Was sind die Ausfallmechanismen Merkmale und präventiven Maßnahmen von Starkstromkondensatoren
1 Ausfallmechanismen von Leistungskondensatoren
Ein Leistungskondensator besteht hauptsächlich aus einem Gehäuse, dem Kondensatorelement, einem Isoliermedium und einer Anschlussstruktur. Das Gehäuse wird in der Regel aus dünnem Stahl oder Edelstahl hergestellt, mit Buchsen, die an den Deckel geschweißt sind. Das Kondensatorelement besteht aus Polypropylenfolie und Aluminiumfolie (Elektroden), und das Innere des Gehäuses ist mit flüssigem Dielektrikum gefüllt, um Isolation und Wärmeabfuhr zu gewährleisten.
Als vollständig abgedichtete Einrichtung sind gängige Ausfallarten von Leistungskondensatoren:
Innere Ausfälle des Kondensatorelements;
Sicherungsöffnung;
Interne Kurzschlussfehler;
Externe Entladungsfehler.
Interne Ausfälle sind für den Kondensatorkörper destruktiver und können, wenn sie auftreten, in der Regel nicht vor Ort repariert werden, was erheblich die Ausnutzungseffizienz der Ausrüstung beeinträchtigt.
1.1 Innere Ausfälle des Kondensatorelements
Kondensatorelementausfälle werden hauptsächlich durch Faktoren wie Alterung des Dielektrikums, Feuchtigkeitseintritt, Herstellungsfehler und harte Betriebsbedingungen verursacht. Wenn das Element keine interne Sicherung hat, führt ein einzelner Elementausfall zu einem Kurzschluss seiner parallelgeschalteten Gegenstücke, die dann nicht mehr am Spannungsteilen beteiligt sind. Dies erhöht die Betriebsspannung über die verbleibenden seriell geschalteten Elemente. Ohne zeitnahe Fehlerisolierung stellt dies ernsthafte Sicherheitsrisiken dar und kann zu katastrophalen Ausfällen führen.Die Verwendung interner Sicherungen ermöglicht eine effektive und prompte Isolierung fehlerhafter Elemente, was die Betriebssicherheit verbessert.
Kondensatorausfälle können in drei Arten unterteilt werden: elektrischer Ausfall, thermischer Ausfall und partieller Entladungsausfall.
Elektrischer Ausfall: Verursacht durch Überspannung oder Harmonische, die zu extrem hoher Feldstärke im Dielektrikum führen, wodurch an defekten Stellen eine Isolationsversagen auftritt. Es zeichnet sich durch kurze Dauer und hohe Feldstärke aus. Die Ausfallschwelle ist eng mit der Feldgleichmäßigkeit verbunden, aber weniger empfindlich gegenüber Temperatur und Spannungsdauer.
Thermischer Ausfall: Trifft ein, wenn die Wärmeproduktion die Wärmeableitung übersteigt, was zu einem kontinuierlichen Temperaturanstieg im Dielektrikum führt, was Materialalterung und letztendlich Isolationsversagen zur Folge hat. Dies tritt in der Regel während des stationären Betriebs auf, mit relativ niedrigerer Ausfallspannung und längerer Spannungsanwendungsdauer im Vergleich zum elektrischen Ausfall.
Partieller Entladungsausfall: Ergibt sich aus lokalen hohen Feldern innerhalb des Dielektrikums, die die Ausfallschwelle von Bereichen mit niedriger Permittivität wie Flüssigkeiten, Gase oder Verunreinigungen überschreiten. Dies initiiert partielle Entladungen, die die Isolierleistung schrittweise verschlechtern und letztendlich zu einem vollständigen Durchbruch zwischen den Elektroden führen. Der Prozess ist fortschreitend, entwickelt sich von nicht-durchdringenden Entladungen bis hin zu vollständigem Isolationsversagen.
1.2 Sicherungsöffnung
Sicherungsschutz ist eines der häufigsten Schutzmaßnahmen für Leistungskondensatoren und spielt eine entscheidende Rolle für den sicheren und stabilen Betrieb von Kompensationssystemen. Er wird in externen und internen Sicherungsschutz unterteilt.
Externer Sicherungsschutz: Wenn ein internes Kondensatorelement ausfällt, steigt der Fehlerstrom durch den Kondensator und die externe Sicherung. Sobald der Strom die eingestellte Soll-Sicherungsspannung erreicht, erhitzt sich die Sicherung, bricht die thermische Gleichgewichtsbedingung und schmilzt, trennt den defekten Kondensator, um ein weiteres Verschlimmern des Fehlers zu verhindern.
Interner Sicherungsschutz: Bei einem Elementausfall entladen parallele Elemente in das defekte Element, wodurch ein hochamplitudiger, schnell abklingender Transientenstrom entsteht. Die Energie dieses Stroms schmilzt die seriell geschaltete interne Sicherung, isoliert das defekte Element und ermöglicht es dem Rest des Kondensators, weiterhin zu arbeiten.
In der Praxis kann eine unangemessene Auswahl der Sicherung oder schlechte Kontakte an den Anschlüssen zu einer abnormalen Sicherungsöffnung während des normalen Betriebs führen, die gesunde Kondensatoren irrtümlich entfernt und die Blindleistung verringert.
Wenn interne Sicherungen falsch dimensioniert sind und Fehler nicht rechtzeitig isolieren, kann der Fehler verschlimmert werden, was möglicherweise zu Explosionen oder Bränden im Kondensator führt.
1.3 Interne Kurzschlussfehler
Interne Kurzschlussfehler in Leistungskondensatoren beinhalten hauptsächlich Kurzschlüsse zwischen lebendigen Elektroden und Gehäuse sowie zwischen Elektroden. Diese werden hauptsächlich durch langfristige Alterung des Dielektrikums, interne Feuchtigkeitseintritte, Überspannungsspannungen oder inhärente Isolationsfehler aus Design oder Fertigungsprozessen verursacht, die alle zu punktförmigen Isolationsdurchbrüchen und internen Kurzschlüssen führen können.
1.4 Externe Entladungsfehler
Externe Entladungsfehler beziehen sich auf Ausfälle, die außerhalb des Kondensatorkörpers auftreten, verursacht durch externe Faktoren wie Oberflächenentladungen an Buchsen, Buchsendurchbrüche, Phasen-zu-Phasen- oder Phasen-zu-Erde-Kurzschlüsse oder Risse in Porzellangehäusen aufgrund mechanischer Belastungen. Diese Fehler haben vielfältige Ursachen, treten jedoch in der externen Schaltung auf. Sie können in der Regel durch Relaisschutzaktionen, Routineinspektionen oder Offline-Tests rechtzeitig erkannt und gemildert werden. Ihre Auftretenswahrscheinlichkeit und Schweregrad sind geringer als bei internen Fehlern, verdienen jedoch ausreichende Aufmerksamkeit.
2 Häufige Fehlermerkmale und Ursachen von Leistungskondensatoren
2.1 Ölverlust aus dem Kondensatorkörper
Als vollständig abgedichtetes, hochfeldstarkes, hochstromfähiges Gerät führt ein Ölverlust in einem Leistungskondensator nicht nur zu einer Verringerung des Isolationsgrades aufgrund des niedrigeren Ölstandes, sondern auch zum Eindringen von Feuchtigkeit aufgrund des niedrigeren internen Drucks. Dies führt zu Isolationsfeuchtigkeit, reduziertem Isolationswiderstand und letztendlich zu internen Elementausfällen oder sogar Explosionen.
Hauptursachen für Ölverluste sind: mangelhafte Schweißarbeiten, die zu unzureichender Abdichtung führen; alternde oder ungleichmäßig belastete Dichtungen; mechanische Beschädigungen während des Transports oder der Montage; unzureichende Wartung, die zu Korrosion des Gehäuses führt; und mechanische Belastungen, die die Dichtungen der Buchsen beschädigen.
2.2 Verformung des Kondensatorgehäuses
Unter normalen Betriebsbedingungen ist eine geringfügige Ausdehnung oder Verkleinerung des Kondensatorgehäuses aufgrund von Temperatur- und Spannungsschwankungen akzeptabel. Wenn jedoch die innere elektrische Feldstärke zu hoch ist, was zu partiellen Entladungen oder Kurzschlüssen führt, zerfällt das Dielektrikum und erzeugt große Mengen an Gas. Dies erhöht den internen Druck im abgedichteten Raum und führt zu einer Ausbeulung oder Verformung des Gehäuses.
Sobald eine schwere Verformung auftritt, ist eine Reparatur vor Ort in der Regel nicht möglich, und ein Austausch ist erforderlich. Die Verformung des Gehäuses verschlimmert nicht nur die interne Isolationsverschlechterung, sondern kann auch die elektrische Struktur beschädigen, die ursprünglichen Isolationsabstände ändern. In schweren Fällen kann es zu Brüchen in den Buchsen (siehe Abb. 1) kommen, was potenziell zu Explosionen oder Bränden führen kann.
Verformungen des Gehäuses werden hauptsächlich durch Qualitätsprobleme des Produkts verursacht, wie z.B.: mangelhafte Qualität der Elektroden oder des Dielektrikums; Verwendung von nicht gasabsorbierendem Isolieröl; substandardige Produktionsumgebung oder -prozesse; Rückstände von Verunreinigungen während der Produktion; übermäßige Verfolgung spezifischer Leistungsmetriken; oder ein zu dünnes Gehäusematerial.
2.3 Abnorme Temperaturerhöhung in Kondensatoren
Eine abnorme Temperaturerhöhung in Leistungskondensatoren führt zu einer zu hohen Gehäusetemperatur, die die thermische Alterung des inneren Dielektrikums beschleunigt, dessen Isolationsstärke reduziert und möglicherweise sogar partielle Entladungen auslöst. Die Lebensdauer von Leistungskondensatoren folgt in der Regel der "8°C-Regel": Für jede 8°C-Übersteuerung über die zulässige Betriebstemperatur halbiert sich die erwartete Lebensdauer etwa.
Abnorme Temperaturerhöhungen werden hauptsächlich durch mangelhafte Belüftung oder längerdauernde Überstrombedingungen verursacht. Beispiele dafür sind: unzweckmäßige räumliche Anordnung des Kondensatorraums oder unangemessene Platzierung von Lüftungsgeräten, die zu unzureichender Wärmeabfuhr führen; erhöhte Wärmeerzeugung durch Überspannungsbetrieb, der zu Überströmen führt; und harmonische Ströme, die von Gleichrichteranlagen erzeugt werden und ebenfalls zu einer Überhitzung des Kondensators beitragen. Darüber hinaus können die Alterung des Dielektrikums, Feuchtigkeitseinträge oder interne Komponentenfehler die Verlustleistung erhöhen und die Temperaturerhöhung weiter verschlimmern.
2.4 Oberflächenentladung an Kondensatorbuchsen
Komponenten in Leistungskondensatorinstallationen sind in der Regel kompakt angeordnet. Während des Betriebs weist die Umgebung hohe Temperaturen und elektrische Feldstärken auf, was es leicht macht, geladene Partikel in der Luft anzulagern. Dies führt zu Verschmutzungen auf den Buchsenoberflächen, die den Oberflächenleckstrom erhöhen. Unter dem kombinierten Einfluss von Systemharmonischen und Spannung können lokale Oberflächenbögen auf dem Porzellan der Buchsen auftreten. Wenn die Verschmutzung einen kritischen Grad erreicht, kann es zu Oberflächenentladungen kommen, begleitet von ungewöhnlichen Geräuschen. In schweren Fällen kann dies zu externen Phasen-zu-Erde-Kurzschlüssen führen.
2.5 Ungewöhnliche Geräusche von Kondensatoren
Leistungskondensatoren sind statische Blindleistungskompensationseinrichtungen ohne bewegliche Teile oder elektromagnetische Anregungskomponenten. Im normalen Betrieb sollten sie kein hörbares Geräusch erzeugen. Wenn während des Betriebs ungewöhnliche Geräusche auftreten, können sie auf eine hochenergetische partielle Entladung im Kondensator hinweisen, und die Ausrüstung sollte sofort vom Netz genommen und untersucht werden.
2.6 Kondensatorplatzen
Das Platzen eines Kondensators ist ein schwerwiegender Ausfall mit erheblichen Konsequenzen. Es tritt in der Regel auf, wenn ein internes Kondensatorelement an einem Durchbruch der Isolation zwischen den Elektroden oder zwischen Elektrode und Gehäuse leidet, was zu einem Durchgangskurzschluss führt. Andere parallel geschaltete Kondensatoren werden dann schnell in das defekte Bauteil eingespeist und entladen. Wenn die eingespeiste Energie die mechanische Festigkeit des Gehäuses übersteigt, kann der Kondensator platzen und Öl austreten, was potenziell zu Bränden, zur Gefährdung der Sicherheit des gesamten Umspannwerks und sogar zu Personenschäden oder Todesfällen führen kann.
Ein Kaskadenplatzenvorfall, der eine gesamte Kondensatorbank betrifft, wird in Abbildung 2 gezeigt, ausgelöst durch den Ausfall eines internen Kondensatorelements; der detaillierte Zustand des defekten Elements wird in Abbildung 3 illustriert.
2.7 Überhitzung der Verbindungsterminals einer Kondensatorbank
Sobald sie energisiert sind, arbeiten Kondensatorbanken unter voller Last mit hohen Stromwerten. Wenn die internen Verbindungen schlechten Kontakt, unzureichende Konstruktion oder Montagepraktiken oder unzureichende Wartung aufweisen, kann es zu lokaler Überhitzung an den Verbindungspunkten kommen. Eine langanhaltende Überhitzung kann zu einer Überansammlung thermischer Energie führen, was potenziell dazu führen kann, dass die Verbindungskabel schmelzen. Überhitzungsfehler an den Verbindungsterminals von Kondensatorbanken sind relativ häufig; der Zustand einer geschmolzenen Verbindung wird in Abbildung 4 gezeigt.
3 Präventive Maßnahmen gegen Unfälle
3.1 Gewährleistung der Qualität bei der Herstellung und Installation der Ausrüstung
Der sichere Betrieb von Leistungskondensatoren hängt von der Qualität der Ausrüstungsherstellung und -installation ab. Während der Produktion ist es entscheidend, die Prozessabläufe streng einzuhalten, qualifizierte Rohstoffe und Produktionsanlagen zu verwenden und die Qualitätskontrolle während des gesamten Prozesses zu stärken. Streng durchgeführte Fabrikprüfungen stellen die Produktqualität sicher. Bei der Installation vor Ort sollten die Anlagen vernünftig "phasen- und gruppiert" sein, um ein ausgewogenes Kapazitätsmatching zwischen den Phasen und Abschnitten zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte der Standortübergabe und -akzeptanz nach der Installation besonderes Augenmerk geschenkt werden, um die Installationsqualität zu gewährleisten und Ausfälle während des Betriebs zu minimieren.
3.2 Verbesserung der Betriebs- und Laufzeitmethoden
Bei der Durchführung von Einschalt- und Ausschaltoperationen für Leitungslasten müssen Kondensatorbanken dem Prinzip "Zuerst trennen, dann einschalten" folgen, während Lastleitungen der Reihenfolge "Zuerst einschalten, dann trennen" folgen sollen. Diese Reihenfolge darf nicht willkürlich geändert werden.
Bevor die Operationen der Kondensatorbank wiederhergestellt werden, muss eine ausreichende Entladezeit gewährleistet sein. Häufige Schaltungen der Kondensatorbank sollten vermieden werden; erst nach vollständiger Entladung kann eine Wiederschaltung erfolgen. Wenn ein Fehler die Schutzvorrichtungen auslöst, um die Kondensatorbank abzutrennen, darf sie nicht wieder angeschlossen werden, bevor die Ursache identifiziert wurde, um ein Verschlimmern des Unfalls zu verhindern.
Um die Beeinflussung der Kondensatorbank durch höhere Harmonische zu vermeiden, sollten geeignete Dämpfungsraten basierend auf spezifischen Anwendungsszenarien ausgewählt werden. Dies unterdrückt effektiv höhere Harmonische, reduziert Einschaltströme und Überspannungen beim Einschalten und gewährleistet den sicheren Betrieb des gesamten Systems.
3.3 Steuerung der Betriebstemperatur der Umgebung
Die Betriebstemperatur von Kondensatoren beeinflusst direkt deren Leistung und Lebensdauer. Hohe Temperaturen beschleunigen die Isolationsalterung und verkürzen die Lebensdauer. Daher ist die Steuerung der Betriebsumgebungstemperatur entscheidend. Innen installierte Kondensatorbanken sollten eine gute Belüftung aufweisen und gegebenenfalls automatische Temperaturregelsysteme installiert werden. Außenstationierte Einheiten sollten direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt bleiben und eine angemessene Belüftung und Wärmeabfuhr gewährleistet sein. Regelmäßig sollten lebendige Infrarotthermografien an Kondensatorbanken und zugehörigen Geräten durchgeführt werden, um rechtzeitige Maßnahmen ergreifen zu können, um sicherzustellen, dass die internen Medientemperaturen und Umgebungstemperaturen den Vorschriften entsprechen.
3.4 Implementierung der Online-Überwachung des Betriebsstatus der Ausrüstung
Die Installation von Online-Überwachungsgeräten an Kondensatorbanken erleichtert die Echtzeitüberwachung des Betriebsstatus und hilft bei der schnellen Erkennung und Behandlung potenzieller Fehler. Dies umfasst die Überwachung der tatsächlichen Betriebsspannung, partieller Entladungen, Dielektrikumsverluste, Kapazität, Leckströme und anderer charakteristischer Signale. Dies hilft nicht nur bei der Diagnose und Isolierung von Fehlern, sondern ermöglicht auch die Analyse potenzieller Mängel und die Vorhersage von Fehlwarnungen.
3.5 Verbesserung der routinemäßigen Inspektion der Ausrüstung
Die Stärkung der routinemäßigen Inspektion ist entscheidend, um den normalen Betrieb von Kondensatorbanken sicherzustellen. Der Fokus sollte auf der Überprüfung von Gehäuseverformungen, Ölverlusten, Verschmutzungsgraden von Porzellanisolatoren, Anzeichen von Entladungen, elektrischen Abständen und Umgebungstemperaturen liegen. Hilfsmittel wie Infrarotthermografie können Überhitzungen an Verbindungen erkennen, ermöglichen rechtzeitige Wartung und gewährleisten den sicheren Betrieb von Leistungskondensatoranlagen.
Fazit
Durch die Analyse der Ausfallmechanismen, Merkmale und Ursachen von Leistungskondensatoren schlägt dieser Artikel präventive Maßnahmen aus fünf Aspekten vor: Qualität der Ausrüstung und Installation, Betriebsmethoden, Steuerung der Betriebstemperatur der Umgebung, Online-Überwachung des Betriebsstatus und routinemäßige Inspektionen. Diese Empfehlungen bieten praktische Anleitungen für die effektive Anwendung von Leistungskondensatoren.
