อะไรคือลักษณะกลไกการล้มเหลวและการป้องกันของตัวเก็บประจุไฟฟ้า

1 กลไกการเสียหายของตัวเก็บประจุไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าประกอบด้วยโครงสร้างหลัก ได้แก่ โครง, แกนกลางตัวเก็บประจุ, สารฉนวน, และโครงสร้างขั้วต่อ โครงมักทำจากเหล็กหรือสแตนเลสบางๆ พร้อมกับปลอกที่เชื่อมต่ออยู่บนฝาครอบ แกนกลางตัวเก็บประจุถูกพันด้วยฟิล์มโพลีโพรพิลีนและฟอยล์อลูมิเนียม (ขั้ว) และภายในโครงจะเติมสารฉนวนเหลวเพื่อใช้เป็นฉนวนและระบายความร้อน

ในฐานะอุปกรณ์ที่ปิดสนิท ประเภทการเสียหายที่พบบ่อยในตัวเก็บประจุไฟฟ้ารวมถึง:

• การชำรุดขององค์ประกอบภายในตัวเก็บประจุ;

• การขาดวงจรฟิวส์;

• การเกิดวงจรป้อนภายใน;

• การเกิดวงจรป้อนภายนอก.

การเสียหายภายในมีผลกระทบที่ทำลายตัวตัวเก็บประจุมากกว่า และเมื่อเกิดขึ้นแล้วโดยทั่วไปไม่สามารถซ่อมแซมได้ที่หน้างาน ส่งผลให้ประสิทธิภาพการใช้งานอุปกรณ์ลดลงอย่างมาก

1.1 การชำรุดขององค์ประกอบภายในตัวเก็บประจุ

การชำรุดขององค์ประกอบภายในตัวเก็บประจุมักเกิดจากปัจจัยต่าง ๆ เช่น การเสื่อมสภาพของสารฉนวน การเข้ามาของความชื้น ข้อบกพร่องในการผลิต และสภาพการทำงานที่รุนแรง หากองค์ประกอบไม่มีฟิวส์ภายใน การชำรุดขององค์ประกอบเดียวจะทำให้องค์ประกอบที่เชื่อมขนานกันเกิดวงจรป้อน ทำให้ไม่สามารถแบ่งแรงดันได้ ซึ่งจะเพิ่มแรงดันที่ทำงานบนองค์ประกอบที่เชื่อมอนุกรมที่เหลือ ถ้าไม่แยกผู้ที่มีปัญหาทันท่วงที จะเป็นอันตรายอย่างร้ายแรงและอาจนำไปสู่ความล้มเหลวที่ร้ายแรงการใช้ฟิวส์ภายในช่วยให้สามารถแยกองค์ประกอบที่เสียหายได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็ว ทำให้การดำเนินงานปลอดภัยยิ่งขึ้น

การชำรุดของตัวเก็บประจุสามารถจำแนกออกเป็นสามประเภท: การชำรุดทางไฟฟ้า, การชำรุดทางความร้อน, และการชำรุดจากการปล่อยประจุบางส่วน

• การชำรุดทางไฟฟ้า: เกิดจากแรงดันเกินหรือฮาร์โมนิก ทำให้แรงไฟฟ้าในสารฉนวนสูงเกินไป ทำให้เกิดการชำรุดของฉนวนที่จุดที่มีข้อบกพร่อง มีลักษณะเป็นระยะเวลาสั้นและมีความเข้มของสนามไฟฟ้าสูง ความแข็งแกร่งของการชำรุดมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้า แต่ไม่ไวต่ออุณหภูมิและความยาวเวลาของแรงดัน

• การชำรุดทางความร้อน: เกิดขึ้นเมื่อการผลิตความร้อนเกินกว่าการกระจายความร้อน ทำให้อุณหภูมิในสารฉนวนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้วัสดุเสื่อมสภาพและสุดท้ายจะทำให้เกิดการชำรุดของฉนวน มักเกิดขึ้นระหว่างการทำงานที่คงที่ โดยมีแรงดันที่ทำให้เกิดการชำรุดต่ำกว่าและการใช้แรงดันนานกว่าการชำรุดทางไฟฟ้า

• การชำรุดจากการปล่อยประจุบางส่วน: เกิดจากสนามไฟฟ้าภายในสารฉนวนที่สูงเกินไป ทำให้เกินความแข็งแกร่งของการชำรุดของพื้นที่ที่มีความคลายตัวต่ำ เช่น ของเหลว, ก๊าซ, หรือสิ่งเจือปน ทำให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วนที่ค่อย ๆ ทำลายประสิทธิภาพของฉนวน จนกลายเป็นการชำรุดผ่านขั้วอย่างสมบูรณ์ กระบวนการนี้เป็นการพัฒนาอย่างค่อยเป็นค่อยไป จากการปล่อยประจุที่ไม่ทะลุถึงการชำรุดของฉนวนอย่างสมบูรณ์

1.2 การขาดวงจรฟิวส์

การป้องกันด้วยฟิวส์เป็นหนึ่งในมาตรการป้องกันที่พบบ่อยที่สุดสำหรับตัวเก็บประจุไฟฟ้าและมีบทบาทสำคัญในการดำเนินงานอย่างปลอดภัยและมั่นคงของระบบชดเชย มีการจำแนกเป็นการป้องกันด้วยฟิวส์ภายนอกและการป้องกันด้วยฟิวส์ภายใน

• การป้องกันด้วยฟิวส์ภายนอก: เมื่องานภายในตัวเก็บประจุชำรุด กระแสไฟฟ้าผ่านตัวเก็บประจุและฟิวส์ภายนอกจะเพิ่มขึ้น ครั้งที่กระแสไฟฟ้าถึงขีดจำกัดการละลายของฟิวส์ ฟิวส์จะร้อนขึ้น ทำลายสมดุลความร้อน และละลาย เพื่อตัดตัวเก็บประจุที่ชำรุดและป้องกันการขยายตัวของความเสียหาย

• การป้องกันด้วยฟิวส์ภายใน: เมื่องานภายในชำรุด องค์ประกอบที่เชื่อมขนานจะปล่อยประจุเข้าสู่องค์ประกอบที่ชำรุด สร้างกระแสไฟฟ้าชั่วขณะที่มีขนาดใหญ่และลดลงอย่างรวดเร็ว พลังงานจากกระแสไฟฟ้านี้จะทำให้ฟิวส์ที่เชื่อมอนุกรมภายในละลาย แยกองค์ประกอบที่ชำรุดและทำให้ตัวเก็บประจุที่เหลือสามารถทำงานต่อได้

ในทางปฏิบัติ การเลือกฟิวส์ที่ไม่เหมาะสมหรือการติดต่อที่ไม่ดีที่ขั้วต่ออาจทำให้ฟิวส์ขาดอย่างผิดปกติระหว่างการทำงานปกติ ทำให้ตัวเก็บประจุที่ยังใช้งานได้ถูกนำออกโดยผิดพลาดและลดกำลัง реакทีฟที่ส่งออก

หากฟิวส์ภายในมีขนาดไม่เหมาะสมและไม่สามารถแยกความเสียหายได้ทันท่วงที ความเสียหายอาจแย่ลง อาจนำไปสู่การระเบิดหรือไฟไหม้ของตัวเก็บประจุ

1.3 การเกิดวงจรป้อนภายใน

การเกิดวงจรป้อนภายในตัวเก็บประจุไฟฟ้ามักเกิดจากวงจรป้อนระหว่างขั้วและโครงหรือวงจรป้อนระหว่างขั้ว สาเหตุมักเกิดจากการเสื่อมสภาพของสารฉนวนภายในระยะยาว การเข้ามาของความชื้น การใช้แรงดันเกิน หรือข้อบกพร่องในการออกแบบหรือการผลิต ซึ่งสามารถนำไปสู่การชำรุดของฉนวนแบบเจาะทะลุและวงจรป้อนภายใน

1.4 การเกิดวงจรป้อนภายนอก

การเกิดวงจรป้อนภายนอกหมายถึงความเสียหายที่เกิดขึ้นนอกตัวตัวเก็บประจุ ซึ่งเกิดจากปัจจัยภายนอก เช่น การลัดวงจรที่ผิวปลอก, การเจาะทะลุของปลอก, การลัดวงจรระหว่างเฟสหรือระหว่างเฟสกับพื้น, หรือการแตกของปลอกพอร์ซเลนเนื่องจากแรงกด ความเสียหายเหล่านี้มีสาเหตุที่หลากหลายแต่เกิดในวงจรภายนอก สามารถตรวจพบและแก้ไขได้ทันท่วงทีผ่านการป้องกันด้วยรีเลย์ การตรวจสอบประจำ หรือการทดสอบออฟไลน์ ความน่าจะเป็นและระดับความร้ายแรงของความเสียหายเหล่านี้น้อยกว่าความเสียหายภายใน แต่ยังต้องให้ความสนใจอย่างเพียงพอ

2 ลักษณะและสาเหตุของความเสียหายทั่วไปของตัวเก็บประจุไฟฟ้า
2.1 การรั่วไหลของน้ำมันจากตัวตัวเก็บประจุ

ในฐานะอุปกรณ์ที่ปิดสนิท มีสนามไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูง การรั่วไหลของน้ำมันในตัวเก็บประจุไฟฟ้าไม่เพียงแต่ลดระดับฉนวนเนื่องจากระดับน้ำมันต่ำลงเท่านั้น แต่ยังทำให้ความชื้นเข้ามาเนื่องจากแรงดันภายในลดลง นำไปสู่ความชื้นของฉนวน ความต้านทานฉนวนลดลง และสุดท้ายอาจทำให้องค์ประกอบภายในชำรุดหรือระเบิด

สาเหตุหลักของการรั่วไหลของน้ำมันรวมถึง: การเชื่อมที่ไม่ดีทำให้การปิดสนิทไม่เพียงพอ; การเสื่อมสภาพหรือการกดทับที่ไม่สม่ำเสมอของแผ่นยาง; การเสียหายทางกลไกระหว่างการขนส่งหรือการติดตั้ง; การบำรุงรักษาที่ไม่เพียงพอทำให้โครงสร้างเกิดการกัดกร่อน; และแรงกดทับทางกลไกที่ทำให้ปลอกปิดสนิทเสียหาย

2.2 การเปลี่ยนรูปของโครงตัวเก็บประจุ

ภายใต้ภาวะการทำงานปกติ การขยายหรือหดตัวเล็กน้อยของโครงตัวเก็บประจุเนื่องจากความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและแรงดันเป็นเรื่องที่ยอมรับได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อความเข้มของสนามไฟฟ้าภายในสูงเกินไป ทำให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วนหรือวงจรป้อน สารฉนวนจะสลายตัวและสร้างแก๊สจำนวนมาก ทำให้แรงดันภายในห้องปิดสนิทเพิ่มขึ้น นำไปสู่การพองหรือการเปลี่ยนรูปของโครง

เมื่อเกิดการเปลี่ยนรูปอย่างรุนแรง การซ่อมแซมที่หน้างานโดยทั่วไปไม่สามารถทำได้ และต้องทำการเปลี่ยนใหม่ การเปลี่ยนรูปของโครงไม่เพียงแต่ทำให้การเสื่อมสภาพของฉนวนภายในแย่ลงเท่านั้น แต่ยังอาจทำให้โครงสร้างไฟฟ้าเสียหาย ทำให้ช่องว่างฉนวนเดิมเปลี่ยนแปลง ในกรณีที่รุนแรงอาจทำให้ปลอกแตก (ดูรูปที่ 1) อาจนำไปสู่การระเบิดหรือไฟไหม้

การเปลี่ยนรูปของโครงมักเกิดจากปัญหาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ เช่น: คุณภาพวัสดุขั้วหรือสารฉนวนไม่ดี; การใช้น้ำมันฉนวนที่ไม่สามารถดูดซับแก๊ส; สภาพแวดล้อมการผลิตหรือกระบวนการผลิตที่ไม่ได้มาตรฐาน; ของเหลือเศษระหว่างการผลิต; การพยายามปรับปรุงค่าสมรรถนะเฉพาะอย่างมากเกินไป; หรือวัสดุโครงที่บางเกินไป

2.3 การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่ผิดปกติในตัวเก็บประจุ

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่ผิดปกติในตัวเก็บประจุไฟฟ้าทำให้อุณหภูมิของตัวเครื่องสูงเกินไป ซึ่งทำให้การเสื่อมสภาพทางความร้อนของสารฉนวนภายในเร็วขึ้น ลดความแข็งแกร่งของฉนวน และอาจทำให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วน การใช้งานของตัวเก็บประจุไฟฟ้าโดยทั่วไปจะปฏิบัติตามกฎ "8°C": สำหรับทุกการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 8°C ที่สูงกว่าอุณหภูมิการทำงานที่อนุญาตตามการออกแบบ ความคาดหวังในการใช้งานจะลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่ผิดปกติมักเกิดจากความระบายอากาศที่ไม่ดีหรือภาวะกระแสไฟฟ้าเกินที่ยืนยาว ตัวอย่างเช่น: การวางโครงสร้างภายในห้องตัวเก็บประจุที่ไม่เหมาะสมหรือการวางอุปกรณ์ระบายอากาศที่ไม่เหมาะสมทำให้การระบายความร้อนไม่เพียงพอ; การเพิ่มความร้อนเนื่องจากการทำงานด้วยแรงดันเกินทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเกิน; และกระแสฮาร์โมนิกที่สร้างขึ้นโดยอุปกรณ์แปลงไฟฟ้าที่ยังทำให้ตัวเก็บประจุร้อนขึ้น นอกจากนี้ การเสื่อมสภาพของสารฉนวน การเข้ามาของความชื้น หรือความเสียหายขององค์ประกอบภายในสามารถเพิ่มการสูญเสียพลังงาน ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นมากขึ้น

2.4 การปล่อยประจุบนผิวปลอกตัวเก็บประจุ

ส่วนประกอบในตัวติดตั้งตัวเก็บประจุไฟฟ้ามักถูกจัดเรียงอย่างกระชับ ในระหว่างการทำงาน สภาพแวดล้อมโดยรอบมีอุณหภูมิและความเข้มของสนามไฟฟ้าสูง ทำให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในอากาศสามารถถูกดูดซึมได้ง่าย ทำให้เกิดการสะสมของสิ่งสกปรกบนผิวปลอก ทำให้กระแสไฟฟ้ารั่วไหลบนผิวเพิ่มขึ้น ภายใต้ผลกระทบของฮาร์โมนิกและแรงดันของระบบ อาจเกิดอาร์คไฟฟ้าท้องถิ่นบนผิวเซรามิกของปลอก เมื่อสิ่งสกปรกสะสมถึงระดับวิกฤติ อาจทำให้เกิดการปล่อยประจุบนผิว พร้อมกับเสียงผิดปกติ ในกรณีที่รุนแรง อาจทำให้เกิดวงจรป้อนระหว่างเฟสกับพื้นภายนอก

2.5 เสียงผิดปกติจากตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ชดเชยความร้อนที่ไม่มีส่วนที่เคลื่อนไหวหรือส่วนที่กระตุ้นด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ในระหว่างการทำงานที่ปกติ ควรไม่มีเสียงที่สามารถได้ยิน ถ้าเกิดเสียงผิดปกติระหว่างการทำงาน อาจแสดงถึงการปล่อยประจุบางส่วนที่มีพลังงานสูงภายในตัวเก็บประจุ และควรปิดแหล่งพลังงานทันทีเพื่อตรวจสอบ

2.6 การระเบิดของตัวเก็บประจุ

การระเบิดของตัวเก็บประจุเป็นความเสียหายที่ร้ายแรงและมีผลกระทบอย่างมาก มักเกิดขึ้นเมื่องานภายในตัวเก็บประจุชำรุดจากการลัดวงจรระหว่างขั้วหรือระหว่างขั้วกับโครง ทำให้ตัวเก็บประจุที่ทำงานขนานกันจะชาร์จและปล่อยประจุอย่างรวดเร็วเข้าสู่ตัวที่ชำรุด ถ้าพลังงานที่ถูกส่งเข้าไปเกินกว่าความแข็งแกร่งทางกลไกของโครง ตัวเก็บประจุอาจระเบิดและปล่อยน้ำมัน อาจทำให้เกิดไฟไหม้ ทำให้ความปลอดภัยของสถานีไฟฟ้าทั้งหมดตกอยู่ในอันตราย และอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุที่ทำให้คนบาดเจ็บหรือเสียชีวิต

เหตุการณ์การระเบิดแบบต่อเนื่องของธนาคารตัวเก็บประจุทั้งหมดแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งถูกกระตุ้นโดยการชำรุดขององค์ประกอบภายในตัวเก็บประจุ; รายละเอียดสภาพขององค์ประกอบที่ชำรุดแสดงในรูปที่ 3

2.7 การร้อนเกินของขั้วต่อของธนาคารตัวเก็บประจุ

เมื่อต่อไฟ ธนาคารตัวเก็บประจุจะทำงานภายใต้โหลดเต็มและมีกระแสไฟฟ้าสูงในวงจร หากการเชื่อมต่อภายในมีการติดต่อที่ไม่ดี การออกแบบหรือการติดตั้งที่ไม่เหมาะสม หรือการบำรุงรักษาที่ไม่เพียงพอ อาจเกิดการร้อนเกินท้องถิ่นที่จุดเชื่อมต่อ การร้อนเกินที่ยืนยาวสามารถทำให้เกิดการสะสมของพลังงานความร้อนอย่างมาก อาจทำให้สายเชื่อมต่อละลาย การร้อนเกินที่ขั้วต่อของธนาคารตัวเก็บประจุมักพบบ่อย; สภาพของขั้วต่อที่ละลายแสดงในรูปที่ 4

3 มาตรการป้องกันอุบัติเหตุ

3.1 รับรองคุณภาพในการผลิตและติดตั้งอุปกรณ์

การดำเนินงานอย่างปลอดภัยของตัวเก็บประจุไฟฟ้าขึ้นอยู่กับคุณภาพในการผลิตและติดตั้งอุปกรณ์ ในระหว่างการผลิต ควรปฏิบัติตามกระบวนการอย่างเคร่งครัด ใช้วัสดุและอุปกรณ์การผลิตที่มีคุณภาพ และเพิ่มการควบคุมคุณภาพตลอดกระบวนการ การตรวจสอบในโรงงานอย่างเข้มงวดจะรับรองคุณภาพของผลิตภัณฑ์ การติดตั้งที่หน้างานควรมีการจัดเรียงอย่างเหมาะสมเพื่อรับรองการจับคู่ความจุระหว่างเฟสและส่วนต่าง ๆ นอกจากนี้ ควรมีความสำคัญในการส่งมอบและยอมรับที่หน้างาน เพื่อรับรองคุณภาพการติดตั้งและลดความเสียหายระหว่างการดำเนินงาน

3.2 การปรับปรุงวิธีการดำเนินงานและการทำงาน

• เมื่อดำเนินการเปิดและปิดแหล่งโหลดสายไฟ ธนาคารตัวเก็บประจุต้องปฏิบัติตามหลักการ "ตัดก่อน แล้วจึงต่อ" ในขณะที่สายโหลดควรปฏิบัติตามลำดับ "ต่อแรก แล้วจึงตัด" ลำดับนี้ไม่ควรเปลี่ยนแปลงอย่างอิสระ

• ก่อนเรียกคืนการดำเนินงานของธนาคารตัวเก็บประจุ ต้องมั่นใจว่ามีเวลาปล่อยประจุเพียงพอ การสลับการต่อและตัดธนาคารตัวเก็บประจุควรลดลงให้น้อยที่สุด สามารถต่อใหม่ได้หลังจากปล่อยประจุครบถ้วน หากความเสียหายทำให้อุปกรณ์ป้องกันทริปธนาคารตัวเก็บประจุ ไม่สามารถต่อใหม่ได้ก่อนที่จะทราบสาเหตุ เพื่อป้องกันการขยายตัวของอุบัติเหตุ

• เพื่อหลีกเลี่ยงการกระทบของฮาร์โมนิกระดับสูงต่อธนาคารตัวเก็บประจุ ควรเลือกอัตราของตัวเหนี่ยวนำที่เหมาะสมตามสถานการณ์การใช้งานเฉพาะ ซึ่งสามารถยับยั้งฮาร์โมนิกระดับสูง ลดกระแสเข้าและแรงดันเกินเมื่อต่อ รับรองการดำเนินงานอย่างปลอดภัยของระบบทั้งหมด

3.3 การควบคุมอุณหภูมิสภาพแวดล้อมในการดำเนินงาน

อุณหภูมิในการดำเนินงานของตัวเก็บประจุมีผลต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน อุณหภูมิสูงทำให้การเสื่อมสภาพของฉนวนเร็วขึ้น ลดอายุการใช้งาน ดังนั้น การควบคุมอุณหภูมิสภาพแวดล้อมในการดำเนินงานเป็นสิ่งสำคัญ ธนาคารตัวเก็บประจุที่ติดตั้งภายในอาคารควรมีการระบายอากาศที่ดี และในกรณีที่จำเป็น ควรติดตั้งระบบควบคุมอุณหภูมิอัตโนมัติ ธนาคารตัวเก็บประจุที่ติดตั้งภายนอกควรหลีกเลี่ยงการสัมผัสแสงแดดโดยตรงและมั่นใจว่ามีการระบายอากาศและระบายความร้อนที่เหมาะสม ควรทำการตรวจสอบอินฟราเรดที่ทำงานอยู่ประจำของธนาคารตัวเก็บประจุและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องเพื่อทำการแก้ไขทันท่วงที รับรองว่าอุณหภูมิของสารกลางและอุณหภูมิสภาพแวดล้อมสอดคล้องกับกฎระเบียบ

3.4 การติดตั้งอุปกรณ์ตรวจสอบสถานะการดำเนินงานออนไลน์

การติดตั้งอุปกรณ์ตรวจสอบออนไลน์บนธนาคารตัวเก็บประจุช่วยให้สามารถตรวจสอบสถานะการดำเนินงานได้แบบเรียลไทม์