一种自愈电容器压差阻尼式保护方法及装置与流程

本发明涉及高压保护领域，特涉及一种自愈电容器压差阻尼式保护方法及装置。

背景技术：

自愈式电力电容器是由在绝缘薄膜上蒸镀上一层极薄的金属电极的金属化膜所构成，当绝缘膜上有弱点而发生击穿时，电容器所储存的电荷就会向这个击穿点涌来，而在击穿点附近的电极上产生巨大的电流密度，从而将击穿点附近的一小片电极层瞬间(常常≤0.1ms)汽化掉，使击穿点由短路状态恢复到绝缘状态(具体形态见附图1)，这个过程称之为自愈。在自愈过程中，金属电极和绝缘材料都将有一部分被电流产生的高温所汽化。

如果卷制电容器的薄膜宽度为w，膜厚为d，电容器由长度为l的膜卷制而成，薄膜的介电常数ε＝2.2，则电容器的电容量s1为绕制电容器的薄膜总面积，通常l是数十米至数百米，w是几十毫米至几百毫米，因此s1至少都是数十万平方毫米。

当发生自愈时，自愈点的电极蒸发面积(s2)一般仅几平方毫数，因此自愈过程所导致的电容量损失为s2为自愈蒸发电极面积，即自愈所减少的电容量只有电容器电容量的数十万至百万分之一，甚至更小。因此，外部电路是不可能识别这个微小电容量变化的。而发生自愈的同时电极和绝缘材料的汽化所产生的气体会在电容器内部产生气体聚集。

当电容器发生许多自愈时，虽所造成的电容量变化不足以让外部电路识别，但每个自愈点的绝缘都被高温烧灼过，绝缘性能已难同膜本身绝缘相比，在电压作用下会产生微小的漏电流。因此，每个自愈点的漏电流虽小，但众多自愈点上产生漏电流常就是个不可忽略的量值，它会在击穿点局部会产生发热，而导致运行中的电容器过热。同时每个自愈点产生的气体逐步累积，会使电容器内部的气体压力上升。当然运行时的温度作用也会使电容器中的气体压力升高(温度高时)或降低(温度低时)，气体压力升高和运行温度升高都会给电容器安全运行带来危险。因此，当电容器自愈发生到一定程度时，电容器运行条件已恶化，此时需要及时的识别电容器是否是已发生故障，如是故障则应及时退出运行，以免发生扩大性事故。

论文“箱式变电站电容器故障案例分析”所描述的故障如图5所示，2015年夏季，浙江省某变电站10kv电容器发生爆裂事故即为外部保护未及时将故障电容器退出运行所致。

为达灵敏可靠识别自愈式电容器故障之目的，人们做过许多努力，如专利号为cn20716542711“一种专用于高压自愈式电容器的故障信号增强器”。就是希望通过其发明使自愈式电容器故障时的微弱信号变成一个强信号，而使外部电路易于识别。但在该发明中是通过电容器内部压力增大箱壳变形拔除插销来完成固定和移动电极的接触。这个方法存在：1)电容器内部压力受到运行温度的影响，当温度高时电容器内部压力高，温度低时电容器压力低。因此该专利技术在应用中易误动；2)该专利只有在电容器外壳变形足够大时才能完成动作，此时电容器易发生爆炸。3)该专利未考虑两极短接时，会产生巨大的放电电流产生的爆坏。因此，该发明应用于电容器产品中的可靠性很差。

对于高电压自愈式电容器由于它存在多个电容器元件或单元的串并联，因此外部电路对电容器的自愈劣化故障就更难以判断，如没有特有技术帮助，常会因无法判定回路中存在故障的电容器，而没有及时将电容器退出运行，造成故障扩大，甚至爆炸着火。下面通过实例简单说明：

以最常见的10kv系统用电容器为例，自愈式电容器用于此电压系统时，通常会有8-12个自愈式电容器元件串联，容量越大则并联数越多，而串并联数越多，外部电路识别越困难。为此，以外部电路最易识别的10串1并(s＝10，m＝1)结构为例说明，则有等效电路见附图6和图7，每个电容器元件的电容量为cen，通常自愈式电容器故障判定条件是：自愈损失电容量达5％。

则该电容器的正常电容量

某电容器元件发生故障，其电容量损失达5％时，这时电容器的电容量

变化量

δc＝(0.1-0.99476)cen＝5.24×10^-4cen

变化率

这个变化率是很难同运行温度变化引起的电容量变化相区分的。因此，外部电路无法检出，而难以将电容器退出运行，但此时故障电容器元件因自愈发生过多，已很易发生内部压力过大或温度过高而发生爆炸着火事故。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种自愈电容器压差阻尼式保护方法及装置。本发明通过具有压力和温度补偿的标准气室测量到运行中的高电压自愈式电力电容器出现故障时的压力差，并动作将故障电容器短接，避免故障电容器的故障进一步发展，同时利于电容器装置中的保护装置识别电容器单元故障的方法及装置。本发明能够避免故障电容器故障进一步扩大的同时，使外部电路可有效检出电容器故障而使其退出运行之目的。

本发明的技术方案是：一种自愈电容器压差阻尼式保护装置，包括触发装置、管腔、两个接线端子、静触头、动触头、脱扣器和压力弹簧，管腔两端分别设置两个接线端子，其特征在于：其中一个接线端子与静触头连接，另一个接线端子与压力弹簧连接，静触头与压力弹簧分别固定在管腔的两端，压力弹簧另一侧连接动触头，压力弹簧通过脱扣器卡在管腔内，脱扣器如果脱落，压力弹簧向前推进，使动触头、静触头连通。

根据如上所述的一种自愈电容器压差阻尼式保护装置，其特征在于：所述的触发装置为标准气室和固定架，固定架将标准气室固定在管腔上，标准气室与脱扣器连接，当标准气室动作时，带动脱扣器脱离锁定位置。

根据如上所述的一种自愈电容器压差阻尼式保护装置，其特征在于：所述的触发装置为固定板和双金属片温度传感器，双金属片温度传感器处于处弯曲状态，双金属片温度传感器一端通过固定板固定在管腔上，双金属片温度传感器另一端与脱扣器连接，当双金属片温度传感器检测到电容器内部温度异常升高，使脱扣器脱离锁定位置。

本发明还公开了一种自愈电容器压差阻尼式保护方法，包括高电压自愈式电容器内部压力差来判别和启动使电容器单元两极短接的步骤，其特征在于：a.设定故障判定的电容器内部压力参数，标准气室判定电容器内部故障程度，当达到设定值时，启动保护装置；b.保护装置被启动后，将电容器的局部故障转换成电容器的段间或电容器单元的极间短路状态。

根据如上所述的一种自愈电容器压差阻尼式保护方法，其特征在于：还包括步骤c和d、步骤c为.还包括一个阻尼器与保护装置相串联，通过阻尼器将放电电流控制在可接受的范围内；d.保护装置动作后形成一个永久短路回路。

根据如上所述的一种自愈电容器压差阻尼式保护方法，其特征在于：步骤a包括，设定好故障判定电容器内部参数的，具温度补偿的电容器故障检出元件——标准气室，标准气室跟随电容器的运行状态补偿运行条件不同时的温度引起的压力变化。

根据如上所述的一种自愈电容器压差阻尼式保护方法，其特征在于：步骤b包括，当闭锁元件被解除闭锁后，保护装置在贮能压缩弹簧的作用下，完成动静触头的闭合。

根据如上所述的一种自愈电容器压差阻尼式保护方法，其特征在于：步骤c包括，当保护装置的动静触头闭合时，放电阻尼装置接入减小电容器放电电流。

根据如上所述的一种自愈电容器压差阻尼式保护方法，其特征在于：步骤d包括，当电容器运行或停运引起电容器内部压力或温度变化时，通过压力参数的温度补偿的方法，使电容器的压力检出单元避免无故障条件下的压力变化或温度变化带来的误动。

本发明的有益效果是：1)本发明通过完全密封的标准气室进行温度补偿，并做压力差值检出器，可有效避免因运行温度变化引起的误判，有效避免了保护器的误动，使保护器动作准确可靠。2)本发明动作值是由完全独立的标准气室的设计而定的，不需要外壳变形来启动，因此动作值十分稳定准确，同时可避免外壳过大变形而爆裂。3)本发明通过保护器的动作短接电容器两极使之不再承受电压作用，避免了电容器故障进一步发展达到避免电容器状况的进一步恶化。4)本发明通过保护器将外部电路难以检出的高电压自愈式电容器故障进行安全扩展，而使外部电路能准确可靠检出，达到准确及时退出故障电容器，保障高压自愈式电容器安全运行之目的。

附图说明

图1为自愈发生示意图(截面图)。

图2为自愈发生示意图(俯视图)。

图3为高电压自愈电容器压差阻尼式方法及装置实施例一示意图。

图4为高电压自愈电容器压差阻尼式方法及装置实施例二示意图。

图5为电容器爆裂现场。

图6为高压自愈式电容器等值电路示意图(完好时电路)。

图7为高压自愈式电容器等值电路示意图(c2发生故障，k为故障扩展器)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图3和图4所示，本发明的一种自愈电容器压差阻尼式保护装置包括触发装置、管腔、两个接线端子、静触头、动触头、脱扣器和压力弹簧，管腔两端分别设置两个接线端子，其中一个接线端子与静触头连接，另一个接线端子与压力弹簧连接，静触头与压力弹簧分别固定在管腔的两端，压力弹簧另一侧连接动触头，压力弹簧通过脱扣器卡在管腔内，脱扣器如果脱落，压力弹簧向前推进，使动触头、静触头连通，这样使设置在管腔上的接线端子电性能导通，即电阻很小，如为1ω。

如图3所示，本发明的触发装置为标准气室和固定架，固定架将标准气室固定在管腔上，标准气室与脱扣器连接，当标准气室动作时，带动脱扣器脱离锁定位置，使动触头在压力弹簧的推动下向前移动。

本实施例通过一个完全独立的标准气室来补偿电容器内部温度变化，由于标准气室全密封置于电容器内，当电容器内部因温度升高，压力增大时，标准气室的压力也会因温度升高而压力增大，反之亦然。因此，由于标准气室对温度的补偿作用，电容器内部温度的变化不影响标准气室与电容器内部压力的差值，也就不影响标准气室相连的脱扣器的状态。其次本发明的动作与外壳变形与否没关系，只取决于标准气室的动作压差值的设定，因此，可保证动作压力准确、可靠的同时保证电容器外壳不发生大的变形，而保证电容器不爆裂。这样将标准气室作为压力检出元件——即故障检出元件，就具有高可靠性的特点。当电容器内部故障而产生大量气体时，电容器内部压力增大，这时标准气室受到电容器内部压力的作用，体积会发生变化，这个变化满足标准气体方程式

p1——设计标准气室的气压(pa)

v1——对应p1时的初始体积(m³)

t1——对应p1时的初始温度(k)

p2——电容器故障时的压力(pa)

v2——对应p2时的体积(m³)

t2——对应p2时的温度(k)

由于标准气室内置于电容器内具有温度补偿作用，因此上式可简化成

p1v1＝p2v2......................(2)

这时根据电容器故障条件下耐受压力p2，就可得出v2值。由v2值就可得出此条件下标准气室的变化行程量，这个行程值即是故障设定参数。当标准气室被压缩超过这个行程量，脱扣器可靠动作完成脱扣过程，这时被脱扣器锁定的压力弹簧就会将保护器的动触头快速前推，使动触头与静触头相连接闭合(即图7中k闭合)，从而完成与保护器相并联的电容器元件或单元的两极短接，达到故障电容器不再承受电压作用的同时提高外部电路的故障识别能力。仍以背景介绍的10kv系统的10串1并结构为例，当5％自愈损失为动作电容器保护器为条件，以最小外部识别效果——保护器只与一个元件并联，当保护器完成动作后，电容器的电容器量为

同额定值

cn＝0.1cen

相比，变化率

相同的电容量自愈损失为5％，保护器动作前后，电容量变化率的倍数为：

即通过保护器的动作，外部电容量的变化增大了21.2倍，变化率达到11.1％，这是其他运行条件所不能造成的，这时外部电路可稳定而可靠的识别检出，达到准确稳定的退出故障电容器之目的。

为避免保护器短接电容器时放电电流过大，保护器设计了一阻尼器件(电感或电阻)同动触头相串联，阻尼限制放电电流。在本实施例中这个阻尼器件采用压力弹簧形成的一个电感，而使阻尼器件与压力弹簧合一，使本发明更简捷有效。

为避免动触头运动速度过慢，采用了压力弹簧贮能脱扣器释放的结构，这个结构可有效的保证动触头快速运动与静触头合上，并形成一定压力，避免动静触头分离。

本实施例也可简化为动触头与标准气室相连接，由标准气室推动动触头至与静触头连接，但在这个实施例中会存在动触头运动速度慢的问题，在高电压电容器上使用易发生放电的缺陷，但在低电压电容器中运用是可行的。

如图4所示，本发明的触发装置为固定板和双金属片温度传感器，双金属片温度传感器处于处弯曲状态，双金属片温度传感器一端通过固定板固定在管腔上，双金属片温度传感器另一端与脱扣器连接，当双金属片温度传感器检测到电容器内部温度异常升高，达到温度传感器动作设定值时，温度传感器动作，使脱扣器脱离锁定位置，这时保护器的动触头在压力弹簧的推动下快速与静触头相连接。

图4的实施例是以温度传感器为故障判定和脱扣动作元件，当温度传感器检测到电容器内部温度异常升高，达到温度传感器动作设定值时，温度传感器动作，使脱扣器脱离锁定位置，这时保护器的动触头在压力弹簧的推动下快速与静触头相连接(即图7中k合)，而完成将保护器相并联的故障电容器元件或单元短接，使外部电路能准确可靠识别电容器故障，而及时退出运行避免故障发展成爆炸着火事故。

在图4中的本发明实施例是采用最传统的双金属片温度传感器作温度测量和脱扣动作元件。双金属片温度传感器在电容器正常温度时，处弯曲状态，所相连的脱扣器处闭锁状态，当温度达到设定温度时，双金属片温度传感器伸直，将脱扣器插销拔起而解除闭锁，动触头在压力弹簧作用下速度与静触头连接，完成对与相并联的电容器短路。

对温度传感器也可采用其他原理，如定温熔断材料，当温度达到设定温度时，熔断材料熔断，脱扣器解除闭锁而完成保护器动作。

本发明还公开了一种自愈电容器压差阻尼式保护方法，高电压自愈式电容器内部压力差来判别和启动使电容器单元两极短接的步骤，a.根据试验结果设定了故障判定的电容器内部压力参数，并能自动补偿电容器温度所造成的压力变化的电容器故障检出元件——标准气室判定电容器内部故障程度，当达到设定值时，启动保护装置；b.保护装置被启动后，将电容器的局部故障转换成电容器的段间或电容器单元的极间短路状态；c.为防止电容器短路时放电电流过大，设置了一个阻尼器与保护装置相串联，通过阻尼器将放电电流控制在可接受的范围内；d.保护装置动作后形成一个永久短路回路，使故障电容器不再承受作用的同时，使外部电路很容易检出电容器发生了故障而快速准确地使其退出运行，避免高电压自愈式电容器故障未及时退出运行而发展成爆炸着火事故。

其步骤a包括，设定好故障判定电容器内部参数的，具温度补偿的电容器故障检出元件——标准气室，始终跟随电容器的运行状态补偿运行条件不同时的温度引起的压力变化，即运行温度变化会造成的电容器内部压力变化，但因标准气室在电容器内部，也受到这个温度的作用，其压力是随之变化的。因此，标准气室与电容器内部的压差是不变化的，从而避免温度变化可能引起的误判。同时检测电容器是否存在达到设定参数的故障，如达到设定参数则启动故障扩展装置的闭锁元件。

步骤b包括，当闭锁元件被解除闭锁后，保护装置在贮能压缩弹簧的作用下，快速完成动静触头的闭合，并始终维持闭合状态，完成两电极的短路操作。

步骤c包括，当保护装置的动静触头闭合时，放电阻尼装置接入减小电容器放电电流，以避免电容器的放电电流过大而发生次生破环。

步骤d包括，当电容器运行或停运引起电容器内部压力或温度变化时，通过压力参数的温度补偿的方法，使电容器的压力检出单元可有效地避免无故障条件下的压力变化或温度变化带来的误动，保证扩展器动作准确可靠。

本发明是针对自愈电容器故障会产生的两个效应，但同时避免因运行温度变化引起压力变化而易产生误动而设计的，这两效应分别是(1)当电容器是密封结构其内部压力会随自愈发展而增高；(2)电容器会随自愈点大量发生而温度升高。故本发明在避免温度变化引起压力变化而误动技术上分两个实施方案：一个方案是采用压力差检出来判定故障，启动保护器；另一个方案是采用温度检出来判定故障，启动保护器，达到避免故障电容器故障进一步扩大的同时，使外部电路可有效检出电容器故障而使其退出运行之目的。

本发明的自愈电容器适用于电压等级大于2千伏的电容器。