谐波条件下并联电容器过电压保护的一种实现方法

２００７年第１期　谐波条件下并联电容器过电压保护的一种实现方法　・１７．　谐波条件下并联电容器过电压保护的一种实现方法　盛小伟，黄摘梅，阎　波　（北京交通大学电气工程学院北京１０００４４）　要：并联电容器过电压保护是基于电压有效值基础上的反时限保护。电容器母线电压因　含有谐波而发生畸变，因此在过电压保护时要分别计算实际的电压有效值和峰值。文章给出　了谐波条件下的并联电容器过电压保护的一种实现方法，介绍了实际电压有效值和峰值的计　算方法和有效值选取的原则。　关键词：并联电容器；过电压保护；谐波畸变；　定值　中图分类号：ＴＭ８６文献标识码：Ｂ文章编号：１ｏｏ２＿（）３４９（２００７）０１－００１７－０３　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｈｕｎｔ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｅｘｐｏｓｅｄ　ｔｏ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ　ＳＨＥＮＧ　Ｘｉａｏ—ｗｅｉ，ＨＵＡＮＧ　Ｍｅｉ，ＹＡＮ　Ｂｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１　０００４４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｈｕｎｔ　ｂａｎｋｓ　ｏｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉＳ　ａｎ　ｉｎｖｅｒｓｅ—ｔｉｍｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｉｎｓ　ｖｏｌｔ—　ａｇｅ．Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｂｕｓ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ，ＳＯ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｒｉｎｓ　ａｎｄ　ｃｒｅｓｔ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ。Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｇｉｖｅｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｈｕｎｔ　ｃａ—　ｐａｃｉｔｏｒｓ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｏｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｉｎｓ　ａｎｄ　ｃｒｅｓｔ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｉｎｓ　ｖｏｌｔａｇｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｈｕｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ；０ｖｅｒｖｏｈａｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ；Ｓｅｔｔｉｎｇ　１　引言　启动定值和保护跳闸时间是根据相关的国家标准　随着电力系统中非线性负荷的大量增加，电　网中谐波次数和幅值也随之增加，并联于电网中　的电容器也会因大量谐波的存在而增加发生谐波　进行设置的。《高电压并联电容器》（ＧＢ　３９８３．２—　１９８９）（以下简称国家标准）给出电容器保护的相　关条款。　（１）电容器可承受长期过电压的最高值不超　过１．ＩＯＵ　，表１给出了电容器工频过电压一时间　关系。　，　最大允许持续时间　长期　每２４ｈ中３０ｍｉｎ　５ｍｉｎ　１ｍｉｎ　过电压的概率。传统过电压保护算法是通过采样　母线电压计算出电压峰值　，电压有效值通过　：Ｕ　／　式计算得到。谐波条件下的并联电容器　保护在算法和保护启动电压值整定上都有别于工　频（基波）条件下的保护，因为电压峰值和有效值　之间的关系不再是固定不变的。　表１　并联电容器工频过电压一时间关系表　工频过电压（　）　１．１　２并联电容器过电压保护　电容器故障的一个主要原因是由于过电压引　１．１５　１．２０　起电容器材料绝缘水平的降低，最后导致绝缘击　穿而使电容器受损。电容器过电压保护时的电压　１．３０　（２）在计人稳态过电压、稳态过电流和电容　收稿日期：２００６－０９４３８　正偏差各因素的作用下，电容器总的容量不超过　维普资讯 http://www.cqvip.com

・１８・　电力电容器　２００７年第１期　１．３５倍额定容量。　（３）如果电容器在不高于１．ＩＯＵ　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　４２Ｕ　（１．６９７　Ｕ　）。　ＩＥＥＥ标准１８—１９９２¨　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：　（１）２．２Ｕ　持续时间为０．１２ｓ（６个基波周　期）。　（２）２．０Ｕ　持续时间为０．３０ｓ（１５个基波周　期）。　（３）１．７Ｕ　持续时间为１Ｓ。　（４）１．４Ｕ　持续时间为１５ｓ。　（５）１．３Ｕ　持续时间为１ｒａｉｎ。　（６）１．２５Ｕ　持续时间为３０ｒａｉｎ。　根据国家标准和ＩＥＥＥ标准规定绘制电容器　的过电压的反时限曲线（如图１），过电压保护跳闸　时间的整定可以将图１的曲线描绘成分段函数ｔ＝　），然后进行反时限的自动整定，也可以设　置几个典型电压启动值来整定保护跳闸时间。　图１　ＧＢ／Ｔ１１０２４．１—２００１标准和ＩＥＥＥ标准的　电压一时间曲线　并联电容器过电压保护算法通常是对采样电　压序列值应用某种算法（如傅氏算法、最小二乘　法等）算出电压最大值，然后由电压最大值得出　电压有效值，最后与过电压保护定值比较，判断是　否进行保护跳闸。保护跳闸时间基于标准和电容　器过电压的反时限曲线进行整定。过电压返回值　整定为０．９５倍过电压定值。　上述的算法是基于电压波形为标准正弦波的　情况下进行的，不适用于谐波条件下的畸变电压　波形。谐波条件下并联电容器过电压时，电压峰　值和有效值的计算和整定将在下面论述。　３谐波条件下过电压保护　３．１谐波条件下畸变电压算法　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，畸变的电压波形中电压峰值和电压　有效值没有对应的　倍关系，Ｕ　＞　、Ｕ　＜　和　＝√２　这三种情况都有可能出现。　舀　定义两个概念：等效有效值电压　＝　／　；等效峰值电压Ｕ　。＝　。在标准正弦电　压波形下有Ｕ＝Ｕ　和Ｕ　：Ｕ　。。在谐波条件下，　电压有效值和峰值还会出现下面两种情况。图２　所示，将实际电压波形（实线）和正弦波形（虚线）　比较可以发现Ｕ＞Ｕ　图３为Ｕ＜Ｕ　。的波形。　压　图２　Ｕ＞Ｕ　的电压波形　图３　Ｕ＜Ｕ　的电压波形　图２、图３中实线为畸变电压波形，三个参数　都是来表述畸变波形的。其中，实际峰值电压　是畸变波形的峰值，等效有效值电压Ｕ钾是按照　钾＝　／　计算得到，（标准正弦波形的计算方　法，是一种误算）；畸变波形的实际有效值电压　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年第１期　谐波条件下并联电容器过电压保护的一种实现方法　・１９・　＝，、ｌａ／ｌ　Ｊ￣。ＴＭ２ｄｔ，有时Ｕ　ｉ＞ｕ，有时Ｕｅｑ＜Ｕ。　由图２和图３可知，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　Ｊ，将一个周期中采样值的最大值作　为电压峰值。　Ｕ　＝Ｍａｘ［１　１］　（１）　式（１）中ｕ　为实际电压峰值，ｕ　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。根据电压有效值定义Ｕ＝　√寺』）ｕ　ｄｔ，对离散的采样电压序列值可由式（２）　来计算电压有效值。　ｕ＝√　Ｉｔ—　—■　　（２）　式中ｕ一电压有效值；　ｕ　一采样值；　Ｊ７、７一一个周期内的采样次数。　３．２谐波下的过电压保护　基于计算出的电压峰值和电压有效值，就可　以根据国家标准和ＩＥＥＥ标准规定的过电压保护　定值判断启动和计算跳闸时间。值得注意的是，　过电压保护启动定值和跳闸时间都是按照电压有　效值来进行的。谐波条件下过电压保护跳闸时间　及其选取的有效电压值按照下面原则选取：　（１）当Ｕ　＜１．２　Ｕ　时，用实际有效电压值　ｕ来判断保护是否启动及计算保护跳闸时间ｔ＝．厂　（Ｕ／Ｕ　）。这是基于峰值电压没有越限，无需考虑　峰值电压的影响。　）当Ｕ　＞１．２　Ｕ　时，要考虑峰值电压对　电容器的影响，分下面两种情况讨论：　Ａ．当Ｕ　＞Ｕ时，用等效电压有效值来计算　保护跳闸时间ｔ＝　Ｕ　／Ｕ　）。这是基于将电压波　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。如果按照实测有效电压来计算跳闸　时间就没有考虑峰值电压的影响，跳闸时间过长，　会造成电容器损坏。　Ｂ．当Ｕｅ。＜Ｕ时，用实际有效值来计算保护跳　闸时间ｔ＝－厂（　Ｕｎ）。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，等效的正弦电压峰　值比实测的峰值大。如果按照实测的电压峰值计　算出的等效电压　。来计算跳闸时间，就会造成跳　闸时间过长，电容器会在实际的有效电压下损坏。　图４为谐波条件下过电压保护算法流程图，　其中ｕ　为中间变量，Ｒｅｌａｙ为启动标志。　图４谐波条件下的过电压保护流程图　４结束语　并联电容器过电压保护启动电压和跳闸时间　是基于电压有效值的，但在谐波条件下由于电压有　效值和峰值没有对应关系，故需要分别对电压峰值　和有效值进行计算。本文给出了电压峰值和有效　值的算法，对于电压有效值也可以采用Ｆ丌、算　法　先计算出各次谐波分量，然后再计算出实际电　压有效值。为了满足国家标准要求，针对电压峰值　越限情况下过电压保护，需要考虑实际电压有效值　和等效电压有效值的选用。　（下转第２５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年第１期　箱式高压并联电容器电压差动继电保护的探讨　・２５・　设　Ⅳ＝１００Ｖ，ｙ＝１．１７，ｋ＝６％，当　＝　＝　０．５％时，　△　Ｉ　：　０．９１　（４）为了减少初始不平衡输出的影响，提高　保护的可靠性，电容器两差压段的较大电容与较　小电容的比值ａ应不大于１．Ｏ１，放电线圈准确度　以０．５级为好，其误差特性应尽量选配一致。　（Ｖ）　在设置继电保护值时，应考虑影响初始不平　衡电压的因素，参照文献［１］、［４］选取适当的灵　敏系数或可靠系数，并重视在现场投运时的复核　当然，上述最大值仅出现在上下两个放电线　圈误差正好分别是上、下限的极端状态，这种状态　可以通过放电线圈的选配来避免。　工作。　（３）初始不平衡电压的复核　（５）从计算实例来看，在一串内元件击穿数ｓ　对于所举实例，上述两种主要因素的综合影　＝２—３时设置继电保护动作电压是适宜的。　响，有可能造成放电线圈二次侧输出１Ｖ一２Ｖ的　初始不平衡差动电压。　参考文献：　影响初始不平衡电压的因素较多，计算时只　［１］杨昌兴，王敏．电容器装置不平衡保护灵敏　能作一估测，真实的数据应在电容器（组）投运时　度系数的取值．２００２年《电力电容器学术论文集》　进行实测，然后复核保护整定值是否满足规程的　［Ｃ］．西安：电力电容器研究所，２００２．　要求。　［２］盛国钊，倪学锋．高压并联电容器组不平衡保　８结语　护计算中遇到的新问题．《无功补偿装置）２００３年　（１）箱式高压并联电容器内部电气结构有其　第２期［Ｃ］．武汉：武汉高压研究所，２００３．　特殊性，在计算、设置和校核电压差动继电保护时　［３］梁琮．并联电容器组不平衡保护初始值的　应向制造方了解清楚。　估算［Ｊ］．电力电容器，２００２，（３）．　（２）３５ｋＶ级箱式电容器内部元件串联数较　［４］ＤＬ／Ｔ　５８４—１９９５（（３—１ｌＯｋＶ电网继电保护装　多，宜采用电压差动继电保护，其二次差动电压输　置运行整定规程》　出的计算公式为：　［５］日新电机（无锡）有限公司．《箱式高压并联电　△　＝而　（Ｖ）　容装置使用说明书》　（３）当元件在同一段同一串中击穿时，完好　作者简介：　元件的最大过电压出现在发生故障的串联支路中　杨一民（１９４８一），男，无锡人，教授级高级工程师，主要从　的剩余元件上。过电压倍数的计算式为：　事高压绝缘和电力电容器技术研究和开发工作。　一　一　［６（１一ｋ）（ⅣｌＭ—ｓＭ＋ｓ）一２ｓ　一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋　（上接第１９页）　参考文献：　［４］程佩青．数字信号处理教程［Ｍ］．清华大学出　版社，２００３．　Ｉ　１】ＩＥＥＥ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒ　Ｓｈｕｎｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ，　ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ　１８　一２００２．　作者简介：　Ｉ　２　Ｉ　ＩＥＥＥ　Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｈｕｎｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａ—　盛小伟（１９７４一），男，安徽宣城人，硕士研究生，研究方向　ｐａｃｉｔｏｒｓ．ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ　１０３６—１９９２．　为并联电容器微机继电保护。　［３］陈德树．计算机继电保护原理与技术［Ｍ］．中　黄梅（１９５９一），女，安徽阜阳人，教授，研究方向为电力　国电力出版社，２００３．　系统建摸仿真及控制，电力系统继电保护。