基于微机的一种电容保护装置

1、广西大学毕业设计论文 基于微机的电容器保护装置 中文摘要 并联电容器作为一种重要的无功补偿设备，被广泛应用于电力系统中。但是在线运行的电容器各种故障频发，显现出传统的电容器继电器保护方式的缺陷和不足。因此研制新一代智能化保护装置是解决电容器有效运行和故障保护的显得很有必要。本课题进行110kV以下电压等级并联电容器微机保护的研究和实现。首先，对并联电容器的保护原理进行分析、研究，克服了一些传统继电器保护的缺陷和不足。如传统继电器保护方式下，对桥式差电流保护和双星形接线的不平衡电流保护中发生的平衡性故障无法给予保护。论文中给出一种改进新方法，即在桥差式电流和不平衡电流判断的基础上，增对三相电流变

2、化的比较、判断，克服了上述缺陷。 该设计的硬件部分以ATmega16为系统的核心，通过电压及电流进行数据采集并送入信号处理电路，从而准确地得到控制系统可以识别的数字信号。该设计的软件部分对系统的主要流程作出了说明，讲述了单片机如何对处理得到的信号进行监视、判断处理，实现了过电压保护、过电流保护、不平衡电流保护、不平衡电压保护、欠电压保护和零序电流护等功能。关键词： 并联电容器 微机保护 单片机 AbstractAs an important parallel capacitor reactive power compensation equipment is widely used in el

3、ectric power systems. But the fault line running frequency of the various capacitors, shows the traditional way of capacitor relay protection of the defects and deficiencies. Therefore, a new generation of intelligent protection device developed to solve the capacitor effective operation and fault p

4、rotection seems necessary. Following this the subject of 110kV shunt capacitor voltage of microprocessor-based protection and realization. First, the protection of shunt capacitor theory analysis, research, and to overcome some of the traditional relay protection of the defects and deficiencies. Suc

5、h as traditional relay protection mode, differential current protection on the bridge and the binary form of wiring in place to protect the current imbalance in the balance of fault can not be protected. Paper presents a new method for improvement, that the bridge current and unbalanced current diff

6、erential based on the judge, by comparison of the three-phase current change, to judge, to overcome these shortcomings. The design of the hardware to ATmega16 as the core of the system, through the voltage and current data collected and sent to the signal processing circuit, so the system can be con

7、trolled accurately identify the digital signal. The design of the software part of the main flow of the system made a note about how to deal with the SCM to monitor the signal received to determine treatment, to achieve the over-voltage protection, over current protection, unbalanced current protect

8、ion, unbalanced voltage, under voltage protection and zero sequence current protection functionsKeywords； shunt capacitor Microcomputer Protection SCM目录第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 基于微机的电容保护装置发展及现状11.2.1国外的发展与现状21.2.3存在的问题41.3 论文的主要工作5第二章 并联电容器运行特点及配置研究62.1高压电容器组的结构跟接线62.1.1相关术语定义62.1.2电容器组结构72.1.3接线方式82.

9、2 条件下电容器组运行特性研究研究102.2.1谐波条件下并联电容器过电压以及谐振的研究102.3并联电容器保护相关条款142.4本章小结16第三章 基于微机的电容保护原理的分析与研究173.1电容器组故障类型及保护方式173.1.1故障类型173.1.2 保护方式173.2电容器组保护原理183.2.1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183.2.2电容器组过负荷保护193.2.3 电容器组过电压保护193.2.4 电容器组欠电压保护203.2.5 多台电容器切除后过电压保护203.3保护方法的改进研究283.3.1谐波条件下电容器组过电压保护的研究283.3.2桥式

10、差电流保护和不平衡电流保护的研究303.4本章小结34第四章 基于微机的电容保护装置硬件设计354.1 ATmega的选择354.3.1 ATmega16微处理器354.2信号输入模块电路设计364.2.1模拟量输入电路设计364.2.2开关量输入电路设计374.3晶振和锁相环接口384.4电源设计384.5硬件抗干扰技术394.6本章小结40第五章 基于微机的电容保护装置软件设计415.1 主程序流程图设计415.1.1.程序说明415.1.2 关于中断415.1.3 主程序的主要结构安排425.1.4 程序中时间段安排425.2 各主要功能子程序设计445.2.1采样中断子程序445.2.

11、2 各保护子程序465.3软件抗干扰技术525.4本章小结53总 结54参考文献55致谢5749第一章 绪论1.1 课题背景及意义 电力电容器组及其重要的电器设备，在解决电力系统无功电源容量的不足、提高功率因数、改善电压质量、降低线损中起到相当重要的作用，它比同步调相机制造简单、施工简易、维护方便、投资节省。并联电力电容器在今后相当一段时期内仍将是我国无功功率补偿的重要手段和主要来源。电力电容器的安全可靠运行，很大程度上依赖于完善的电容器保护设施。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

12、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是避免电容器装置发生爆炸、着火事故的有效手段。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。因此研制新一代集保护、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

13、。本课题就是对基于微处理器的电容器保护装置所做的研究，继而提出电容器继电保护的解决方案。1.2 基于微机的电容保护装置发展及现状 电容器的继电保护原理是利用当电容内外发生故障时，由于电流、电压、等随之发生变化，通过这些突然变化来发现、判断电容器的故障性质和范围，继而做出相应的反应和处理。微电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，为电容器保护中遇到的各种问题提供了更好的解决办法。1.2.1国外的发展与现状1965年英国剑桥大学的P.G.Mclaren等提出用采样技术实现输电线路的距离保护，1966年澳大利亚南威尔士大学的L.F.Morrison预测了输电线路和变电站采用计算机控制的前景，接着他

14、们进一步研究了微机保护的理论基础，主要研究集中在微机保护的各种算法。由于当时计算机价格昂贵,同时也无法满足高速继电保护的技术要求,因此没有在保护方面取得实际应用,但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法、程序结构的大量研究,为后来的继电保护发展奠定了理论基础。随后，计算机技术在20世纪70年代初期和中期出现了重大突破。1976年美国的A.G.Phadke等研究了变电站的计算机系统的可行性,开发了报警、监视、数据采集、控制及保护功能。在此之后研究出一套对称分量原理的距离保护。 通用电气公司和PhiladelPhia电力公司于1973年开始数字式线路保护的可行性课题，开发出完整的保护系统并在实验室

15、进行了详尽的试验，该系统安装在Phifadelphia电力公司的一条116km的500kv输电线路的两端。该系统中装有超范围的跳闸逻辑。这些成就标志着微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。随着计算机价格的大幅度下降,可靠性、运算速度的提高,促使计算机继电保护的研究出现了高潮。直到80年代，继电保护的工程应用才真正出现。在计算机性价比不断提高以后，终于出现了新形式的继电保护微机继电保护。在这一方面，日本的商业化走得比较快，欧美主要着重于理论研究，以算法为主，而日本以继电保护装置商品化为研究重点。国外主要电器制造商从九十年代才开始不断开发新一代继电保护产品，这类产品普遍具有高性能、小型化、电子化、

16、智能化、模块化、组合化等特点，比如美国人设计的多频接地故障继电器等。另外，有些设备还具有可通信的特点，即与现场总线系统实现连接。实现了传统继电保护产品的网络化。1.2.2国内发展与现状建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。 继电保护专业制造厂已由上世纪50年代阿城继电器厂一家，发展到许继公司、国

17、电南自公司、南瑞公司、北京四方公司等多家开发能力强、制造水平高的大型专业制造企业。至今，不同原理、不同机型的微机线路和主设备的继电保护装置，为电力系统的可靠运行做出了巨大的贡献。可以说从90年代开始我国继电保护技术进入了微机保护的时代。1.2.3存在的问题自从20世纪80年代我国第一套微机线路保护投入运行到现在，微型机继电装置凭借其优越性能在国内得到了广泛的认可和使用。近几十年来，由于我国广大电力科技工作者的不懈努力，我国继电保护技术及装置应用水平有了很大的提高，但是目前国内生产的微机电容器保护装置还存在几个需要改进的地方：(1) 电力系统的无功缺额一般是采取就地补偿措施，并联电容器组因其价廉

18、及免维护等优点而得到广泛应用。但是，长期运行时的故障时有发生，传统保护模式的可靠性较差，因此，对其可靠性保护的研究显得极为重要。为了更好的满足电力系统的要求，进一步提高继电保护的可靠性，必须对系统硬件，软件进行合理布局，认真选取，整体规划，提高系统的可靠性和抗干扰能力。(2) 目前，电力系统的并联电容器组保护装置仍然采用传统保护模式，与厂站自动化系统接口功能弱，通讯速度较慢，不能满足实际要求；人机界面不友好，操作繁琐，调试维护困难等因素使得传统保护装置已经跟不上变电站综合自动化的步伐，所以，无法实现无人值班变电所。因此，保护装置本身应具备友好的人机界面，能快速处理故障并将信息及时通知工作人员，

19、这样在装置发生故障时，运行人员才能及时有效地修复装置，从而减少装置故障带来的损失。(3) 有些保护装置仅能进行电流保护的各种试验，无法进行其它方式的保护，并且对并联电容器组多台电容器故障并没有行之有效的保护措施。另外，为了与并联电容器组的过载特性相配合，针对并联电容器组过负荷故障，宜采用反时限特性的继电器，与过电流保护配合，但现有的部分保护装置并没有采用这种方式，使得保护在正常运行中的灵敏性要大打折扣，甚至可能会造成保护拒动，严重危害系统安全。所以，为了提高保护装置的灵敏性，可以采用反时限过流保护来作为电容器继电保护的配置方案。(4) 目前各种电容器保护装置中，尤其是国外的高智能型保护装置，其

20、板面按键操作较复杂以及其昂贵的价格并不完全适合我国电网调度自动化的现状和要求。由此，开发一种保护种类齐全、灵敏度高、可靠性好、高性价比的微机继电保护装置十分必要。1.3 论文的主要工作 论文全面阐述电容器组工作中的各种故障和不正常工作状态，基于微机的电容保护装置的基本要求与配置情况；论述了基于微机的电容保护装置的基本原理。 本论文在第一章先阐述微机保护电容器组的背景及意义，明确本论文的主要工作。接下来在第二章中对电力电容器的故障进行简要的分析。在此基础上，第三章阐述各种保护的原理以及装置的要求，对有缺陷的保护方法进行了改进研究，在此基础上开始对保护装置进行硬件及软件设计。 在第四章，讲述了采用

21、Atmega16单片机为核心的所设计的保护装置及其硬件构成，并介绍了对电压及电流这两个判断量的数据采集以及相应的信号处理电路。对于保护装置的软件设计，本论文介绍了一种AVR单片机基于C语言的编译器和集成环境，在此环境下对ATmega16进行编译、开发，实现对保护装置状态的显示及对其的控制。最后对论文作一个全文总结。第二章 并联电容器运行特点及配置研究作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：（1）电容器是最经济的设备。它的一次性投资和运行费用都比较低，且安装调试简单。（2）电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。（3）电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。（4）

22、电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电系统和厂矿用户。而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限。并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。2.1高压电容器组的结构跟接线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电压并联电容器(GB 3983.2-89)联电容器装置设计规范(GB 50227-95)标称电压lkV以上交流电力系统用并联电容器(GB/T 11024-2001)据国家标准所给的定义，介绍相关的术语。容器元件(或元件)：由电介质和被它隔开的电极所

23、构成的部件。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，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

24、单元内部每一个电容器元件串联一个电容器(如图2-2)。 (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。(4) II类无熔丝电容器组，这种结构与I类的区别是“串”的每一段是由多个电容器单元并联而成的。图2-1带外部熔丝的星形接地电容器组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连在一起，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

25、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。 图2-2带内部熔丝的星形接地电容器组通常，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皆有该电容器单元的电容器组继续运行。国外在46 kV及以上电容器组中广泛采用先进的无熔丝结构，目前国内厂家还不能制造。另外，它在不平衡保护时不必考虑与熔丝的配合问题。2.1.3接线方式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，如图2-3，分别是：(1)三角形

26、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(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，1985年以后，按照电力行业标准设计，不再采用三角形接线方式。国家标准(GB50227-95)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。图2-3并联电容器组的基本接线2.2 谐波条件下电容器组运行特性研究研究 电力系统中并联电

27、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RLC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RLC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)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

28、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。 图2-4母线有谐波源时并联电容器接线图及等值电路图对图2-4中等值电路分析可得： (2-1) 式中：为谐波次数；，为

29、谐波源的第次谐波电流，为系统等值基波电抗；为电容器组基波容抗；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，可以谐波放大倍数为 (2-2) 式中：；为电抗率()；为电容器母线处系统短路容量；为电容器容量。在式(2-2)中，令 ，得到不带滤波功能的并联电容器组对电压的放大倍数。 (2-3)2.2.1.2并联谐振发生的条件谐振发生的条件为 (2-4)谐振角频率(rad/s)和谐振频率(Hz)为 (2-5) (2-6)谐波的次数为 (2-7)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。 (2-8)式中，为电容器容抗

30、，为系统等效电抗。忽略系统电阻，可以得到 (2-9)电容器母线处系统短路容量；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 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2-5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。2-5具有并联可投切电容器组的电力系统等效电路忽律电阻，系统等效阻抗为： (2-10)电容器组投入前: (2-11)式中：系统等效电压；电

31、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 (2-12)式中：为电容器投入后的母线电压。 假设保持恒定，由于电容器接入引起的母线电压上升为 (2-13)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引起的电压上升量标么值为 (2-14)由(2-6)式可得 （2-15) (2-16) 式(2-15)和式(2-16)给出了当电容器投入引起母线电压上升量和谐振次数关系。这表明，若电容器的投入引起0.04pu(标么值1的电压升高将会导致在5次波频率处发生谐振；若电容器的投入引起0.02pu的电压升高将会导致约在7(7.07)次谐波频率处发生谐振。2.3并联电容器保护相关条款关

32、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lkV以上交流电力系统用并联电容器(GB/T 11024-2001)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1.10。表2-1给出了电容器工频过电压-时间关系 工频过电压最大持续时间 说明 长期指长期过电压的最高值应不超过每24h中30min系统电压的调整与波动 5min轻载荷时电压升高1min表2-1电容器工频过电压与时间关系图 工频频加谐波过电压如果电容器在不高于。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。 稳态过电流电容器单元

33、应适于在方均根值不超过1.30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，这个过电流可能达到约。这个过电流是由谐波和高至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1.35倍额定容量。 (2)IEEE标准18-1992和IEEE标准10361992过电压条款IEEE标准181992和IEEE标准1036-1992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倍额定电压持续时问为0.12秒(6个基波周期)。2倍额定电压持续时间为0.30秒(15个基波周期)。1

34、.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15秒。1.3倍额定电压持续时间为1分钟。1.25倍额定电压持续时间为30分钟。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理和算法、保护程序的编制奠定了基础。第三章 基于微机的电容保护原理的分析与研究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: (1)电容器组过负荷 (2)电容器组的供电电压升高 (3)

35、电容器组失压 (4)电容器组的故障，指的是电容内部极间短路故障和接地故障 (5)电容器组与断路器之间以及电容器组内部连线上的相间短路故障 上述各种不正常的运行情况和故障就是电容器组继电保护所要解决的问题，将在本章对其保护原理进行分析研究 。3.1.2 保护方式根据国家的规范要求，对电容器的各种故障需采用以下保护措施： (1)对电网中出现的高次谐波有可能导致电容器过负荷，电容器组宜装设过负荷保护，带时限动作于信号或跳闸。 (2)对电容器组器的过电压应装设过电压保护，带时限动作于信号或跳闸。 (3)对母线失压应装设低电压保护，带时限动作于信号或跳闸。 (4)电容器组单相接地故障，可利用电容器组所联

36、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。 (5)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110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。 (6)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,按躲过电容器组长期允许的最大工作电流整。 本课题研制的保护装置配备了过电流保护、过电

37、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 根据3-110kV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0.3l s。电容器组投入时的涌流一般不超过一个基波周期(20ms)，这个时间是完全可以躲过20ms涌流时间的。 继电保护动作电流。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，第段为定时限特性，第段可设为定时限特性，也可以设为反时

38、限特性，其中第、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110kV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。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 (3-1) 式中：为可靠系数

39、(取值1.21.3)：为相电压有效值；为每相对地电容。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(10)的电容器，过电流允许达到1.43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

40、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。前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1.1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节中对电含有谐波的电容器组过电压进行研究。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)，则电容器组的断路器应该断开闭锁，直到

41、电压恢复正常水平。因为在电力线路重新赋能时，电力变压器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化，这些变化的

42、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110kV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。 图3-1不接地星型电容器组图3-1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其余部分以及接有该电容器单元的电容器组继续运行。图3-2 A相K台F台电容器切除后的等效电路图3-2为A相某段有K台电容器因故障切除后的等效电路，下面分析内部电压和电流变化情况。无故障时，电容器组各相的容抗，为 (3-2)式中：为电源角频率，=50Hz；C为每台电容器的

43、电容量。A相的容抗工为 容抗增加量，为 (3-3)设A相有F台电容器因故障切除后，中性点N电压为 (3-4)故障段剩余(N-F)台电容器电压为 （3-5） 正常运行时，每台电容器的额定电压为 可以看出，故障段剩余N-F台电容器电压变大。故障相电流为 （3-6）无故障时，A相电流为： 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)中性点电压保护图3-3为在中性点与地之问接入电压互感器，不平衡时，在中性点与地之间将测出电压差。图3-3在中性点

44、与地之间接入电压互感的星形接线 由于相间不平衡的影响，其灵敏度较低，这种保护方法适于保护中等容量的电容器组，最适合与外部熔断器配合使用。 在这种场合使用的电压互感器应按整个系统电压等级来确定额定参数，如果额定参数不正确，则在投切时由于中性点电压将大大升高，互感器有可能饱和。可用电阻分压器来代替电压互感器，以克服投切时的瞬态过电压和饱和问题，以及按整个系统电压等级来确定额参数带来的电压互感器的成本高等问题。该保护的缺点 易受系统电压不平衡的影响。 不能够识别故障相。 不能够检测出不平衡故障。(2) 相电压不平衡保护 (电压互感器开口三角接法)图3- 4所示，在电容器端点到中性点之间均接入电压互感

45、器，它们的二次侧接口成开口三角形，电容器组中的不平衡将引起中性点电压漂移，因此开口三角输出一个信号(不等于零)。图3-4 检测开口三角电压方法 该保护的由于三相叠加，输出幅值大于中性点对地测量下的值(是其3倍)，灵敏度得到提高。其缺点是： 易受系统电压不平衡影响。 不能够识别故障相。不能够检测出不平衡故障。（3）中性点间不平衡电压保护(双星形接线) 图3-5所示，在双星形接线中，两个中性点间接入电压互感器，当电容器内部故障时，两组电容器的中性点电压不再相等，出现电压差。图3-5 双星形接线不平衡电路该保护方式的优点是： 该保护方式不易受系统电压不平衡的影响。 不受谐波电流影响。 相对较经济的保

46、护方法。 可能弥补电容器本身的容量差影响。这种保护方式的缺点是： 不能够识别故障相。 不能够检测出平衡性故障。(4) 电压差动保护 图3-6所示为电压差动保护接线方式。每相中点电压相对于该相线到中性点之间电压的改变通过电压互感器进行测量。当某相电容器发生故障时，则从该相单独得到信号。 图3-6中性点不接地星形接线电容器组的电压差动法该保护方式的优点是： 不受系统电压不平衡的影响，适用于大的电容器组。 能够识别出故障相，并能够判断出故障发生的范围(在该相的上部分还在是下部分）。该保护方法的缺点： 因为为电压互感器的电压等级和质量要求较高，成本比较高。 不能够检测出平衡故障(该相中上下两部分同时发

47、生相同数量的电容器故障。(5) 桥式差电流保护图 3-7所示为电容器组的桥式差电流保护接线。正常运行时，桥式差电流几乎为零(实际因电容器容量差造成的不平衡电流)，保护不动作。当某相中多台电容切除后，电桥平衡被破坏，桥差电流增大，保护装置动作。图3-7电容器组的桥式差电流保护接线该保护方式的优点是： 不受系统电压不平衡的影响。 不受谐波电流影响。 够识别故障相。其缺点是，当电桥对应的分支上同时发生同样数量的电容器故障时，该保护方法不能够检测出来。(6) 中性线不平衡电流保护 图3-8所示，电容器接成两个并联不接地双星形，在两个星形的中性点之间接入一个电流互感器，两个星形不必为相同的容量，电容器组

48、的不平衡将引起电流在中点之间流动。图3-8中性点不接地双星形接线电容器组的不平衡电流保护该保护的优点是: 对受系统不平衡影响。 不受谐波电流影响。 相对较经济的保护方法。 可能弥补电容器本身的容这种保护的其缺点是: 不能够识别故障相。不能够检测出平衡性故障3.3保护方法的改进研究本节主要在两个方面对电容器的保护方法进行了改进研究：一是谐波下电容器过电压保护方法的研究；另一是对不平衡电流保护方法的改进研究。3.3.1谐波条件下电容器组过电压保护的研究 当高次谐波注入电容器时，会造成电容器过电压，内部发热量增大，热老化加剧。传统的继电器保护方式下，对于谐波含量超限，低压并联电容器采用热继电器进行保

49、护。高压并联电容器通常串联电抗器再接入电网，滤除高次谐波。但实际电网谐波难以完全滤除，这种串联电抗器的方法不能够完全保护电容器不受谐波影响。在微机保护方式下，可以采用对谐波电流进行积分来判断电压升高的方法，进行谐波超限的过电压保护。本节从检测畸变电压波形的峰值和有效值来进行过电压保护的研究。(1)电压有效值的计算稳态运行时并联电容器实际所承受的电压包括基波和各次谐波在内的电压总和，由于谐波存在以及电容器对某些次谐波的放大从而造成电压波形的畸变，畸变的电压压波形中电压峰值和电压有效值没有对应的倍的关系, ，和这三种情况都有可能出现。 首先先定义两个概念：等效有效值电压；等效峰值电。在标准正弦电压

50、波形下有和。在谐波条件下，电压有效值和峰值还会出现下面两种情况：和。对于畸变的电压波形，如按照传统算法来获得电压有效值作为过压保护的判断依据将产生很大的误差，导致保护误动或拒动，从而不能够对电容器进行有效的保护。对谐波条件下的畸变电压波形，我们要分别计算出峰值和有效值，即对离散采样的电压序列分别计算实测的峰值和有效值。可以采用最大值算法来计算电压峰值，将一个周期中采样值的最大值作为电压峰值 （3-7） 式(3-7)中为实际电压峰值，为采样值。由于采样时间不一定刚好落在最大值时刻，因此，所取的值与实际最大值存在一个误差。幅值的误差大小与采样频率有关，采样频率越高，则误差越小，精度越高。如同前面所

51、说，电压有效值不能够根据峰值来计算，谐波条件下电压的峰值和有效值没有对应的关系。据电压有效值定义 对离散的采样电压序列值可由式(3-8)来计算电压有效值 (3-8) 式中为电压有效值，为采样值，为一个周期内采样的次数。(2) 有效电压的确定 通常，过电压保护启动定值和跳闸时间都是根据电压有效值来进行的，但是谐波条件下过电压保护应考虑实际电压峰值的影响。 1） 当时，用实际有效值来判断保护是否启动及计算保护跳闸时。这是基于峰值电压没有越线，无需考虑峰值电压的影响。2） 当时，要考虑峰值电压对电容器的影响，分析下面两种情况讨论：A. 当时,用实际有效值,用等效电压有效值来计算保护跳闸时间，这是基于

52、将电压波形按照实测峰值电压等效的正弦波来考虑电容器的耐压时间。如果按实测值来计算，会造成电容器损坏。B. 当时，用实际有效值来计算保护跳闸时间。这是基于将电压波形按照实际的有效值等效的正弦波考虑，等效的正弦峰值比实测的峰值大。如果按实测的电压峰值计算出的等效电压来计算跳闸时间，会造成跳闸时间过长，电容器会在实际的有效电压下损坏。3.3.2桥式差电流保护和不平衡电流保护的研究 并联电容器的外部过电压和过电流保护对电容器内部元件损坏引起的过电压和过电流是起不到监测和保护作用的。因为装在母线上的电压互感器对电容器组件或单元过电压是无法检测到的，内部故障造成的电流变化也不会使过电流保护启动。 关于中性点不接地星形电容器组的不平衡保护，3.2.5节提出桥式差电流保护和双星形接线的不平衡电流保护。本节将具体讨论这两种电流保护方法的缺陷，并给出改进的方法。(1)故障分析图3-9为桥式差电流保护接线图，电容器组每相中有个并联段串联,每相中的容抗为： (3-9) 图3-9 电容器组桥式差电流保护接线当A相一个桥臂某段有K台电容器因故障切除时，该桥臂的容抗为容抗的增加量为 (3-10)由此，可以求得桥差电流为 (3-11)式中为一台电容器的额定电流，为一相电容器组中每一段的并联电容数。图3-10 中性点不接地双星形接线电容器组不平衡保护 图3-10为中性点不接地双星形接线电容器组