Які є характеристики механізмів відмов та запобіжні заходи для електролітних конденсаторів

1 Механізми виникнення несправностей у електроемних конденсаторах

Електроемний конденсатор зазвичай складається з корпусу, сердцевини конденсатора, ізоляційної середовища та термінальної конструкції. Корпус зазвичай виготовляється з тонкої сталі або нержавіючої сталі, з ввареними в кришку клемниками. Сердцевина конденсатора намотана з поліпропіленової плівки та алюмінієвої фольги (електроди), а всередину корпусу заповнюється рідка діелектрична речовина для ізоляції та відведення тепла.

Як повністю герметичний пристрій, типові види несправностей електроемних конденсаторів включають:

• Злам внутрішніх елементів конденсатора;

• Перегоріння п’єз;

• Внутрішні короткозамкнення;

• Зовнішні випадкові розряди.

Внутрішні несправності є більш шкідливими для корпусу конденсатора, і, коли вони виникають, зазвичай не можуть бути відремонтовані на місці, що значно впливає на ефективність використання обладнання.

1.1 Злам внутрішніх елементів конденсатора

Злам елементів конденсатора зумовлюється факторами, такими як старіння діелектрика, проникнення вологи, дефекти виробництва та жорсткі умови експлуатації. Якщо елемент не має внутрішнього п’єзи, злам одного елемента призведе до короткого замикання паралельно з'єднаних елементів, вилучаючи їх з розділу напруги. Це збільшує робочу напругу на залишилих серійно з'єднаних елементах. Без своєчасного відокремлення аварійного елемента це створює серйозні ризики безпеки та може призвести до катастрофічних аварій.Використання внутрішніх п’єз дозволяє ефективне та швидке відокремлення аварійних елементів, підвищаючи безпеку експлуатації.

Злам конденсатора можна розподілити на три типи: електричний злам, тепловий злам та злам через часткові розряди.

• Електричний злам: Спричинений перевищенням напруги або гармоніками, що призводить до надмірно високої напруженості електричного поля через діелектрик, що призводить до зламу ізоляції в дефектних точках. Він характеризується коротким тривалістю та високою напруженістю поля. Напруженість зламу тісно пов'язана з рівномірністю поля, але менш чутлива до температури та тривалості дії напруги.

• Тепловий злам: Відбувається, коли генерація тепла перевищує його відведення, що призводить до постійного підвищення температури в діелектрику, що призводить до деградації матеріалу та остаточної втрати ізоляції. Це зазвичай відбувається під час стаціонарної роботи, з відносно нижчою напругою зламу та довшим часом дії напруги порівняно з електричним зламом.

• Злам через часткові розряди: Виникає через локальні високі електричні поля всередині діелектрика, що перевищують напруженість зламу областей з низькою проникністю, таких як рідини, гази або забруднення. Це ініціює часткові розряди, що поступово погіршують характеристики ізоляції, остаточно перетворюючись на повний злам через електрод. Процес є прогресивним, розвиваючись від непроникних розрядів до повного зламу ізоляції.

1.2 Перегоріння п’єз

Захист п’єзами є одним з найпоширеніших захисних заходів для електроемних конденсаторів та грає ключову роль у безпечній та стабільній роботі систем компенсації. Він поділяється на зовнішній та внутрішній захист п’єзами.

• Зовнішній захист п’єзами: Коли внутрішній елемент конденсатора виходить з ладу, аварійний струм через конденсатор та зовнішній п’єз збільшується. Коли струм досягає номінальної спалахової граничної величини п’єза, п’єз нагрівається, розриває теплове рівновагу та плавиться, відокремлюючи аварійний конденсатор, щоб запобігти розширенню аварії.

• Внутрішній захист п’єзами: При виході з ладу елемента, паралельні елементи розряджаються в аварійний елемент, генеруючи високу амплітуду, швидко затухаючий переходний струм. Енергія цього струму плавить серійно з'єднаний внутрішній п’єз, відокремлюючи аварійний елемент та дозволяючи решті конденсатора продовжувати роботу.

На практиці, неправильний вибір п’єз або погана контактна зв'язка можуть призводити до ненормального перегоріння п’єз під час нормальної роботи, помилково відокремлюючи здорові конденсатори та зменшуючи реактивну потужність.

Якщо внутрішні п’єзи неправильно розмірівани та не можуть своєчасно відокремити аварії, аварія може погіршитися, що може призвести до вибуху або пожежі конденсатора.

1.3 Внутрішні короткозамкнення

Внутрішні короткозамкнення в електроемних конденсаторах включають короткозамкнення живого електрода з корпусом та міжелектродні короткозамкнення. Вони зумовлюються, головним чином, довготривалим старінням діелектрика, внутрішнім проникненням вологи, перенапруженням або власними дефектами ізоляції, що виникають під час проектування або виробництва, всі ці фактори можуть призводити до пробою ізоляції типу пробою та внутрішніх короткозамкнень.

1.4 Зовнішні випадкові розряди

Зовнішні випадкові розряди вказують на аварії, що відбуваються поза корпусом конденсатора, спричинені зовнішніми факторами, такими як поверхневі розряди на клемниках, пробою клемників, міжфазні або міжфазно-земельні короткозамкнення або тріщини в керамічних клемниках через механічні навантаження. Ці аварії мають різні причини, але відбуваються в зовнішніх схемах. Вони зазвичай можуть бути виявлені та усунуті вчасно за допомогою релейної захисти, планових перевірок або офлайн-тестування. Їхня ймовірність та важкість менші, ніж у внутрішніх аварій, але все одно потребують достатньої уваги.

2 Типові характеристики та причини аварій електроемних конденсаторів
2.1 Протікання масла з корпусу конденсатора

Як повністю герметичний пристрій з високою напруженістю поля та великим струмом, протікання масла в електроемному конденсаторі не лише знижує рівень ізоляції через зниження рівня масла, але також дозволяє проникнення вологи через зниження внутрішнього тиску. Це призводить до зволоження ізоляції, зниження опору ізоляції та, врешті-решт, до зламу внутрішніх елементів або навіть вибуху.

Основні причини протікання масла включають: погане заварювання, що призводить до недостатньої герметизації; старіння або нерівномірно навантажені прокладки; механічні пошкодження під час транспортування або встановлення; недостатній догляд, що призводить до корозії корпусу; та механічні навантаження, що пошкоджують ущільнення клемників.

2.2 Деформація корпусу конденсатора

При нормальній роботі невелика розширення або скорочення корпусу конденсатора через зміну температури та напруги є прийнятним. Однак, коли внутрішня напруженість електричного поля занадто висока, що призводить до часткових розрядів або короткозамкнень, діелектрик розкладається, виробляючи велику кількість газу. Це збільшує внутрішній тиск в герметичному камері, що призводить до набряку або деформації корпусу.

При виникненні серйозної деформації, ремонт на місці зазвичай неможливий, і необхідна заміна. Деформація корпусу не лише погіршує внутрішнє старіння ізоляції, але також може пошкодити електричну конструкцію, змінюючи початкові ізоляційні прогалини. У складних випадках це може призвести до розбиття клемника (див. Рис. 1), що може призвести до вибуху або пожежі.

Деформація корпусу зумовлена, головним чином, проблемами якості продукту, такими як: погана якість електродного або діелектричного матеріалу; використання негазопоглинаного ізоляційного масла; незадовільне виробниче середовище або процеси; залишки забруднень під час виробництва; надмірне прагнення до певних показників продуктивності; або занадто тонкий матеріал корпусу.

2.3 Аномальне підвищення температури в конденсаторах

Аномальне підвищення температури в електроемних конденсаторах призводить до надмірної температури корпусу, що прискорює термічне старіння внутрішнього діелектрика, знижує його ізоляційну міцність, і може навіть спричинити часткові розряди. Термін служби електроемних конденсаторів зазвичай відповідає "правилу 8°C": за кожні 8°C підвищення понад дозволену проектну робочу температуру, очікуваний термін служби приблизно поділяється навпіл.

Аномальне підвищення температури зумовлено, головним чином, поганою вентиляцією або тривалою перевищеною струмовою нагрузкою. Приклади включають: нерозумну просторову розташування камери конденсатора або неправильне розташування вентиляційного обладнання, що призводить до недостатнього відведення тепла; підвищення нагріву через перевищення напруги, що призводить до перевищення струму; та гармонічні струми, що виробляються пристроями выпрямлення, що також вносять свій внесок у перегрівання конденсатора. Додатково, старіння діелектрика, проникнення вологи або внутрішні дефекти компонентів можуть збільшувати втрати потужності, що ще більше погіршує підвищення температури.

2.4 Поверхневі розряди на клемниках конденсатора

Компоненти установок електроемних конденсаторів зазвичай розташовані компактно. Під час роботи навколишнє середовище характеризується високою температурою та напруженістю електричного поля, що сприяє зберіганню заряджених частинок. Це призводить до забруднення поверхні клемників, що збільшує поверхневий струм утечки. Під впливом гармонік системи та напруги, на поверхні керамічних клемників можуть виникати локальні дугові розряди. Коли забруднення досягає критичного рівня, це може призвести до поверхневого розряду, супроводжуючись аномальним шумом. У складних випадках це може призвести до зовнішніх міжфазно-земельних короткозамкнень.

2.5 Аномальний шум від конденсаторів

Електроемні конденсатори є статичними реактивними компенсаційними пристроями без рухомих частин або електромагнітних елементів. Під час нормальної роботи вони не повинні видаляти слухових звуків. Якщо під час роботи виникає аномальний шум, це може вказувати на високоенергетичні часткові розряди всередині конденсатора, і обладнання повинно бути негайно відключене для перевірки.

2.6 Розрив конденсатора

Розрив конденсатора є серйозною аварією зі значними наслідками. Він зазвичай відбувається, коли внутрішній елемент конденсатора страждає від зламу ізоляції між електродами або електродом і корпусом, що призводить до короткого замикання. Інші конденсатори, що працюють паралельно, будуть швидко заряджатися та розряджатися в аварійний пристрій. Якщо введена енергія перевищує механічну міцність корпусу, конденсатор може розриватися та виводити масло, що може призвести до пожежі, загрожуючи безпеці всього підстанції, і навіть призводити до травм або загибелі особового складу.

Лавинний розрив, що включає весь банк конденсаторів, показаний на рис. 2, спричинений зламом внутрішнього елемента конденсатора; детальний стан вибутого елемента показаний на рис. 3.

2.7 Перегрівання з'єднань банку конденсаторів

Після підключення до мережі банки електроемних конденсаторів працюють під повною нагрузкою з високими струмами в цепі. Якщо внутрішні з'єднання мають погані контакти, недостатньо розроблені або встановлені, або недостатньо обслуговуються, може виникати локальне перегрівання в точках з'єднання. Тривале перегрівання може призводити до надмірного накопичення теплової енергії, що може призвести до плавлення з'єднуючих провідників. Аварії через перегрівання з'єднань банку конденсаторів є відносно поширеними; стан плавленого з'єднання показаний на рис. 4.

3 Заходи профілактики аварій

3.1 Забезпечення якості виробництва обладнання та вводу в експлуатацію

Безпечна робота електроемних конденсаторів залежить від якості виробництва обладнання та вводу в експлуатацію. Під час виробництва необхідно строго дотримуватися технологічних процесів, використовувати якісні сировини та виробничі обладнання, а також підсилювати контроль якості на всіх етапах. Ретельні заводські перевірки забезпечують якість продукції. На місці встановлення необхідно раціонально "розподілити" та "групувати", щоб забезпечити балансування ємності між фазами та секціями. Також слід приділити увагу передачі та прийманню після встановлення, щоб гарантувати якість встановлення та зменшити аварії під час роботи.

3.2 Покращення методів експлуатації та роботи

• При виконанні операцій з підключенням та відключенням лінійних нагрузок, банки конденсаторів повинні дотримуватися принципу "відключити спочатку, а потім підключити", а лінії нагрузок повинні слідувати послідовності "підключити спочатку, а потім відключити". Цей порядок не може бути довільно змінений.

• Перед відновленням роботи банки конденсаторів, необхідно забезпечити достатній час для розряду. Часті переключення банок конденсаторів слід мінімізувати; повторне закриття можливе лише після повного розряду. Якщо аварія спричинила відключення банки конденсаторів захисними пристроями, в