Чем характеризуются механизмы отказов и меры предотвращения для силовых конденсаторов
1 Механизмы отказа силовых конденсаторов
Силовой конденсатор в основном состоит из корпуса, сердечника конденсатора, изоляционного материала и терминальной конструкции. Корпус обычно изготавливается из тонкой стали или нержавеющей стали, с втулками, сваренными к крышке. Сердечник конденсатора наматывается из полиэтиленовой пленки и алюминиевой фольги (электроды), а внутренняя часть корпуса заполняется жидким диэлектриком для изоляции и отвода тепла.
Как полностью герметичное устройство, типичные виды отказов силовых конденсаторов включают:
Отказ внутренних элементов конденсатора;
Перегорание предохранителей;
Внутренние короткие замыкания;
Внешние разрядные отказы.
Внутренние отказы более разрушительны для корпуса конденсатора, и, как правило, после их возникновения невозможно выполнить ремонт на месте, что значительно влияет на эффективность использования оборудования.
1.1 Отказ внутренних элементов конденсатора
Отказ элементов конденсатора в основном вызван факторами, такими как старение диэлектрика, проникновение влаги, дефекты производства и жесткие условия эксплуатации. Если элемент не имеет внутреннего предохранителя, то при отказе одного элемента его параллельно подключенные аналоги будут выведены из цепи деления напряжения, что увеличит рабочее напряжение на оставшихся последовательно соединенных элементах. Без своевременной изоляции неисправности это создает серьезные риски безопасности и может привести к катастрофическим отказам.Использование внутренних предохранителей позволяет эффективно и быстро изолировать неисправные элементы, повышая безопасность эксплуатации.
Отказ конденсатора можно разделить на три типа: электрический пробой, тепловой пробой и частичный разрядный пробой.
Электрический пробой: вызван перенапряжением или гармониками, что приводит к чрезмерно высокому электрическому полю через диэлектрик, вызывая отказ изоляции в дефектных точках. Он характеризуется короткой продолжительностью и высокой интенсивностью поля. Пробивная прочность тесно связана с равномерностью поля, но менее чувствительна к температуре и длительности напряжения.
Тепловой пробой: происходит, когда выделение тепла превышает его рассеивание, вызывая постоянное повышение температуры диэлектрика, что приводит к деградации материала и окончательному отказу изоляции. Это обычно происходит во время стационарной работы, с относительно меньшим напряжением пробоя и более длительным временем воздействия по сравнению с электрическим пробоем.
Частичный разрядный пробой: результат локализованного высокого электрического поля внутри диэлектрика, превышающего пробивную прочность областей с низкой диэлектрической проницаемостью, таких как жидкости, газы или примеси. Это инициирует частичные разряды, которые постепенно ухудшают изоляцию, в конечном итоге приводя к полному пробою между электродами. Процесс прогрессирует, развиваясь от непроникающих разрядов до полного отказа изоляции.
1.2 Перегорание предохранителей
Защита предохранителями является одним из наиболее распространенных защитных мер для силовых конденсаторов и играет важную роль в безопасной и стабильной работе компенсационных систем. Она классифицируется на внешнюю и внутреннюю защиту предохранителями.
Внешняя защита предохранителями: при отказе внутреннего элемента конденсатора ток неисправности через конденсатор и внешний предохранитель увеличивается. Когда ток достигает номинального порога плавления предохранителя, он нагревается, теряет тепловое равновесие и плавится, отключая неисправный конденсатор, чтобы предотвратить дальнейшее развитие неисправности.
Внутренняя защита предохранителями: при отказе элемента параллельные элементы разряжаются в неисправный элемент, генерируя высокоамплитудный, быстро затухающий переходный ток. Энергия этого тока плавит последовательно соединенный внутренний предохранитель, изолируя неисправный элемент и позволяя остальному конденсатору продолжать работу.
На практике, неправильный выбор предохранителей или плохой контакт в терминалах могут вызвать ненормальное перегорание предохранителей во время нормальной работы, ошибочно выводя из строя исправные конденсаторы и снижая реактивную мощность.
Если внутренние предохранители выбраны неправильно и не могут своевременно изолировать неисправности, неисправность может усугубиться, потенциально приводя к взрыву или пожару конденсатора.
1.3 Внутренние короткие замыкания
Внутренние короткие замыкания в силовых конденсаторах в основном включают короткие замыкания между живым электродом и корпусом, а также между электродами. Эти неисправности в основном вызваны долговременным старением диэлектрика, проникновением влаги внутрь, перенапряжением или врожденными дефектами изоляции, возникающими в результате проектирования или процесса производства, что может привести к пробою изоляции и внутренним коротким замыканиям.
1.4 Внешние разрядные отказы
Внешние разрядные отказы относятся к отказам, происходящим вне корпуса конденсатора, вызванным внешними факторами, такими как поверхностные разряды на втулках, пробой втулок, межфазные или фазно-земляные короткие замыкания, или трещины в фарфоровых втулках вследствие механических нагрузок. Эти отказы имеют разнообразные причины, но происходят в внешней цепи. Они, как правило, могут быть обнаружены и устранены вовремя с помощью действий релейной защиты, регулярных осмотров или офлайн-тестирования. Их вероятность и серьезность ниже, чем у внутренних отказов, однако они все равно требуют достаточного внимания.
2 Общие характеристики и причины отказов силовых конденсаторов
2.1 Утечка масла из корпуса конденсатора
Как полностью герметичное устройство с высоким напряжением и высоким током, утечка масла в силовом конденсаторе не только снижает уровень изоляции из-за понижения уровня масла, но и позволяет проникновению влаги из-за снижения внутреннего давления. Это приводит к увлажнению изоляции, снижению сопротивления изоляции и, в конечном итоге, к отказу внутренних элементов или даже взрыву.
Основные причины утечки масла включают: некачественную сварку, приводящую к недостаточной герметизации; старение или неравномерное напряжение уплотнений; механические повреждения при транспортировке или установке; недостаточное обслуживание, вызывающее коррозию корпуса; и механическое напряжение, повреждающее уплотнения втулок.
2.2 Деформация корпуса конденсатора
При нормальных условиях эксплуатации небольшие расширения или сжатия корпуса конденсатора из-за изменения температуры и напряжения допустимы. Однако, когда внутреннее электрическое поле слишком велико, вызывая частичные разряды или короткие замыкания, диэлектрик разлагается, выделяя большое количество газа. Это увеличивает внутреннее давление в герметичной камере, приводя к вздутию или деформации корпуса.
При серьезной деформации, как правило, невозможно выполнить ремонт на месте, и требуется замена. Деформация корпуса не только усугубляет внутреннее ухудшение изоляции, но также может повредить электрическую конструкцию, изменяя первоначальные изоляционные зазоры. В тяжелых случаях это может привести к разрушению втулки (см. Рис. 1), что потенциально может вызвать взрыв или пожар.
Деформация корпуса в основном вызвана проблемами качества продукции, такими как: низкое качество материалов электродов или диэлектрика; использование негазопоглощающего изоляционного масла; несоответствующая производственная среда или процессы; остаточные примеси при производстве; чрезмерное стремление к достижению определенных показателей производительности; или материал корпуса, который слишком тонкий.
2.3 Аномальный нагрев конденсаторов
Аномальный нагрев силовых конденсаторов приводит к чрезмерному повышению температуры корпуса, что ускоряет термическое старение внутреннего диэлектрика, снижает его прочность изоляции и может даже вызвать частичные разряды. Срок службы силовых конденсаторов, как правило, следует правилу "8°C": каждые 8°C повышения температуры выше допустимой рабочей температуры, ожидаемый срок службы примерно вдвое уменьшается.
Аномальный нагрев в основном вызван плохой вентиляцией или длительными условиями перегрузки. Примеры включают: нерациональную планировку помещения конденсаторов или неправильное расположение вентиляционного оборудования, что приводит к недостаточному теплоотводу; увеличение нагрева из-за работы при повышенном напряжении, вызывающем перегрузку; и гармонические токи, генерируемые выпрямительными установками, которые также способствуют перегреву конденсаторов. Кроме того, старение диэлектрика, проникновение влаги или внутренние неисправности компонентов могут увеличить потери мощности, еще больше усугубляя нагрев.
2.4 Поверхностные разряды на втулках конденсаторов
Компоненты в установках силовых конденсаторов обычно располагаются компактно. При эксплуатации окружающая среда характеризуется высокой температурой и электрическим полем, что способствует адсорбции заряженных частиц. Это приводит к накоплению загрязнений на поверхности втулок, увеличивая поверхностный ток утечки. Под совместным воздействием гармоник системы и напряжения на фарфоре втулок могут возникнуть локальные поверхностные дуги. Когда загрязнения накапливаются до критического уровня, это может привести к поверхностному пробою, сопровождаемому аномальным шумом. В тяжелых случаях это может привести к внешнему фазно-земляному короткому замыканию.
2.5 Аномальный шум от конденсаторов
Силовые конденсаторы являются статическими устройствами реактивной компенсации без движущихся частей или электромагнитных возбудителей. В нормальном режиме работы они не должны издавать слышимый звук. Если во время работы возникает аномальный шум, это может указывать на высокую энергию частичных разрядов внутри конденсатора, и оборудование должно быть немедленно обесточено для проверки.
2.6 Разрыв конденсатора
Разрыв конденсатора — это серьезная неисправность с значительными последствиями. Как правило, это происходит, когда внутренний элемент конденсатора страдает от пробоя изоляции между электродами или между электродом и корпусом, что приводит к сквозному короткому замыканию. Другие конденсаторы, работающие параллельно, затем быстро заряжаются и разряжаются в неисправный элемент. Если внесенная энергия превышает механическую прочность корпуса, конденсатор может разорваться и выбросить масло, что потенциально может вызвать пожар, угрожая безопасности всей подстанции, и даже привести к травмам или гибели персонала.
Каскадный разрыв, включающий весь банк конденсаторов, показан на рисунке 2, вызванный пробоем внутреннего элемента конденсатора; подробное состояние неисправного элемента показано на рисунке 3.
2.7 Перегрев соединительных терминалов банка конденсаторов
После подключения к сети банки конденсаторов работают под полной нагрузкой с высокими токами цепи. Если внутренние соединения имеют плохой контакт, недостаточный проект или установку, или недостаточное обслуживание, может произойти локальный перегрев в точках соединений. Длительный перегрев может привести к чрезмерному накоплению тепловой энергии, что потенциально может вызвать плавление соединительных проводников. Неисправности перегрева соединительных терминалов банков конденсаторов относительно распространены; состояние расплавленного соединения показано на рисунке 4.
3 Предупредительные меры против аварий
3.1 Обеспечение качества производства и пуско-наладочных работ оборудования
Безопасная эксплуатация силовых конденсаторов зависит от качества производства и пуско-наладочных работ. В процессе производства необходимо строго следовать технологическим процессам, использовать качественные исходные материалы и производственное оборудование, а также усиливать контроль качества на всех этапах. Тщательные заводские испытания обеспечивают качество продукции. На месте установки необходимо рационально "фазировать и группировать" для обеспечения сбалансированного соответствия емкостей между фазами и секциями. Кроме того, следует уделять внимание передаче и приемке объекта после установки, чтобы гарантировать качество установки и минимизировать неисправности во время эксплуатации.
3.2 Улучшение методов эксплуатации и работы
При выполнении операций включения и отключения линейных нагрузок, банки конденсаторов должны следовать принципу "сначала отключить, затем подключить", в то время как линии нагрузки должны следовать последовательности "сначала подключить, затем отключить". Этот порядок не может быть произвольно изменен.
Перед восстановлением работы банка конденсаторов необходимо обеспечить достаточное время разрядки. Частые переключения банков конденсаторов следует минимизировать; повторное включение возможно только после полной разрядки. Если неисправность вызывает срабатывание защитных устройств и отключение банка конденсаторов, повторное подключение не должно производиться до выявления причины, чтобы предотвратить эскалацию аварии.
Для предотвращения влияния высших гармоник на банки конденсаторов, следует выбирать подходящие коэффициенты реактивности в зависимости от конкретных условий применения. Это эффективно подавляет высшие гармоники, снижает импульсные токи и перенапряжения при включении, обеспечивая безопасную работу всей системы.
3.3 Контроль температуры рабочей среды
Рабочая температура конденсаторов напрямую влияет на их производительность и срок службы. Высокие температуры ускоряют старение изоляции, сокращая срок службы. Поэтому контроль температуры рабочей среды крайне важен. Для внутренне установленных банков конденсаторов необходимо обеспечивать хорошую вентиляцию и, при необходимости, устанавливать автоматические системы контроля температуры. Внешние установки следует защищать от прямых солнечных лучей и обеспечивать надлежащую вентиляцию и теплоотвод. Регулярно выполняйте тепловизионные измерения банков конденсаторов и связанного оборудования, чтобы своевременно принимать меры, обеспечивая соответствие внутренней среды и окружающей среды установленным нормам.
3.4 Реализация онлайн-мониторинга состояния оборудования
Установка устройств онлайн-мониторинга на банках конденсаторов позволяет в реальном времени контролировать состояние оборудования, что помогает своевременно обнаруживать и устранять потенциальные неисправности. Это включает в себя мониторинг фактического рабочего напряжения, частичных разрядов, потерь в диэлектрике, емкости, тока утечки и других характеристик. Это не только помогает в диагностике и изоляции неисправностей, но и позволяет анализировать потенциальные дефекты, обеспечивая предупреждение о возможных отказах.
3.5 Усиление регулярного осмотра оборудования
Усиление регулярного осмотра крайне важно для обеспечения нормальной работы банков конденсаторов. Особое внимание следует уделять проверке деформаций корпуса, утечек масла, степени загрязнения фарфоровых изоляторов, признаков разрядов, электрических расстояний и температуры окружающей среды. Вспомогательные методы, такие как тепловизионное обследование, позволяют обнаруживать перегрев соединений, что обеспечивает своевременное техническое обслуживание и безопасную эксплуатацию сборок силовых конденсаторов.
Заключение
Анализируя механизмы, характеристики и причины отказов силовых конденсаторов, данная статья предлагает предупредительные меры с пяти сторон: качество оборудования и пуско-наладочных работ, методы эксплуатации, контроль температуры рабочей среды, онлайн-мониторинг состояния и регулярные осмотры. Эти рекомендации предоставляют практическое руководство для эффективного применения силовых конденсаторов.
