（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的并联电容器保护研究与实现.pdf

e 塞奎道太堂亟堂熊论奎旦sib ! a b s t r a c t a b s t i t a c r a sa l li m p o r t a n tr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e ，s h u n tp o w e rc a p a c i t o ra r ea p p l i e di n p o w e rs y s t e m sw i d e l y a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，m a n yk i n d so fd i f f e r e n tf a u l t so c c u r , w h e nc a p a c i t o r sa r el n n ，s h o w i n gt r a d i t i o n a l p r o t e c t i o nr e l a y i n gs c h e m e sh a v e l i m i t a t i o n sa n dd i s a d v a n t a g e s n o wi n t e g r a t e di n t e l l i g e n td e v i c e sa r ed e v e l o p i n g ，w h i c h c o n t a i nm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sm e a s u r e m e n t ，p r o t e c t i o n ，c o n t r o la n dr e m o t ec o n t r 0 1 t h e s ed e v i c e sa r ep o w e r f u lm e a n st or e s o l v et h ep r o b l e m so fc a p a c i t o r s e f f e c t i v er u n a n di t sp r o t e c t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so nc o m p u t e rr e l a y i n gr e s e a r c ha n di t sr e a l i z a t i o no fl l o k va n d b e l o wv o l t a g ec l a s ss h u n tc a p a c i t o r s f i s t ，p r o t e c t i v er e l a y i n gp h i l o s o p h i e sa r ea n a l y z e d a n dr e s e a r c h e d s o m et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v e r e l a y i n g s c h e m e s l i m i t a t i o n sa n d d i s a d v a n t a g e sh a v eb e e ng i v e na n do v e r c o m ei n t h i sp a p e r f o re x a m p l e , h b r i d g e d i f f e r e n tc u r r e n tp r o t e c t i o ns c h e m ea n du n b a l a n c ec u r r e n tp r o t e c t i o ns c h e m ei n d o u b l e - w y ec o n n e c t e dc a p a c i t o r sm a s kb a l a n c e df a i l u r e sa n dh a v en oi n d i c a t i o no f i n v o l v e dp h a s e a n e wa p p r o a c hi sg i v e nt h a tc a no v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e s a sf o rc o m p u t e rr e l a y i n ga l g o r i t h m s ，c o n s i d e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc a p a c i t o r s ， f u l l - w a v ef o u r i e ra l g o r i t h mi sa d o p t e d c o m b i n e dw i t hd i f f e r e n tf i l t e ra n dz e r of i l t e r , t h i sa l g o r i t h me l i m i n a t e s t h ei n f l u e n c ec a u s e db yd e c a y i n gd cc o m p o n e n ta n d f r e q u e n c ye x c u r s i o n a sf o rt h ef u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o n ，c a nf i e l db u si su s e d ，w h i c hh a sh i g i l r e l i a b i l i t ya n dg o o dr e a lt i m e t h ef u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e db yd e s i g n i n g p e r i p h e r yc i r c u i tb a s e do nm o t o r o l a5 6 f 8 0 7d s p a n dp r o g r a m m i n gs o f t w a r e b a s e do nm o t o r o l a 5 6 f 8 0 7d s pw i t hh i 。曲p e r f o r m a n c e ，b o t hca n da s s e m b l e l a n g u a g e sa r ea d o p t e dt op r o g r a m b ya s s o c i a t e dd e b u g g i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， t h i s p r o t e c t i o nd e v i c e h a ss u c hf u n c t i o n sa s o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o n ，u n b a l a n c ev o l t a g ep r o t e c t i o n ，u n b a l a n c ec u r r e n tp r o t e c t i o n ，u n d e rv o l t a g e a n dz e r o s e q u e n c eo v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n m e a n w h i l ei tp r o v i d e do t h e rf u n c t i o n ss u c h a s s i g n a l d e t e c t i n g , m a n m a c h i n e i n f o r m a t i o n e x c h a n g i n g ，r e m o t e c o n t r o l c o m m u n i c a t i o n ，s e l f - d e t e c t i n g ，s y n c h r o n o u st i m ea n dd e f a u l t sr e c o r d i n g k e y w o r d s ：s h u n tc a p a c i t o r ；p r o t e c t i v er e l a y ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；f u l l w a v e f o u r i e ra l g o r i t h m ；d e c a y i n gd cc o m p o n e n t ；u n b a l a n c ep r o t e c t i o n 致谢 本论文的工作是在我的导师黄梅教授的悉心指导下完成的，黄梅教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来黄梅 老师对我的关心和指导。 北京四方立德保护控制设备有限公司董志平、杨永利等老师悉心指导我完成 科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向董志平、杨 永利老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，庄博师兄、阎波等同学对我论文中的d s p 硬 件平台和软件编程工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 引言 1 引言 1 1 研究并联电容器保护的背景 无功电源是保证电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行不可缺少的 部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则将会使系统电压下降，严重时会导致 电气设备损坏、系统解列。此外，电网功率因数和电压降低，使电气设备得不到充 分利用，促使网络传输能力下降、损耗增加。 在各种无功补偿设备中，并联电容器的单位容量费用最低，有功功率损耗最 小( 约为额定容量的0 3 o 5 ) ，运行维护最简便。它可以分散安装在用户处 或靠近负荷中心的地点，实现无功功率就地补偿，获得最好的技术经济效果。此 外，改变容量方便，还可以根据需要分散拆迁到其他地点。由于上述优点，并联 电容器得到广泛的应用1 1 j 。 1 1 1 电容器保护的必要性 根据资料统计，目前在线运行的电容器各种故障频发，表l l 、表l 一2 分别 是我国1 9 9 7 年2 0 0 3 年的电容器年故障率和2 0 0 3 年电容器各种类型故障的分布 情况【2 】a 表1 - 11 9 9 7 2 0 0 3 的电容器年故障率 t a b l c l 一1c a p a c i t o rf a u l tr a t ep a f r o m1 9 9 7t o2 0 0 3 年份 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 2 0 0 l 2 0 0 2 2 0 0 3 1 年故障率 1 2 71 4 81 5 11 3 91 6 3 1 9 11 1 3 表1 - 22 0 0 3 年电容器各种类型故障的分布情况 t a b l e l - 2v a r i o u sf a u l tr a t eo fc a p a c i t o ri n2 0 0 3 l 故障类型 绝缘不良鼓肚漏油 电容超标爆裂闪络其他 l 故障比例 1 3 32 0 73 0 11 9 23 69 53 6 要求电容器一个元件不坏是不现实的，运行经验证明，配置了电容器保护装 置的电容器装置很少发生爆炸、着火事故，而多起电容器爆炸、着火的事故原因 与电容器故障保护失灵有着密不可分的关系。因此，加强电容器装置的故障保护 北京交通大学硕士学位论文 是避免电容器装置发生爆炸、着火事故的有效手段。 1 1 2 并联电容器继电保护的发展 同其他电力设备一样，并联电容器的继电保护的发展过程是见证继电保护技 术的不断提高的过程，电容器的继电保护也经历了从传统的电磁式继电器构成的 保护到快速、高效的微机保护。 由于传统的保护、测量、监控、远动等硬件资源相互独立，往往造成二次设 备重复投资、接线复杂更增加了电力系统的复杂性。随着微电子、计算机技术、 数字信号处理技术以及通信技术的发展，传统继电保护技术上的不足和缺陷正得 到改进和克服。目前继电保护发展的趋势主要以下几个方面1 3 l ： ( 1 ) 数字信号处理器( d s p ) 在微机保护硬件系统中广泛应用 由于d s p 具有的先进的内核结构、高速运算能力以及与实时信号处理相适应 的寻址方式等许多方面的优良特性，使许多过去由于c p u 性能等因素而无法实现 的继电保护算法可以通过d s p 来轻松完成。 ( 2 ) 与综合自动化系统的接口成为微机保护中必不可少的部分 随着微机保护在电力系统广泛应用，微机保护已经从过去仅仅承担传统保护 的任务扩展到提供事故追忆、故障记录数据库的维护以及保护装置的远方整定和 维护功能。这些功能的实现更多的是依赖通信，网络通信的构成形式多样，实现 方法各异。 微机保护中常采用的网络通信标准包括e i ar s 2 3 2 c 、e i ar s 4 2 2 4 8 5 、l o n w o r k s 、c a n 以及a r cn e t 等，本课题中使用r s 2 3 2 c 和c a n 通信。 ( 3 ) 集多种功能于一体的智能保护单元 随着配网自动化和变电站综合自动化在电力系统的推广应用，过去的保护、 测量和监控方式已经不能满足综合自动化的需要。新一代的智能保护单元是集保 护、测量、控制、远动等多种功能于一体的综合化智能保护，适应电站综合自动 化的需要。 ( 4 ) g p s 同步时钟应用于继电保护 g p s ( 全球卫星定位系统) 卫星可以2 4 h 连续提供位置信息、速度和时间信息。 其时钟信号与国际标准时间( u t c ) 保持相对同步，可为地面用户提供高精度的 时钟信号源。 综上所述，研制新一代集保护、测量、控制、远动等多功能于一体的综合智 能化保护装置是解决电容器有效运行和故障保护的有力手段。 2 引言 1 2 本文的主要工作 基于d s p 的继电保护装置能够实现并联电容器保护的智能化、网络化、信息 化，同时也为实现新的保护原理和算法提供契机。本课题研制了基于d s p 的硬件 平台，编写软件程序，并对并联电容器的运行特点、保护原理和算法进行了研究， 具体工作如下： ( 1 ) 总结并联电容器的结构和接线方式，对在谐波条件下的电容器的运行特 性、过电压以及谐振进行研究，并给出相关计算公式。 ( 2 ) 分析电容器的现有保护原理的优缺点，对不平衡电流保护进行研究。对 桥式差电流保护和双星形接线的不平衡电流保护提出了新的改进方法。改进的保 护方法可以克服原保护方法的缺陷( “不能够识别故障相”和“对称性故障下的 误动或拒动”) 。同时，对谐波条件下的电容器过电压保护进行了研究。 ( 3 ) 保护算法研究及其实现。在保护算法上，研究了傅氏算法的频率特性和 滤波特性，对衰减直流分量采用了不增加数据窗的差分滤波方法。由于系统频率 偏移和采样造成的频率偏移会影响对三次谐波分量的滤除效果，本文设计了零点 滤波器，仿真验证表明对三次谐波滤除具有很好的效果。 ( 4 ) 运用m o t o r o l a 5 6 f 8 0 7d s p 芯片，设计电容器保护硬件平台，分析其模块 功能。所设计的装置具有较高的智能化，能够实现测量、监控、保护等功能。同 时使用r s 2 3 2 c 和c a n 进行通信，满足保护装置的网络化和信息化要求。 ( 5 ) 应用m a t l a b 软件建立仿真模型，编写m 语言进行仿真，验证了所用 算法的可行性。 ( 6 ) 基于m o t o m l a 5 6 f 8 0 7 d s p ，进行了电容器保护算法的软件流程设计，采 用c 语言和汇编语言编写软件程序，实现保护功能。 ( 7 ) 进行软硬件联合调试实验，对实验结果和误差进行分析。 北京交通大学硕士学位论文 2 并联电容器运行特点及配置研究 电力电容器的特点是具有很大的极板面积，极板问的介质上长期承受着远高 于其它电器的电场强度。而且电力电容器与大多数其它电器不同，一旦投入电网 就将连续在满负荷下运行，运行条件中的温度、电压、谐波、涌流等因素决定了 电力电容器的实际使用寿命【4 】o 电容器的继电保护需要对电容器的结构、稳态运行 特点以及过电压因索进行研究。 2 1 高压电容器组的结构和接线 2 1 1 相关术语定义 目前我国在并联电力电容器设计、运行和保护方面颁布了以下国家标准： 高电压并联电容器 ( g b3 9 8 3 2 8 9 ) 并联电容器装置设计规范 ( g b5 0 2 2 7 9 5 ) 标称电压l k v 以上交流电力系统用并联电容器( g b t1 1 0 2 4 - - 2 0 0 1 ) 根据国家标准所给的定义，介绍相关的术语。 电容器元件( 或元件) ：由电介质和被它隔开的电极所构成的部件。 电容器单元( 或单元) ：由一个或多个电容器元件组装于单个外壳中并有引出 端子的组装体。 电容器组：电气上连接在一起的一组电容器单元。 电容器：当不必特别强调“电容器单元”或“电容器组”时，则用术语“电 容器”。 内部熔丝：在电容器单元内部，与一元件或元件组串联的熔丝。 外部熔丝：装于单台电容器单元外部并与其串连接，但电容器发生故障时用 以切除该电容器单元的熔丝。 2 1 2 电容器组结构 并联电容器的继电保护需要考虑电容器组的结构、性能、内部单元和相关设 备的特性，电容器组有四种结构1 5 】，它们分别是： ( 1 ) 带外部熔丝的电容器组，即电容器单元外部串联一个熔断器( 如图2 - 1 ) 。 ( 2 ) 带内部熔丝的电容器组，即在电容器单元内部每一个电容器元件串联一 个熔断器( 如图2 2 ) 。 4 并联电容器运行特点及配置研究 ( 3 ) i 类无熔丝电容器组，即将多个电容器单元串联形成“串”，电容器组 是由多个“串”并联形成的。注意，“串”中每一段只有一个电容器单元( 如图2 - 3 ) 。 ( 4 ) i i 类无熔丝电容器组，这种结构与图2 - 3 的区别是“串”的每一段是由 多个电容器单元并联而成的( 如图2 4 ) 。 屯客器元件c 元件， 图2 - 1 带外部熔丝的星形接地电容器组 f i g 2 - 1e x t e m a l l yf u s e d ，w y e c o n n e c t e dc a p a c i t o rb a n k 带外部熔丝的电容器组的结构特点是先将多个单容器单元并联在一起，形成 并联单元组，然后再将一个或多个并联单元组串联组成一相。其中每一个电容器 单元受串联在其外部的一个熔断器保护。这种电容器单元的电压等级可以设计的 较高，因为外部熔丝可以断开较高电压等级下的故障。但是，单个电容器单元的 容量相对较小，因为当并联电容器单元组中有一个熔断器动作( 该单元退出运行) 后，要求允许电容器组继续运行。 帮熔丝 蚕颦荛醛嚣 图2 - 2 带内部熔丝的星形接地电容器组 f i g 2 2i n t e m a u yf u s e d ，w y e c o n n e c t e dc a p a c i t o rb a n k 通常，带内部熔丝的电容器组相对与外部熔丝电容器组来说，并联电容器单 5 窜 北京交通大学硕士学位论文 元较多，而串联段数较少。内部熔丝是用来断开故障的电容器元件，从而使该电 容器单元的其余部分以及接有该电容器单元的电容器组继续运行。 国外在4 6k v 及以上电容器组中广泛采用先进的无熔丝结构，目前国内生产 厂家还不能够制造【6 1 。另外，它在不平衡保护时不必考虑与熔丝的配合问题。 蒿簇器单 图2 3 无熔丝的星形接地电容器组( 多个电容器单元串组成) f i g 2 - 3f u s e l e s s ，w y e c o n n e c t e dc a p a c i t o rb a n k ( c a nu s em u l t i p l es t r i n g s ) 2 1 3 接线方式 图2 4 无熔丝的星形接地电容器组( 由多个电容器单元串并联组成) f i g 2 - 4u n f u s e d ，w y e - c o n n e c t e dc a p a c i t o rb a n k 并联电容器组的接线方式也是影响继电保护方法选择的一种重要因素，并联 电容器组有五种接线方式 7 1 ，如图2 - 5 ，分别是： ( 1 ) 三角形接线 ( 2 ) 接地星形接线 ( 3 ) 不接地星形接线 ( 4 ) 不接地双星形接线 6 舢 并联电容器运行特点及配置研究 ( 5 ) 接地双星形接线 并联电容器组接线方式的最优选择取决于电容器单元的电压等级、熔丝和继 电保护方案的选择。在中性点非直接接地的电网中，星形接线电容器组的中性点 不应接地。低压电容器或电容器组，可采用三角形接线或中性点不接地的星形接 线方式。根据电力部关于降低高压电容器短路电流的有关规定，1 9 8 5 年以后，按 电力行业标准设计，不再采用三角形接线方式。国家标准( g b 5 0 2 2 7 - - 9 5 ) 并联 电容器装置设计规范规定：高压电容器组宜采用单星形接线或双星形接线。 司司 t 工工工工丁t 工i 工工丁 - d l 中幽l 潮星彤撞魄芋毛中性蛾不共中性点t e l中t 蝴 蝴星形接墁 图2 5 并联电容器组的基本接线 f i g 2 - 5b a s i cc a p a c i t o rb a n kc o n n e c t i o n s 另外，还有一种双星形接线，就是每一相接线为“h ”形结构，如图2 6 。这 种接线可以方便地运用电桥式差流保护，既将电流互感器接在两个臂之间来检测 不平衡电流。 a b c o o o 门门一 耻t a 丁t 酊t 酊 奄不奄至奄至 图2 - 6 电容器组的桥式差电流保护接线 f i g 2 6c a p a c i t o rb a n ku n b a l a n c ec u r r e n t p r o t e c t i o nf o rh - b r i d g ec o n n e c t i o n s 7 一 掣 北京交通大学硕士学位论文 2 2 谐波条件下电容器组运行特性研究 电力系统中并联电容器组向系统提供无功补偿，提高节点电压，减少线路损 耗。同时，由于电力系统中存在大量非线性负荷产生的谐波，根据并联电容器组 和谐波源的位置，电容器组( 容抗) 和系统等效电路( 感抗) 之间会出现串联谐 振或并联谐振。串联谐振发生在容性电抗和感性电抗相等的串联r l c 电路中，这 种情况下，电路的阻抗很小，较小的激励电压就能够产生很大的电流。类似地， 并联谐振发生在容性电抗和感性电抗相等的并联r l c 电路中，这种情况下电路导 纳很小，较小的激励电流就能够产生很大的电压。通常谐波对电容器组的影响有 以下几种方式1 8 j ： ( 1 ) 电容器由于谐波电流而过载，因为电容器的容抗随着频率的升高而减小， 这使得电容器成为谐波的吸收点。同时，谐波电压产生大电流会引起电容器熔丝 熔断。 ( 2 ) 谐波往往会使介质损耗增加，其直接后果是额外的发热及寿命缩短。 ( 3 ) 电容器和电源电感结合构成并联谐振电路。在谐振情况下，谐波被放大， 最终的电压会大大高于电压额定值并导致电容器损坏或熔丝熔断。 显然，对谐波的性质和谐波条件下并联电容器组发生谐振进行研究是必要的。 2 2 1 谐波条件下并联电容器过电压以及谐振的研究 2 2 1 1 谐波信号的放大 当电容器母线上存在谐波源时，考虑并联电容器与电抗器组成无源滤波器的 情况下，电容器对谐波电压、电流的放大系数。 e a l 接线圈 b l 谐波等值电路 图2 - 7 母线有谐波源时并联电容器接线图及等值电路图 f i g 2 - 7s y s t e mc o n f i g u r a t i o nw i t hh a r m o n i cs o u r c ea n de q u i v a l e n tc i r c u i t 8 并联电容器运行特点及配置研究 对图2 7 中等值电路分析可得 j 。：j 。 竺! ( 2 1 ) 欣s + n xl x c | n 式中：n 为谐波次数；，。为谐波源的第n 次谐波电流：x ，为系统等值基波短 路电抗；x c 为电容器组基波容抗；x ，为串联电抗器基波电抗。 由于谐波源为电流源，谐波电压放大倍数与谐波电流放大倍数相等，可以得 到谐波放大倍数为 f。=竺：鱼(2-2) ，l ( s + k ) 一1 式中：s = x ，x 。= q 。s 。；k 为电抗率( k = x 。x 。) ；s d 为电容器母线处系 统短路容量；q 。为电容器容量。 在式( 2 2 ) 中，令k = 0 ，得到不带滤波功能的并联电容器组对电压的放大 倍数。 f；墨l(2-3) 2 2 1 2 并联谐振发生的条件 谐振发生的条件为 x 。2 r l = x c r 。丽1 谐振角频率( d r ( r a d s ) 和谐振频率( h z ) 为 1 q 。面 ，一丽1 ；去= ，o 压 谐振的谐波次数为 驴万l 一面1 一压 2 2 1 3 并联谐振次数与电容器组容量关系 并联电容器组和系统电感相互作用下并联谐振的次数 9 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 北京交通大学硕士学位论文 驴万f , 。面1 - j 毒 式中，工。为电容器容抗，x 。为系统等效电抗。 忽略系统电阻，可以得到 驴璧- j 毒 s 。为电容器母线处系统短路容量；a 。为电容器容量。 由式( 2 8 ) 可以得出如下结论： ( 1 ) 电容器容量的增加，使谐振点向低值移动。 ( 2 ) 系统短路容量的增加，使谐振点向高值移动。 2 2 1 4 并联谐振次数与电容器母线电压升高的关系 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 并联电容器组投入到母线上会引起母线电压上升，下面从母线电压上升角度来 分析谐振次数与电压上升之问的关系。如图2 8 所示，一个戴维南等效电路表示的 电力系统，一个电容器组准备投入到短路容量为咒的母线上。 i 图2 - 8 具有并联可投切电容器组的电力系统等效电路 f i g 2 - 8s y s t e mc o n f i g u r a t i o nw i t hs w i t c h i n gs h u n tc a p a c i t o r a n de q u i v a l e n tc i r c u i t 忽略电阻，系统等效阻抗为 x s = 1 0 0 l s = 2 对a l s 电容器组投入前 v s = v b + xs i 式中：v s 系统等效电压；矿s 电容器投入前的母线电压。 忽略电容器投入对负荷电流，电容器组投入后 睡；袁+ 风m ) 式中：v a 电容器投入后的母线电压。 1 0 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 并联电容器运行特点及配置研究 假设瞻保持恒定，由于电容器接入引起的母线电压上升为 k = 畋| _ i v 。i = l j s k l ；芒p a i ( 2 1 3 ) 将补偿后的母线电压看作额定电压，则电容器进行无功补偿7 1 起的电压上升量的 标么值a 。为 嘴专 沼 由( 2 - 6 ) 式可得： 驴璧2 赤 泣 。寺 2 - 1 6 ) 式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 给出了当电容器投入引起母线电压上升量和谐振次数 的关系。这表明，若电容器的投入引起0 0 4 p u ( 标么值1 的电压升高将会导致在5 次 谐波频率处发生谐振；若电容器的投入引起0 0 2 p u 的电压升高将会导致约在7 ( 7 0 7 ) 次谐波频率处发生谐振。 2 3 并联电容器保护相关条款 关于并联电容器的运行和故障保护要求，相关国家标准和国际标准都给出了 规范条款，并联电容器继电保护的实现须严格遵照下列规范条款。 ( 1 ) 标称电压l k v 以上交流电力系统用并联电容器( g b 厂r1 1 0 2 4 - - 2 0 0 1 ) 条款 稳态过电压 电容器可承受长期过电压的最高值不超过1 1 0 u 。，表2 - 1 给出了电容器工频 过电压一时问关系 表2 - 1 过电压一时问关系 t a b l e 2 - 1o v e r v o l t a g e t i m ea c r o s sc a p a c i t o r 工频过电压最大持续时间说明 1 1 0 un 长期 指长期过电压的最高值应不超过i 1 0 【， 1 1 5 u n每2 4 h 中3 0 m i n系统电压的调整与波动 1 2 0 u n 扫m l n 1 3 0 unl m i n轻载荷时电压升高 1 1 北京交通大学硕士学位论文 工频加谐波过电压 如果电容器在不高于1 1 0 u 。下长期运行，则包括所有谐波分量在内的电压 峰值应不超过1 2 2u 。 稳态过电流 电容器单元应适于在方均根值不超过1 3 0 倍于该单元在额定频率、额定正弦 电压和无过度状态时产生的电流的稳态过电流下持续运行。由于实际电容可能为 1 1 0 e ，这个过电流可能达到约1 4 3 1 , , 。这个过电流是由谐波和高至1 1 0 u 0 的 过电压共同作用的结果。 最大允许容量 在计入稳态过电压、稳态过电流和电容正偏差各因素的作用下，电容器总的 容量不超过1 3 5 倍额定容量。 ( 2 ) i e e e 标准1 8 - 1 9 9 2 和i e e e 标准1 0 3 6 1 9 9 2 过电压条款 i e e e 标准1 8 1 9 9 2 和i e e e 标准1 0 3 6 - 1 9 9 2 对于并联电容器过电压时间给出了 较为详细的规定，如下： 2 2 倍额定电压持续时问为0 1 2 秒( 6 个基波周期) 。 2 0 倍额定电压持续时间为0 3 0 秒( 1 5 个基波周期) 。 1 7 倍额定电压持续时间为1 秒。 1 4 倍额定电压持续时间为1 5 秒。 1 3 倍额定电压持续时间为1 分钟。 1 2 5 倍额定电压持续时间为3 0 分钟。 根据国家标准和i e e e 标准可以绘制并联电容器的反时限过电压曲线( 如图 2 9 ) ，该曲线可以方便过电压保护程序的编制。 u u n ) _ _ - 。- _ _ 。h _ _ _ _ _ 。_ _ - _ 。_ - _ _ 。- _ _ _ - _ - - - - 。 ll o1 0 0 了( 二) 图2 - 9 反时限电压一时间曲线 f i g 2 - 9i n v e r s et i m e - v o l t a g ec u r s c 并联电容器运行特点及配置研究 2 4 本章小结 本章总结了并联电容器组的结构和接线方式、电容器运行特性以及国家标准 规定的并联电容器保护条款。电力系统谐波对电容器运行和保护有着重要的影响， 本章研究了电容器在谐波状态下的电压和电流放大、谐振的过电压原因以及影响 谐振的一些因素，并给出相关计算公式。为后续深入研究并联电容器继电保护原 理和算法、保护程序的编制奠定了基础。 北京交通大学硕士学位论文 3 并联电容器继电保护原理分析与研究 3 1 电容器组故障类型及保护方式 3 1 1 故障类型 电容器组运行中出现的故障和不正常情况如下【9 1 ： ( 1 ) 电容器组与断路器之间连接线以及电容器组内部连线上的相问短路故 障和接地故障。 ( 2 ) 电容器组的故障，指的是电容器内部极问短路以及电容器组中多台电容 器故障。 ( 3 ) 电容器组过负荷。 ( 4 ) 电容器组的供电电压升高。 ( 5 ) 电容器组失压 上述故障和不正常运行情况就是电容器组继电保护所要解决的问题。本章将 对上述各种故障和不正常情况的保护原理进行分析和研究。 3 1 2 保护方式 根据国家规范要求，对电容器的各种故障需采取以下保护措施【9 】： ( 1 ) 对电容器组和断路器之间连接线的短路可装设带有短时限的电流速断 和过电流保护，动作于跳闸。速断保护的动作电流，应按最小运行方式下，电容 器端部引线发生两相短路时，有足够灵敏系数整定过电流保护装置的动作电流， 应按躲过电容器组长期允许的最大工作电流整。 ( 2 ) 当电容器组中故障电容器切除到一定数量，引起电容器端电压超过1 1 0 额定电压时，保护应将整组电容器断开。对不同接线的电容器组，可采用电压 不平衡、电流不平衡、电压差动和桥式差电流保护等。 ( 3 ) 电容器组单相接地故障，可利用电容器组所联接母线上的绝缘监察装置 进行检出，也可以采用零序电流保护，作用于跳闸。但安装在绝缘支架上的电容 器组，可不再装设单相接地保护。 ( 4 ) 对电容器组的过电压应装设过电压保护，带时限动作于信号或跳闸： ( 5 ) 对母线失压应装设低电压保护，带时限动作于信号或跳闸。 ( 6 ) 对于电网中出现的高次谐波有可能导致电容器过负荷时，电容器组宜装 设过负荷保护，带时限动作于信号或跳闸。 1 4 并联电容器继电保护原理分析与研究 本课题研制的保护装置配各了过电流保护、过电压保护、欠电压保护、不平 衡电压保护、不平衡电流保护和零序电流保护等。 3 2 电容器组保护原理 3 2 1 电容器组与断路器之间连线、电容器组内部连线上的短路故障保 护 ( 1 ) 相问短路故障保护 对电容器组与断路器之间连线以及电容器组内部连线上的相间短路故障。应 装设短限时的过电流保护，动作于跳闸。 根据3 1 1 0 k v 电网继电保护装置运行整定规程规定，过电流保护动作时间 o 3 l s 。电容器组投入时的涌流一般不超过一个基波周期( 2 0 m s ) ，这个时间是 完全可以躲过2 0 m s 涌流时间的i 加l 。 继电保护动作电流l 。按躲过电容器组长期允许的最大工作电流整定。实际上， 保护装置的过电流保护一般是两段式或三段式。当为两段式时，第段兼作过负 荷保护用，通常为定时限特性。当为三段式时，第1 i 段为定时限特性，第1 n 段可 设为定时限特性，也可以设为反时限特性，其中第1 i 、段兼作过负荷保护作用。 当然，三段式更易满足灵敏度要求。 ( 2 ) 单相接地保护 本课题研究1 1 0 k v 以下电压等级的电容器组保护，这里只讨论中性点不接地 电容器组的情况。电容器组可以看作系统中的一个元件( 相当于一条线路) 。根据 中线点不接地电网单相接地保护原理，利用故障线路零序电流较非故障线路大的 特点来实现有选择性地发出信号或动作于跳闸【1 1 i 。 如图3 - 1 所示，当网络中有多条线路存在时，当某线路发生单相接地时，故障 线路上的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和，电容性无功功率的实 际方向为线路流向母线。因此，为了保证动作的选择性，保护装置的启动电流，。 应该大于本线路的对地电容电流，即 i s e t 一岛3 u 。e o c o ( 3 1 ) 式中：k 为可靠系数( 取值1 2 1 3 ) ：u 。为相电压有效值；c o 为每相对 地电容。 北京交通大学硕士学位论文 c 0 1 = = i ；i i 一， 、一f 兰 e i 一 c e 一# 么吣二土 i ；i 一，! ! )lj 图3 1 中性点不接地网络单相接地 f i g 3 - 1s i n g l ep h a s ee a r t hf a u l ti nu n g r o u n d e dn e t w o r k 3 2 2 电容器组过负荷保护 电容器组过负荷是由系统过电压及高次谐波所引起的。按规定电容器应能在 1 3 倍额定电流下长期运行，对于电容量具有最大正偏差( 1 0 ) 的电容器，过电 流允许达到1 4 3 倍额定电流。 由于电容器组必须装设反映稳态电压升高的过电压保护，而且大容量电容器 组一般装设抑制高次谐波的串联电抗器，在这种情况下可以不装设过负荷保护。 仅当高次谐波含量较高或实测电容器回路电流超过允许值时，才装设过负荷保护。 保护延时动作于信号。为与电容器过载特性相配合，宜采用反时限特性的过负荷 保护。一般情况下，过负荷保护与过电流保护结合在一起。 3 2 3 电容器组过电压保护 电容器组过电压保护与多台电容器切除后的过电压保护，其作用是不同的。 自仃者是当供电电压过高时保护整个电容器组不损坏。后者指，在供电电压正常情 况下，电容器组内部故障k 台电容器切除后，使剩余运行的电容器上电压分布不 均匀，保护切除电容器组使该段上剩余电容器不受过电压损坏。 电容器组只能允许在i 1 倍额定电压下长期运行，当供电母线电压升高时， 过电压保护应动作，带时限发出信号或跳闸。 电网中的谐波是造成电容器组过电压的另一个重要因素，在3 3 1 节中对电 网中含有谐波的电容器组过电压进行研究。 1 6 并联电容器继电保护原理分析与研究 3 2 4 电容器组欠电压保护 如果电压为零或不正常的低( 如0 8 u 。) ，则电容器组的断路器应该断开并且 闭锁，直到电压恢复正常水平【1 2 i 。因为在电力线路重新赋能时，电力变压器的激 磁涌流中包含大量的谐波，而电容器可能在其中的某次谐波下与网络谐振。 当供电电压消失时，电容器组失去电源，开始放电，其上电压逐渐降低。若 残余电压未放电到0 1 倍额定电压就恢复供电，则电容器组上将承受高于1 1 倍 额定电压的合闸过电压，导致电容器组的损坏，因而装设欠电压保护。 3 2 5 多台电容器切除后过电压保护 当电容器组内部多台电容器元件因故障被切除后，继续运行的电容器将出现 过载或过电压。这是不允许的，保护方式随着接线方式的不同而不同。 3 2 5 1 电容器组内部电容器元件故障 每当一个电容器元件损坏，电容器组内部的电压分布和流过的电流就会有变 化，这些变化的大小决定于损坏元件的数量和它们在电容器组内的位置。 本课题研究l l o k v 电压等级以下的电容器继电保护装置，现只论述三相不接 地电容器组的内部故障造成的过电压和过电流情况。 ab c o 00 一1 ， ，1 ， i ， i 上w 上土土土 l 仑个个个仑个 m r jr 弓r 。j 摩ss ，5s s l 个个个个个个 1一，一 图3 - 2 不接地星形电容器组 f i g 3 2u n g r o u n d e dw y ec o n n e c t e dc a p a c i t o rb a n k 图3 2 为三相不接地星形的电容器组示意图，每相中有m 段串联，每段有n 个电容器并联。内部熔丝是用来断开故障的电容器元件，从而使该电容器单元的 其余部分以及接有该电容器单元的电容器组继续运行。 北京交通大学硕士学位论文 x c j x c o 舸赢丁u 妄x c 荨x c 妄 奄 n 图3 - 3a 相k 台f 台电容器切除后的等效电路 f i g 3 - 3c a p a c i t o rb a n ke q u i v a l e n tc i r c u i t a f c e rr e m o v i n gf c a p a c i t o r si np h a s ea 图3 3 为a 相某段有k 台电容器因故障切除后的等效电路， 压和电流变化情况。 无故障时，电容器组各相的容抗，为 ， m 。瓦历 下面分析内部电 ( 3 2 ) 式中：0 1 为电源角频率，0 3 = 巧，一5 0 h z ；c 为每台电容器的电容量。 a 相的容抗工：为 x ：l + m - 1 。( 一f ) 嬲n w c a 相容抗增加量x ，为 从c “：- x c4 南一志 。- 3 ) 设a 相有f 台电容器因故障切除后，中性点n 电压u 。为 匕 + 丝+ 生 匕 一丝 j , v x c + ! a x c + 上x c + ! x c = 二x c + 覃a x cx c ；一吭丽南( 3 - 4 ) x c + 蜮cx c x cx c + 酞cx c 故障段剩余( n - f ) 台电容器电压u 。m n 为 1 池卅= ( d 一一矗”，j 】l f 0 v 。- f ) o x l z 一= 吐而厕3 n n w c f 一f ) , o c = 6 一 ! m - f ( 3 m - 2 ) 3 正常运行时，每台电容器的额定电压为 ( 3 5 ) 并联电容器继电保护原理分析与研究 6 。；丝 m 可以看出，故障段剩余n f 台电容器电压变大。 故障相电流l 为 j盯。：u：ctn-k)=6一3n(n-f)ox7=二j；-=jn互a973mn-f(3m-2)ua ( 3 - 6 ) 1 盯。_ j _ 2 u 。2 - = ：i 矿。o ( - f ) a x 73 ( n f ) 无故障时，a 相电流为 l ；丝：d 。一n a 9 7 爿c 肘 显然，故障后相电流变小。 内部电容器因故障切除后，母线电压将在剩余完好电容器上重新分配，造成 内部电容器过电压或过电流，其中过电压是造成电容器损坏的主要原因。 3 2 5 2 不接地星形接线电容器组的保护方法1 1 2 】 ( 1 ) 中性点电压保护 图3 4 为在中性点与地之问接入电压互感器，不平衡时，在中性点与地之问将 测出电压差。 图3 4 在中性点与地之间接入电压互感器的星形接线 f