刘 崧，王俊波，武利会，欧晓妹

（广东电网有限责任公司佛山供电局，佛山528001）

并联电容器组作为电力系统中的无功补偿设备，其安全运行对于维护电网无功平衡和电网电压正常有重要意义[1-3]。目前，电容器组每6年需要开展一次停电预防性试验。随着电网规模的不断扩大，对无功功率补偿的要求也越来越高，频繁的投切，使得电容器组的内部元件损坏故障的事件经常发生。而并联电容器组内部的单个电容器击穿时，会引起其他并联电容器的过电压和过电流，使得轻微故障逐渐向严重故障发展，导致电容器发生爆炸，出现群伤群爆的恶劣事件。因此，研究可靠的并联电容器组故障诊断方法对于保证电力系统的正常运行具有十分重要的现实意义[4-5]。

由于预防性试验时，设备处在停电状态，难以反映电容器在运行状态下真实的绝缘状况及其故障发展趋势，近年来，在线的并联电容器组故障诊断方法大量涌现。文献[6-8]提出使用电力电容器成套装置对电容器组进行在线监测，以减少电容器组故障率的发生，该方法对电容器组进行实时监测，虽然能降低电容器组故障率，但由于新增加了在线监测装置，新装置的运维或故障会带来新的问题，同时新设备的建设、调试周期较长，成本较高。文献[9]提出利用介损角的正切值为电容器组故障判断依据，该方法对系统硬件要求较高，需要高精度的电信号采样回路和现场高精度的电压电流互感器作支撑。文献[10-13]提出了利用不平衡电流保护作为电容器组内部故障的继电保护，该方法故障诊断的灵敏性较高，同时，对现场互感器精度要求较低，具备较好的应用前景，但由于需要躲过系统电压波动，因而其故障判定的设定阈值偏高，对于轻微故障的电容器组难以实时保护。

针对以上问题，本文提出一种数字化并联电容器组智能预警系统，通过获取SCADA 数据进行数据分析计算数字化的中性点电压偏移大小来判断电容器组内部故障。本文所提故障预警系统无需新增其他设备装置，对现场互感器精度要求较低，同时，对电容器内部故障持续分析计算，受系统电压波动影响较小，目前已应用于佛山供电局设备管理系统。

1 理论基础

1.1 电容器中性点电压

电容器中性点电压在电力系统正常运行时的等效电路图如图1 所示，其中三相电容器每一相由n 个电容器单元并联组成，串联电抗器L 的电抗率为k，系统频率为ω。

图1 三相电容器组等效电路图Fig.1 Equivalent circuit of three phase capacitor bank

根据图1 的拓扑关系，可得中性点电压的计算公式为

1.2 故障后中性点电压

当电容器组发生故障，将导致电容量的变化，出现三相不平衡阻抗，引起中性点电压偏移，假设A 相电容器组里n 个并联电容单元里有电容发生了击穿，无论有几个电容发生击穿，均可以将其等效为1 个电容发生击穿进行计算，且电容单元的内熔丝或外熔丝击穿，均等效为击穿后电容量的变化量βC0，于是有，击穿后电容与串联电抗的串联阻抗为

联立式（1）、式（2），得到此时中性点电压为

由上式可知，通过获取SCADA 上传的电压遥测数据和电容器的内部参数即可计算得到中性点电压，并以此数字化评估电容器组的健康状态。

2 数据挖掘

当所提预警系统获取到SCADA 的三相电压数据后，只筛选一相进行中性点电压计算，因而计算规则需要3 种不同的计算公式对应三相分别击穿后的中性点电压，如果系统智能化计算得到的中性点电压低于设定阈值，则系统可判断电容器组的健康状态良好，否则，发出告警信息。

2.1 三相分别击穿的中性点电压

因不同相击穿后，中性点电压的偏移不同，下面为三相分别击穿后的中性点电压。式（3）中n、k、β相对于三相电压为不变量，为简化计算，将电压系数简化为式（4），令其为t：

当三相分别击穿后，计算A、B、C 相中性点电压为

其幅值如式（6）所示：

由于电容击穿后容值减少，则故障相电压升高，非故障相电压降低[14]，因此智能化筛选SCADA 系统的三相幅值的最大值计算中性点电压，若大于设定阈值，则判断该相发生了击穿，为故障相。

2.2 中性点电压阈值设定

目前，系统中电容器组的并联个数n 因使用场合不同有多种规格，同时，电抗率在不同的电压等级也有所不同，10 kV 并联电容器组中多为5%、6%，35 kV 并联电容器组中有5%、12%等[15]。针对不同应用场合的并联电容器中性点电压的设定阈值也有所不同，通常，电容器容值偏差β 的合格规范在5%以内。当β=5%，经统计，不同场合所对应的中性点电压阈值如表1 所示。

表1 中性点电压阈值Tab.1 Threshold of neutral point voltage

3 可行性仿真验证

为了验证模型的正确性和设计系统的可行性，本文基于某110 kV 变电站10 kV 电容器组进行仿真分析，该变电站并联电容器组的仿真模型示意图如图2 所示，模型的系统频率设为50 Hz，每相电容器单元并联个数n 为6 相，单个电容器单元容值为16.1 μF，电抗率为5%。

图2 并联电容器组的仿真模型示意图Fig.2 Schematic diagram of simulation model of shunt capacitor bank

3.1 模型的正确性验证

在图2 所示的仿真模型中，开关Sa、Sb、Sc闭合时为电容器组的正常运行状态，该状态下，模拟电压分别产生1%、2%、3%的幅度波动，得到的中性点电压如表2 所示。

表2 电压波动下的中性点电压Tab.2 Neutral voltage under voltage fluctuation

可以看出，在电容器组的正常运行状态下，在三相阻抗均未发生击穿时，母线三相电压的波动对中性点电压有一定的影响，验证了模型的正确性。同时，正常运行状态下，在电压波动达到3%时，中性点电压为20 V，会触发告警，因此，所提预警系统可设定系统控制策略为连续5 次计算的中性点电压超过设定阈值，则触发告警，以此躲过三相电压波动。

3.2 系统设计的可行性分析

基于上节正常运行状态的分析，本小节对故障后的电容器组进行仿真的可行性分析，由于当电容发生击穿时，三相阻抗不平衡会引起中性点电压的偏移，为了减少电压波动的影响，分别模拟电压分别产生1%、2%、3%的幅度波动时的电容故障运行仿真，假设击穿相发生了单个电容单元β=5%的击穿，通过分别断开关Sa、Sb、Sc模拟电容击穿时的电容量减少，得到的仿真结果如表3 所示。

表3 故障下的中性点电压Tab.3 Neutral voltage under fault

可以看出，在电压波动为1%、2%、3%时，仿真得到的中性点电压分别为25 V、31 V、38 V，均大于设定阈值20 V，可触发报警。虽然，在电压波动为零时，得到的中性点电压为18 V，略低于设定阈值，但β=5%的单个电容单元击穿将导致三相电压的不平衡，且三相电压的不平衡程度随阻抗的不平衡而增大，不影响所提预警系统的可行性。

4 系统实现

4.1 系统原理

如图3 所示为整个数字化并联电容器组智能预警系统的构成，系统为浏览器和服务器架构模式，核心功能集中到中间服务器，终端用户只需登录浏览器网页即可实现与其的信息交互。作为电力调控中心EMS 里重要的子系统，SCADA 以数据实时性高、保存周期长、解析速度快等优势在电力系统中广泛应用，能正确掌握系统运行状态，也是本文所提预警系统数据获取的直接数据源，中间服务器分为数据库服务器和Web 服务器，其中，数据库服务器访问SCADA 系统获取所需数据，Web 服务器访问数据库服务器将其获取的数据进行计算、分析、可视化展示，工作站为整个系统的终端，监测人员通过访问网页查阅相关数据和告警信息等[16-18]。

图3 数字化并联电容器组智能预警系统Fig.3 Intelligent early warning system of digital shunt capacitor bank

4.2 预警策略

数字化并联电容器组智能预警系统工作流程如图4 所示，首先，所提预警系统在SCADA 系统中采集需评估并联电容器组的相关参数，其中，包括电容单元并联个数n、电抗率k 和实时三相电压，然后系统比较出三相电压中最大相，并计算中性点电压，最后将所计算的中性点电压与系统存储的设定阈值进行比较，若大于设定阈值则进行记录，为了防止出现系统电压波动造成故障误判断，系统设定连续5 次的计算值均大于阈值，则触发告警。

图4 预警系统工作流程Fig.4 Work flow chart of early warning system

4.3 系统功能

如图5 所示为预警系统所有变电站的台账，本文所提系统从SCADA 系统读取并导入了变电站并联电容器组的详细相关信息，系统的使用者可以方便地查看需关注电容器组的详细相关信息，如图6所示为出现告警信息后生成的中性点电压变化趋势曲线，可以直观地看到某110 kV 变电站10 kV 并联电容器组的计算中性点电压在电容击穿前后有从8 V 到40 V 左右的明显抬升，同时，图中显示并联电容器组的单个并联相击穿受损后继续运行，可能由于单个电容单元的容值轻微减少未达到其跳闸保护的整定值，说明本文所提预警系统灵敏性较高，具有一定的实际应用价值。

图5 预警系统台账Fig.5 Account of early warning system

图6 预警系统告警图Fig.6 Alarm diagram of early warning system

5 结语

针对现有电容器的故障诊断技术存在的问题，本文提出了一种基于数字化并联电容器组智能预警系统，利用中性点电压偏移大小来评估电容器组的健康状态，经过理论分析、策略制定和系统实现可以看出，所提预警系统具有以下优点：①通过采集系统信息在线进行计算、分析和展示，无需新安装监测设备装置，减少系统成本；②并联电容器组的故障诊断在电力系统运行状态下在线实时进行，无需停电进行预防性试验；③系统设定计算值连续5 次超出阈值才发出告警，减少了由于系统电压波动造成故障误判断。

所有以上优点使得本文所提预警系统较适用于系统并联电容器健康状态的智能化评估。