1、基于氢气含量监测的高压自愈式电容器 自愈失效保护方法 彭波 尹婷 姚健 李化 严飞 国家电网公司 中国电力科学研究院 电网环境保护 国家重点实验室 北京一同宇科技股份有限公司 华 中科技大学 摘 要： 随着新能源和柔性输电技术的发展, 电力系统对高压自愈式电容器需求量越来 越大。 理论上, 自愈式电容器不可能完全避免自愈失效的发生, 自愈失效会逐渐 发展为着火、爆炸等严重事故, 所以必须在自愈失效后尽快将其从电源切除。没 有可靠的自愈失效保护措施是高压自愈式电容器一直未能在电力系统推广使用 的重要原因之一。 本文通过自愈失效模拟试验, 得到自愈失效时电容器元件的产 气量和气体成分特性, 提出1
2、种基于氢气含量变化的自愈失效保护方法, 开发 了相应的监测电路, 并将监测电路安装在电容器单元内部进行模拟试验。 试验结 果证明:自愈失效后, 氢气含量监测电路可以输出 15 m V左右的信号, 可用于触 发保护装置, 且灵敏度高于压力保护装置。 关键词： 自愈式电容器; 自愈失效; 保护方法; 氢气含量监测; 作者简介：彭波 (1981) , 男, 高级工程师, 从事电力系统及高压电器方面的 技术工作。 作者简介：尹婷 (1979) , 女, 高级工程师, 从事高压电器及其智能化方面的 技术工作。 作者简介：李化 (1979) , 男, 副教授, 研究方向为电力系统及高压电器技 术。 作者简
3、介：严飞 (1981) , 男, 高级工程师, 从事高压电器及其智能化方面的 技术工作。 Self-healing Failure Protection Method of High Voltage Self-healing Capacitor Based on Hydrogen Content Monitoring PENG Bo YIN Ting YAO Jian LI Hua YAN Fei State Grid Corporation of China; China Electric Power Research Institute; Beijing Yitongyu S Huazho
4、ng University of Science and Technology; Abstract： With the development of new energy and flexible power transmission technology, the demand of power system to the self-healing capacitor is more.Theoretically, the self-healing capacitor cannot avoid completely occurrence of the self-healing failure,
5、 which will develop gradually into such serious accidents as fire and explosion etc.Therefore, the self-healing failure must be removed from the power supply as soon as possible.The reason that the HV self-healing capacitor is not widely promoted and used in the power system is due to no protection
6、measures for the self-healing failure.In this paper, the generated gas mount and the gas contents characteristic of the capacitor in case of self-healing failure is obtained by the selfhealing failure simulation, a kind of the self-healing failure protection is proposed on the basis of hydrogen cont
7、ents variation, the corresponding monitoring circuit is developed and installed inside the capacitor unit for simulation test.It is shown by the test result that after self-healing failure, the hydrogen contents monitoring circuit can output signal around 15 mV, which can be used to trip the protect
8、ion device and its sensitivity is higher than that of pressure protection device. Keyword： self-healing capacitor; self-healing failure; protection method; hydrogen contents monitoring; 0 引言 随着新能源和柔性输电技术的发展, 电力系统对高压自愈式电容器的需求量越 来越大, 电容器的运行可靠性对电网的安全运行越来越重要。 随着运行时间的增 长, 电容器上的自愈点数量会逐渐增多, 绝缘介质也会逐渐老化, 这就导
9、致了 自愈失效的出现只是时间问题, 完全不发生自愈失效的电容器理论上是不存在 的1-3。自愈失效发生以后, 经过或短或长的一段时间, 电容器会产生大量的 气体, 并有可能引发着火或爆炸等重大事故, 危害电网安全。 因此, 必须在电容 器发生自愈失效时, 尽快将其从电力系统中切除, 避免事故扩大4-6。 电力系统中常用的自愈式电容器主要有交流电容器、 直流电容器和脉冲电容器等 类型。由于交流系统的能量很大, 在发生自愈失效时注入故障点的能量非常大, 很容易发生着火等事故, 所以交流电容器的性能要求最高。 目前高压直流电容器 和脉冲电容器均有采用自愈式电容器的情况, 但自愈式电容器在高压交流电容
10、器中几乎没有使用, 主要问题是运行可靠性不高, 且没有可靠的自愈失效保护 方式7-9。 由于自愈式电容器在自愈失效时, 并非发生金属性短路, 其短路电阻在几个欧 姆到上百千欧姆范围内变化, 且没有明显的变化规律, 所以, 常用的电压或电 流不平衡保护无法对这种故障形式进行有效保护10-11。 压力保护装置是目前低压自愈式电容器常用的保护方式, 但如何应用于高压电 容器还没有成熟的研究成果。 压力保护是基于自愈失效产气导致电容器单元内部 气压变化, 当气压大到一定的程度时, 电容器单元的外壳会产生明显的形变, 通过外壳形变和机械传动装置切断电容器引线, 从而实现将自愈失效的电容器 从电源切除的目
11、的12-14。压力保护需要产气量达到一定程度, 气压足够大时 才能触发保护动作, 其灵敏度相对较低。 本文以高压交流自愈式电容器单元为研究对象, 通过试验研究其自愈失效时的 产气量和气体的成分特性, 根据试验结果提出基于气体成分变化的自愈失效保 护措施, 这种保护方式比压力保护的灵敏度更高。 1 自愈失效时的产气特性试验 在实际运行时, 由于交流系统容量非常大, 当某1台电容器发生故障时, 系统 电压几乎不会有变化。 在实验室进行试验时, 通常电源容量不可能无限大, 所以 高压无功设备的试验一般都要通过谐振的方式开展。 但是当试品电容器发生故障 时, 谐振状态被破坏, 电源输出电压会发生很大的
12、变化, 从而偏离初始试验条 件。 为了避免这种情况出现, 在试验回路中与试品电容器串联 1台电容值较小的 稳压电容器, 使得试品电容器故障时, 串联的总电容值不会发生很大的变化, 不会偏离谐振点太远, 从而保持电源电压维持在相对稳定的水平。 具体的试验回 路如图1所示。 图1 元件自愈失效模拟试验回路 Fig.1 Self-healing failure simulation test circuit of capacitor element 下载原图 图1中:T1为调压器, 额定电压为380 V/400 V, 容量为100 k VA;T2为升压变压 器, 额定电压为 400 V/15 k V
13、, 容量为100 k VA;L 为补偿电抗器, 其电感值在 工频条件下与C1、C2和C3的组合电容处于并联谐振状态;C1为稳压电容器, 其电 容值根据补偿电抗器 L的电感值和C2、C3的电容值计算获得;C2为模拟实际电容 器单元中与故障电容器元件并联的电容器元件的总电容;C3为试品电容器元件, C3在接入试验回路前先通过升高电压的方式将其击穿;K为真空接触器, 用于将 已经击穿的试品电容器元件 C3接入试验系统。 试验过程中利用Pearson 线圈测量流过试品电容器 C3的电流, 线圈型号为 101, 最大测量电流有效值为 200 A, 最大测量电流峰值为 50 k A, 有效带宽为 0.25
14、4 MHz。利用 Tek P5100A 高压探头测量C3两端电压。利用 FRC-50k V-C型交流分 压器测量电源电压。 选择工程中常用的额定电压 11/3 k V、容量 334 kvar 电容器单元的元件作为试 品电容器C3进行试验。334 kvar自愈式电容器单元内部采用 10个电容器元件并 联后再多个串联的结构, 单串元件组电容为 527F, 每只元件52.7F, 试品 元件额定电压317 V。根据上述结构, 选择试验回路中各元件的参数见表 1。 表1 试验回路参数配置 Table 1 Parameter allocation of test circuit 下载原表 为了确保试品自愈
15、失效, 在试验前先利用YD2665G 型耐电压测试仪将试品电容 器元件C3击穿, 利用Keysight E4980AL型LCR表测量C3击穿后的等效并联电阻, 然后将其置于封闭容器中, 如图2所示。 封闭容器通过阀门及塑料软管与倒置的 量筒相连, 量筒中充满水, 采用量筒收集试验过程中产生的气体, 如图 3所示。 C3自愈失效时产生的气体会上升至量筒的底部, 通过读取量筒上的刻度获得试 验产生气体的体积。 利用摄像头记录试验过程中试品产气、 燃烧等相关物理现象。 图2 置于封闭容器中的试品电容器元件 Fig.2 Tested capacitor element in a closed vess
16、el 下载原图 图3 气体收集装置 Fig.3 Gas handling device 下载原图 利用调压器逐渐升压至电容器额定电压后, 控制真空接触器闭合, 将故障电容 器元件C3接入试验回路, 保持 40 s。采集整个过程中试品电容器元件的产气量, 并检测气体成分和比例。 更换试品元件 C3, 多次重复上述试验过程, 获得自愈失 效时, 电容器元件的产气特性。试验结果见表 2。 从试验结果可看出, 电容器元件在发生自愈失效后, 有时候会产生明显物理现 象, 并逐渐发展为着火、 爆炸等事故, 也有可能在相当长的一段时间内不产生明 显物理现象。没有明显物理现象的试品, 基本不产生气体;有明显物
17、理现象的试 品, 伴随着相应的物理现象会产生一定量的气体, 且试验现象越激烈, 产气速 度越快, 产气量越大。 自愈失效不产生明显物理现象时, 电容器对系统没有危害, 可以暂时继续运行, 但对于伴随有明显物理现象的自愈失效, 必须尽快将其从 电源切除。试验过程中利用摄像头记录到试品 C3产生的典型物理现象如图 4所 示, 试验后试品的情况如图 5所示。 表2 52.7F 电容器元件自愈失效试验数据统计表 Table 2 Statistics of self-healing failure test data for52.7F capacitor element 下载 原表 图4 试验时发生燃烧
18、的电容器元件试品 Fig.4 Tested capacitor element burnt during the test 下载原图 图5 试验后心轴脱落的电容器元件试品 Fig.5 Tested capacitor element with mandrel falling off after the test 下载原图 对编号为8号、11号和 15号的电容器元件自愈失效时产生的气体成分进行了测 试, 测试结果见表 3。 表3 电容器元件自愈失效时产气成分体积比 Table 3 Volume ratio of gases generated by a capacitor element dur
19、ing the self-healing failure 下 载原表 根据表3的测试结果可以看出:自愈式电容器元件发生自愈失效且出现明显物理 现象时产生的气体中, H2占绝大部分 (85%) 。元件发生自愈失效时产生的气体 会逐渐汇聚到电容器单元顶部的空隙中, 引起空隙中氢气浓度的变化。 因此, 可 在电容器单元顶部装设氢气传感器用以检测空隙中氢气浓度的变化, 据此监测 自愈失效的发生和发展过程, 并触发保护信号切除故障电容器。 2 基于氢气含量监测的自愈失效保护方法 本文选择MD61热传导型氢气传感器作为氢气浓度的监测装置, 其外观如图 6所 示。MD61 型传感器根据混合气体的总导热系数随
20、待测气体的含量不同而改变的 原理制成, 由检测元件和补偿元件配对组成电桥的 1个臂。 遇导热系数比空气大 的气体时检测元件电阻变小, 遇导热系数比空气小的气体时检测元件电阻变大, 桥路输出电压变化, 该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大。 该型号氢气传 感器的氢气体积浓度检测范围为 0100%15。 图6 MD61 型氢气传感器 Fig.6 Type MD61 hydrogen sensor 下载原图 图7所示为氢气传感器检测电路, 测试电路输出电压为 41 m V, 使用 MD61型氢 气传感器需结合图7所示的检测电路, 在使用前将传感器置于氢气浓度为0的环 境中, 调节 500电位器使得
21、检测电路输出电压为 0。 环境中1%的氢气浓度增加 会导致检测电路的输出电压增大 4.1 m V, 该电路输出电压随着氢气浓度的增大 而线性增大。将其置于氢气浓度为 10%的环境中。 图7 氢气传感器检测电路Fig.7 Detection circuit of hydrogen sensor 下 载原图 将MD61 型氢气传感器检测电路安装在电容器单元内, 如图8所示。为了模拟电 容器元件自愈失效产气的情况, 在电容器单元内安置了 1个已击穿短路的元件 进行试验, 元件短路电阻为 4.56 k。试验前, 电容器单元的空腔内充满空气, 对电容器单元整体加压, 短路元件上承受500 V 的交流电压
22、, 加压5 s 后电容器 大量产气, 7 s时试验电源跳闸, 此时电容器外壳没有明显的形变。氢气传感器 检测电路输出电压值在 7 s内从0上升至14.85 m V。根据氢气浓度增加 1%会导 致检测电路的输出电压增大 4.1 m V, 可以算出输出电压为 14.85 m V 时氢气浓 度为3.62%。 图8 安装了氢气传感装置的电容器单元结构图 Fig.8 Structural diagram of capacitor unit with hydrogen gas sensor installed 下载原图 电容器单元空腔容积约2.9 L, 根据氢气浓度3.62%可以计算得H2的体积为105
23、m L。根据前文试验结果, 元件击穿产气中H2占 85%, 由此可推算出试验中元件产 气123.5 m L。该体积与元件自愈失效试验中测得的产气体积较为吻合。 因此, 将氢气传感器安装于电容器单元的顶部, 当检测到传感器检测电路输出 电压在短时间内迅速增大时, 可判断电容器元件出现了自愈失效, 可据此给出 信号切断电容器电源。 3 结束语 根据本文的研究结果, 可以得出如下结论: 1) 对于伴随有明显物理现象的自愈失效发生过程中, 电容器元件会产生大量的 气体。 物理现象越明显, 产气量越大, 产气速度越快, 产生气体的成分和含量相 对比较稳定, 其中氢气的体积百分比含量为 85%左右; 2)
24、 电容器元件自愈失效时, 安装在电容器单元顶部的氢气传感器电路能够输出 约15 m V 的电压, 可以将其作为电容器自愈失效的检测信号; 3) 氢气传感器电路在电容器外壳发生明显形变之前, 即可输出15 m V 的保护信 号, 相对于压力保护其灵敏度更高。 参考文献 1王文娟, 李化, 李智威, 等.通过电容器层间压强的增强提高电容器寿命J. 强激光与粒子束, 2014, 26 (4) :124-128.WANG Wenjuan, LI Hua, LI Zhiwei, et al.Lifetime improvement of metallized film capacitors by inn
25、er pressure strengtheningJ.High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26 (4) :124-128. 2力一峥, 郭良福, 赖贵友, 等.金属化膜电容器组保护研究J.高电压技术, 2008, 34 (4) :709-713.LI Yizheng, GUO Liangfu, LAI Guiyou, et al.Protection of metallized film capacitors bankJ.High Voltage Engineering, 2008, 34 (4) :709-713. 3GUILLERMIN C
26、, DUJEU O, LUPIN J M, et al.Metallized film power capacitors endoflife study through monitored destruction testsJ.IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28 (1) :368-375. 4李化, 章妙, 林福昌, 等.金属化膜电容器自愈理论及规律研究J.电工技 术学报, 2012, 27 (9) :218-223.LI Hua, ZHANG Miao, LIN Fuchang, et al.Study on theory and in
27、fluence factors of Selfhealing in metallized film capacitorsJ.Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27 (9) :218-223. 5LI Haoyuan, LI Hua, LI Zhiwei, et al.Temperature dependence of selfhealing characteristics of metallized polypropylene filmJ.Microelectronics Reliability, 2015, 55 (1
28、2) :2721-2726. 6李化, 陈耀红, 林福昌, 等.金属化膜脉冲电容器寿命特性J.强激光与粒 子束, 2010, 22 (4) :773-776.LI Hua, CHEN Yaohong, LIN Fuchang, et al.Lifetime characteristics of metallized film pulsed capacitorsJ.High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22 (4) :773-776. 7LI Haoyuan, Li Hua, Li Zhiwei et al.T pattern fuse const
29、ruction in segment metallized film capacitors based on selfhealing characteristicsJ.Microelectronics and reliability, 2015, 55 (6) :945-951. 8李化, 李智威, 王国帅, 等.脉冲功率应用中的金属化膜电容器寿命预测J. 强激光与粒子束, 2014, 26 (4) :129-134.LI Hua, LI Zhiwei, WANG Guoshuai, et al.Lifetime prediction of metallized polypropylene f
30、ilm capacitors in pulsed power applicationsJ.High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26 (4) :129-134. 9陈耀红, 章妙, 李化, 等.高场强下金属化膜电容器绝缘电阻特性J.强激 光与粒子束, 2012, 24 (4) :797-800.CHEN Yaohong, ZHANG Miao, LI Hua, et al.Insulation resistance characteristics of metallized film capacitor under high electric f
31、ieldJ.High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24 (4) :797-800. 10LIU Yi, LIN Fuchang, DAI Ling, et al.Development of a compact 450 k J pulsed power supply system for electromagnetic launcherJ.IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39 (1, 1, SI) :304-309. 11孔中华, 林福昌, 戴玲, 等.混合电极与全膜电容器的金属化膜自愈特性
32、J.高电压技术, 2008, 34 (4) :385-388.KONG Zhonghua, LIN Fuchang, DAI Ling, et al.Selfhealing characteristics of metallized hybrid electrodes and metallized capacitorsJ.High Voltage Engineering, 2008, 34 (4) :385-388. 12李智威, 李化, 杨佩原, 等.不同场强下金属化聚丙烯膜电容器泄漏特性 J.电工技术学报, 2013, 28 (9) :274-280.LI Zhiwei, LI Hua,
33、YANG Peiyuan, et al.Leakage characteristic of metallized polypropylene film capacitors under different electric fieldsJ.Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28 (9) :274-280. 13吴广守, 李晓华, 冉汉政, 等.高压脉冲造成储能电容器老化的直流局部放 电测试技术J.电工技术学报, 2010, 25 (7) :172-178.WU Guangshou, LI Xiaohua, RAN Han
34、zheng, et al.Partial discharge under DC condition with pulse discharge degradation of high voltage storage capacitorsJ.Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25 (7) :172-178. 14张之昊, 武建文, 李平, 等.应用于农村配电网的测量点与补偿点分离式无 功补偿设备及其优化配置J.电工技术学报, 2015, 30 (3) :205-213.ZHANG Zhihao, WU Jianwen, LI
35、 Ping, et al.Reactive power compensation and its optimal allocation with measurement part and compensation part separated in rural power gridJ.Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30 (3) :205-213. 15WECHSLER A, MECROW B C, ATKINSON D, et al.Condition monitoring of dclink capacitors in aerospace drivesJ.IEEE Transactions on Industry Applications, 2012, 48 (6) :1866-1874.
