電力コンデンサの故障メカニズム特性と予防措置は何ですか？
1 電力コンデンサの故障メカニズム
電力コンデンサは主にハウジング、コンデンサコア、絶縁媒体、および端子構造から成ります。ハウジングは通常薄い鋼またはステンレス鋼で作られており、ブッシングがカバーに溶接されています。コンデンサコアはポリプロピレンフィルムとアルミニウム箔（電極）から巻かれています。ハウジング内部には液体絶縁体が充填され、絶縁と熱放出を行います。
完全密封デバイスとして、電力コンデンサの一般的な故障タイプには以下のものがあります：
内部コンデンサ要素の破壊；
ヒューズの焼き切れ；
内部ショート回路障害；
外部放電障害。
内部障害はコンデンサ本体にとってより破壊的であり、一度発生すると通常現場での修理は不可能で、設備の利用効率に大きな影響を与えます。
1.1 内部コンデンサ要素の破壊
コンデンサ要素の破壊は主に絶縁体の老化、湿気の侵入、製造上の欠陥、および厳しい動作条件などの要因によって引き起こされます。要素内にヒューズがない場合、単一の要素の破壊は並列接続された他の要素をショート回路させ、それらを電圧分担から外します。これにより、残りの直列接続要素間の動作電圧が増加します。タイムリーな障害隔離が行われない場合、これは深刻な安全リスクをもたらし、大規模な故障につながる可能性があります。内部ヒューズの使用により、故障要素の効果的かつ迅速な隔離が可能になり、動作安全性が向上します。
コンデンサの破壊は、電気的な破壊、熱的な破壊、部分放電による破壊の3つに分類できます。
電気的な破壊：過電圧や高調波によって引き起こされ、絶縁体間に過度に高い電界強度が生じ、絶縁体の欠陥点で絶縁が失敗します。短時間で高い電界強度が特徴です。破壊強度は電界の一様性に密接に関連していますが、温度や電圧の持続時間にはあまり敏感ではありません。
熱的な破壊：発熱が放熱を超えると、絶縁体の温度が上昇し続け、材料が劣化して最終的に絶縁が失敗します。これは通常定常状態での動作中に発生し、電気的な破壊よりも相対的に低い破壊電圧と長い電圧適用時間が特徴です。
部分放電による破壊：絶縁体内の局所的な高電界が液体、ガス、または不純物などの低誘電率領域の破壊強度を超えると、部分放電が始まります。これは徐々に絶縁性能を低下させ、最終的には完全な電極間の破壊へと進展します。この過程は進行的であり、非貫通放電から完全な絶縁失敗へと発展します。
1.2 ヒューズの焼き切れ
ヒューズ保護は電力コンデンサの最も一般的な保護手段の一つであり、補償システムの安全かつ安定した動作において重要な役割を果たします。これは外部ヒューズ保護と内部ヒューズ保護に分類されます。
外部ヒューズ保護：内部コンデンサ要素が故障すると、コンデンサおよび外部ヒューズを通る故障電流が増加します。電流がヒューズの定格溶断閾値に達すると、ヒューズが熱平衡を破り、溶けて故障コンデンサを切り離し、故障の拡大を防ぎます。
内部ヒューズ保護：要素が故障すると、並列要素が故障要素に放電し、高振幅で急速に減衰する一時的な電流が生成されます。この電流のエネルギーにより、直列接続された内部ヒューズが溶け、故障要素を隔離し、コンデンサの残りの部分が動作を続けることができます。
実際には、ヒューズの選択が不適切であるか、端子接点が不良であると、正常動作中に異常なヒューズの焼き切れが発生し、健康的なコンデンサが誤って取り除かれ、無効電力出力が減少することがあります。
内部ヒューズが適切にサイズが合わず、タイムリーに障害を隔離できない場合、障害は悪化し、コンデンサの爆発や火災につながる可能性があります。
1.3 内部ショート回路障害
電力コンデンサの内部ショート回路障害には主に、ライブ電極とハウジング間のショートと、電極間ショートがあります。これらは主に長期的な絶縁体の老化、内部への湿気の侵入、過電圧ストレス、または設計や製造プロセスからの固有の絶縁欠陥によって引き起こされ、穿孔型の絶縁破壊と内部ショート回路につながります。
1.4 外部放電障害
外部放電障害とは、ブッシング表面のフラッシュオーバー、ブッシングの穿孔、相間または相対地ショート回路、または機械的なストレスによる磁器ブッシングのクラックなど、外部要因によってコンデンサ本体外で発生する障害を指します。これらの障害は多様な原因を持ちますが、外部回路で発生します。リレープロテクション動作、定期点検、またはオフラインテストを通じて通常はタイムリーに検出および軽減することができます。発生確率と深刻さは内部障害よりも低いですが、十分な注意が必要です。
2 電力コンデンサの一般的な障害特性と原因
2.1 コンデンサ本体からの油漏れ
完全密封、高電界強度、高電流デバイスである電力コンデンサでは、油漏れは油レベルの低下により絶縁レベルが低下し、内部圧力の低下により湿気が侵入し、絶縁が濡れ、絶縁抵抗が低下し、最終的に内部要素の破壊や爆発につながります。
油漏れの主な原因には、溶接不良による不十分なシール、ゴムパッキンの劣化または応力の不均一、輸送または設置時の機械的損傷、メンテナンス不足によるハウジングの腐食、および機械的ストレスによるブッシングシールの損傷があります。
2.2 コンデンサハウジングの変形
通常の動作条件下では、温度と電圧の変動によるコンデンサハウジングの微小な膨張または収縮は許容範囲内です。しかし、内部電界強度が過剰になると、部分放電やショート回路が発生し、絶縁体が分解して大量のガスを生成します。これにより密封室の内部圧力が上昇し、ハウジングの膨張または変形が発生します。
重度の変形が発生すると、通常は現場での修理は不可能で、交換が必要です。ハウジングの変形は内部絶縁の劣化を加速させるだけでなく、電気構造を損傷し、元の絶縁クリアランスを変更します。重度の場合、ブッシングの破損（図1参照）を引き起こし、爆発や火災につながる可能性があります。
ハウジングの変形は主に製品品質の問題によって引き起こされます。例えば：電極または絶縁体材料の品質が悪い、ガス吸収しない絶縁油を使用している、製造環境やプロセスが基準を満たしていない、生産中に残留する不純物、特定の性能指標への過度の追求、またはハウジング材料が薄すぎるなどがあります。
2.3 コンデンサの異常温度上昇
電力コンデンサの異常温度上昇は、内部絶縁体の熱老化を加速し、その絶縁強度を低下させ、部分放電を引き起こす可能性があります。電力コンデンサの寿命は一般的に「8℃ルール」に従います。設計許容動作温度を超えて8℃上がると、期待される寿命は約半分になります。
異常温度上昇の主な原因は、換気が不十分または長期間の過電流状態です。例えば：コンデンサ室の空間配置が不合理または換気装置の配置が不適切で熱放出が不十分な場合、過電圧動作による過電流による発熱の増加、整流装置によって生成される高調波電流によるコンデンサの過熱などがあります。また、絶縁体の老化、湿気の侵入、または内部部品の故障も電力損失を増加させ、さらに温度上昇を悪化させます。
2.4 コンデンサブッシングの表面フラッシュオーバー放電
電力コンデンサの設置部品は通常、密に配置されています。動作中、周囲の環境は高温と高電界強度を特徴とし、空中の帯電粒子が容易に付着します。これによりブッシング表面に汚染が蓄積し、表面リーク電流が増加します。システムの高調波と電圧の影響を受けて、ブッシングの磁器表面で局所的なアーク放電が発生します。汚染が一定のレベルに達すると、表面フラッシュオーバー放電が発生し、異常な音が伴うことがあります。重度の場合、外部の相対地ショート回路につながることがあります。
2.5 コンデンサからの異常音
電力コンデンサは可動部品や電磁励磁部品を持たない静止無功補償装置です。正常動作時には音を発しません。動作中に異常音が発生した場合は、コンデンサ内で高エネルギーの部分放電が発生している可能性があり、すぐに停電して検査を行う必要があります。
2.6 コンデンサの破裂
コンデンサの破裂は重大な故障で、大きな影響を及ぼします。これは通常、内部コンデンサ要素が電極間または電極とハウジング間の絶縁破壊を起こし、通過故障ショート回路を引き起こすときに発生します。並列で動作している他のコンデンサは、故障ユニットに急速に充電・放電します。注入エネルギーがハウジングの機械強度を超えると、コンデンサは破裂し、油を放出し、火災を引き起こし、変電所全体の安全性を危険にさらし、人員の負傷や死亡につながる可能性があります。
内部コンデンサ要素の破壊によって引き起こされる全コンデンサバンクの連鎖破裂事例が図2に示されており、故障要素の詳細な状態は図3に示されています。
2.7 コンデンサバンク接続端子の過熱
電力コンデンサバンクは、通電されるとフル負荷で高電流が流れます。内部接続が接触不良、設計や設置方法が不十分、またはメンテナンスが不足している場合、接続点で局所的な過熱が発生する可能性があります。長期間の過熱により、過度の熱エネルギーが蓄積され、接続導体が溶ける可能性があります。コンデンサバンク端子での過熱障害は比較的よく発生し、溶けた接続の状態は図4に示されています。
3 事故防止対策
3.1 設備製造および設置調整の品質確保
電力コンデンサの安全な動作は、設備製造および設置調整の品質に大きく依存します。生産時には厳密に工程を遵守し、合格した原材料と生産設備を使用し、全工程を通じて品質監督を強化することが重要です。工場検査を厳格に行い、製品品質を確保します。現場設置時には合理的に「フェーズとグループ」を設定し、各フェーズおよびセクション間のキャパシタンスバランスを確保します。また、設置後の現場引き渡しと受け入れに重点を置いて、設置品質を保証し、運転中の障害を最小限に抑えることが求められます。
3.2 運転および運行方法の改善
線路負荷の通電および遮断操作を行う際、コンデンサバンクは「先に切断し、その後接続する」という原則を守り、負荷線路は「先に接続し、その後切断する」という順序を守ります。この順序は任意に変更することはできません。
コンデンサバンクの運転を復旧する前に、十分な放電時間を確保する必要があります。コンデンサバンクの頻繁な切り替えは最小限に抑え、完全に放電してから再閉じることができます。障害により保護装置がコンデンサバンクをトリップさせた場合、原因を特定する前に再接続することはできません。事故の拡大を防ぐためです。
高次高調波がコンデンサバンクに影響を与えないようにするために、具体的なアプリケーションシーンに基づいて適切なリアクトル率を選択します。これにより高次高調波を効果的に抑制し、閉じる際のインラッシュ電流と過電圧を減らし、システム全体の安全な運転を確保します。
3.3 動作環境温度の制御
コンデンサの動作温度は直接パフォーマンスと寿命に影響を与えます。高温は絶縁の老化を加速し、寿命を短縮します。そのため、動作環境温度の制御は重要です。屋内に設置されたコンデンサバンクは良好な換気を維持し、必要に応じて自動温度制御システムを設置します。屋外ユニットは直射日光を避けて適切な換気と熱放出を確保します。定期的にコンデンサバンクおよび関連設備に対してライブ赤外線サーモグラフィを実施し、適時に措置を講じ、内部媒体温度と環境温度が規定に準拠することを確認します。
3.4 設備運転状態のオンラインモニタリングの実施
コンデンサバンクにオンラインモニタリングデバイスを設置することで、運転状態のリアルタイムモニタリングが可能となり、潜在的な障害のタイムリーな検出と対処に役立ちます。これは実際の動作電圧、部分放電、誘電損失、キャパシタンス、リーク電流などの特性信号を監視することを含みます。これにより障害の診断と隔離だけでなく、潜在的な欠陥の分析を行い、予測的な障害警告を達成することができます。
3.5 設備の定期点検の強化
定期点検の強化は、コンデンサバンクの正常な動作を確保する上で重要です。ハウジングの変形、油漏れ、磁器絶縁体の汚染レベル、放電の兆候、電気距離、環境温度などをチェックする必要があります。赤外線サーモグラフィなどの補助手段を使用して接続部の過熱を検出し、タイムリーなメンテナンスを行い、電力コンデンサ組み立ての安全な動作を確保します。
結論
電力コンデンサの故障メカニズム、特性、原因を分析し、本記事では設備と設置調整の品質、運転方法、動作環境温度の制御、運転状態のオンラインモニタリング、定期点検の5つの側面から予防対策を提案しました。これらの推奨事項は、電力コンデンサの効果的な適用に実践的な指導を提供します。
