechanické namáhání poškozující utěsnění vývodových čepic.
2.2 Deformace obalu kondenzátoru
Během normálního chodu je mírná expanze nebo kontrakce obalu kondenzátoru v důsledku změn teploty a napětí akceptovatelná. Pokud však vnitřní síla elektrického pole přesáhne přípustné hranice, což vede k částečným výbojům nebo krátkozaměrům, dielektrik se rozkládá a produkují se velké množství plynů. To zvyšuje vnitřní tlak v uzavřené komoře, což vede k bubnování nebo deformaci obalu.
Po výskytu závažné deformace není obvykle možné provést opravu na místě a je nutná náhrada. Deformace obalu nejen zhoršuje vnitřní degradaci izolace, ale může také poškodit elektrickou strukturu, mění původní vzdálenosti izolace. V extrémních případech může dojít k prasknutí vývodových čepic (viz obr. 1), což může vést k explozi nebo požáru.
Deformace obalu je především způsobena problémy s kvalitou výrobku, jako jsou: špatná kvalita materiálů elektrod nebo dielektrika; použití izolačního oleje, který nepohlcuje plyny; nedostatečně standardizované výrobní prostředí nebo procesy; zbytkové znečištění během výroby; nadměrné usilování o specifické výkonnostní parametry; nebo příliš tenký materiál obalu.
2.3 Neobvyklé zvýšení teploty u kondenzátorů
Neobvyklé zvýšení teploty u elektrických kondenzátorů vede k příliš vysoké teplotě těla, což urychluje termické stárnutí vnitřního dielektrika, snižuje jeho odpor izolace a může dokonce způsobit částečné výboje. Doba životnosti elektrických kondenzátorů obecně odpovídá "pravidlu 8°C": za každé 8°C nárůstu nad povolenou pracovní teplotu se očekávaná doba životnosti zhruba zmenší na polovinu.
Neobvyklé zvýšení teploty je především způsobeno špatnou ventilací nebo dlouhodobým přetlakem. Příklady zahrnují: nerozumné uspořádání prostoru v místnosti pro kondenzátory nebo špatnou instalaci ventilátorů, což vede k nedostatečnému odvádění tepla; zvýšené teplo produkované přetlakem, který způsobuje přetok; a harmonické proudy vygenerované usměrňovacími jednotkami, které také přispívají k přehřátí kondenzátoru. Kromě toho stárnutí dielektrika, proniknutí vlhkosti nebo vnitřní vady komponentů mohou zvýšit ztráty energie, což dále zhoršuje zvýšení teploty.
2.4 Povrchové výboje na vývodových čepicích kondenzátorů
Komponenty v instalacích elektrických kondenzátorů jsou obvykle těsně uspořádané. Během chodu okolní prostředí má vysokou teplotu a sílu elektrického pole, což usnadňuje adsorpci vzdušných nabitéch částic. To vede k akumulaci kontaminace na povrchu vývodových čepic, což zvyšuje povrchový proud unikající. Pod kombinovaným vlivem harmonických složek a napětí mohou vzniknout lokální povrchové oblouky na porcelánových vývodových čepicích. Jakmile se kontaminace akumuluje do kritické hranice, může dojít k povrchovému výboji, doprovázenému neobvyklým hlukem. V extrémních případech může dojít k externímu fáze-země krátkozaměru.
2.5 Neobvyklý hluk z kondenzátorů
Elektrické kondenzátory jsou statické reaktivní kompenzační zařízení bez pohyblivých částí nebo elektromagnetických excitací. Během normálního chodu by neměly produkovat žádný slyšitelný zvuk. Pokud se během chodu vyskytne neobvyklý hluk, může to naznačovat vysokou energetickou částečnou výboj uvnitř kondenzátoru a zařízení by mělo být okamžitě odpojeno pro kontrolu.
2.6 Prasknutí kondenzátoru
Prasknutí kondenzátoru je závažné selhání s významnými následky. Typicky nastane, když dojde k vnitřnímu selhání izolace mezi elektrodami nebo mezi elektrodou a obalem, což vede k průchodovému krátkozaměru. Ostatní kondenzátory paralelně zapojené pak rychle nabíjejí a vybíhají do vadného jednotky. Pokud vložená energie překročí mechanickou pevnost obalu, kondenzátor může prasknout a vyvrhnout olej, což může vést k požáru, ohrožuje bezpečnost celé transformátorové stanice a může dokonce vést k zraněním nebo smrti osob.
Kaskádový incident s prasknutím celé banky kondenzátorů je znázorněn na obrázku 2, způsobený vnitřním selháním prvku kondenzátoru; detailní stav vadného prvku je znázorněn na obrázku 3.
2.7 Přehřátí spojovacích terminálů banky kondenzátorů
Jakmile jsou banky kondenzátorů napájeny, pracují pod plným zatížením s vysokými proudy v obvodu. Pokud interní spoje mají špatný kontakt, nedostatečnou konstrukci nebo instalaci, nebo nedostatečnou údržbu, může dojít k lokálnímu přehřátí v místech spojení. Dlouhodobé přehřátí může vést k přílišnému akumulaci tepelné energie, což může vést k tavení spojovacích vodičů. Přehřátí spojů bank kondenzátorů je poměrně běžné; stav roztaveného spoje je znázorněn na obrázku 4.
3 Preventivní opatření proti nehodám
3.1 Zajištění kvality výroby a instalace zařízení
Bezpečný chod elektrických kondenzátorů závisí na kvalitě výroby a instalace zařízení. Během výroby je nezbytné striktně dodržovat technologické postupy, používat kvalifikované suroviny a výrobní zařízení a posilovat kvalitativní dohled po celou dobu výroby. Přísné tovární kontroly zajišťují kvalitu produktu. Na místě instalace by měly být banky kondenzátorů rozděleny na fáze a skupiny, aby byla zajistěna vyvážená kapacitní shoda mezi fázemi a sekci. Kromě toho by měl být důraz kladen na předávací a přijímací procedury po instalaci, aby byla zajištěna kvalita instalace a minimalizovány poruchy během chodu.
3.2 Zlepšení metod provozu a chodu
Při provádění operací napájení a vypínání zátěže linek musí banky kondenzátorů dodržovat princip "nejdříve odpojit, potom připojit", zatímco zátěžové linky by měly dodržovat pořadí "nejdříve připojit, potom odpojit". Tento pořadí nesmí být libovolně změněn.
Před obnovením provozu bank kondenzátorů musí být zajištěna dostatečná doba vypouštění. Frekventní přepínání bank kondenzátorů by mělo být minimalizováno; opětovné připojení může proběhnout až po úplném vypouštění. Pokud dojde k poruše, která způsobí, že ochranné zařízení odpojí banku kondenzátorů, nemůže být znovu připojena, dokud není identifikována příčina, aby se zabránilo eskalaci nehody.
Aby se zabránilo vlivu vysokých harmonických složek na banky kondenzátorů, je třeba vybrat vhodné koeficienty reaktance v závislosti na specifických aplikacích. To efektivně potlačuje vysoké harmonické složky, snižuje příchozí proudy a přetlak při připojení, zajišťuje bezpečný chod celého systému.
3.3 Kontrola teploty provozního prostředí
Provozní teplota kondenzátorů přímo ovlivňuje jejich výkon a životnost. Vysoké teploty urychluje stárnutí izolace a zkracují životnost. Proto je klíčové kontrolovat teplotu provozního prostředí. Banky kondenzátorů umístěné v interiéru by měly udržovat dobré větrání a tam, kde je to nutné, nainstalovat automatické systémy řízení teploty. Venkovní jednotky by měly vyhnout se přímému slunečnímu záření a zajistit správné větrání a odvádění tepla. Pravidelně provádějte živé infračervené termografie bank kondenzátorů a souvisejícího zařízení, abyste mohli včas podniknout opatření a zajistit, aby vnitřní teplota média a teplota prostředí splňovaly předpisy.
3.4 Implementace online monitoringu stavu zařízení
Instalace online monitorovacích zařízení na bankách kondenzátorů umožňuje sledovat stav provozu v reálném čase, což pomáhá včas detekovat a řešit potenciální poruchy. To zahrnuje sledování skutečného provozního napětí, částečných výbojů, ztrát v dielektriku, kapacity, unikajícího proudu a dalších charakteristických signálů. To nejen pomáhá diagnostikovat a izolovat poruchy, ale také umožňuje analyzovat potenciální vady, dosahující prediktivní varování před poruchami.
3.5 Posílení pravidelného inspekce zařízení
