CN100353631C - 电力谐振保护装置 - Google Patents
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Abstract
一种电力谐振保护装置，它包括一电路，具有分析、判读及计数等功能，其采集经分压后的电容器上的电压计算电压有效值；该电路利用电压的基波与非基波成分推算电容总体电流有效值；若判读出过电压或过电流时，该电路将电感器/电容器组切离系统或改变阻抗特性，予以保护。本发明可判读出过电压/过电流现象，克服电力系统中电感器/电容器组产生的谐振现象而导致过电压/过电流，并采用切离系统或改变阻抗特性方式，避免谐振现象破坏电感器/电容器组本身，而达到保护的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力谐振保护装置(Resonant Protection kit，R-prokit)，特别涉及电力系统中电感器/电容器组产生的谐振现象(resonancephenomenon)，导致过电压/过电流，其可避免谐振现象破坏电感器/电容器组本身，因而达到保护该电感器/电容器组的装置。
背景技术
由于电力系统中大部份的负载均为感性负载，而该感性负载会吸收无功率造成落后功率因数，使得需以较大的电流才能传送相同预期的有功率，因而降低输配电系统的传输效率并增大负载端的电压调整机率。传统上为解决上述问题，电力公司或用户在输配电系统上加入电容器组或自动功率因数调整器以就近提供感性负载所需的无功。根据研究，在电力系统中普遍装设电力电容器的容量约占系统容量的25％至35％(有些系统甚至高达50％)。
近来电力电子元件、技术及设备被广泛地应用在配电系统中，如不断电系统(UPS)、换流器(Converter)、整流器(Rectifier)、变频器(Frequency converter)、反流器(Inverter)等，而这些电力电子相关设备输入特性均为非线性，且其输入功率因数皆不高。一般而言，电力传输及配电系统的设计均以电压及电流波形是恒定频率的正弦波的条件下运转。然而，当大量使用该类非线性工业电子设备时，该类设备将产生程度不一的谐波电流及无效电力。
谐波(harmonic)电流及无效电力注入供电系统时必造成电源污染，因而导致系统电压波形畸变，影响供电品质。在电力系统设备中，电感器经常串联于电容器上作为限流电抗或形成滤波器。然而，电感器及电容器却是受谐波影响或破坏最严重的电力设备。
以日本为例，在电力系统受谐波破坏事故烧毁的元件中电感器约65％、电容器约26％，两者合计约达91％，所以电感器与电容器受谐波破坏的问题相当严重。
在谐波破坏的问题上，电感器/电容器组损坏的原因为过电压产生绝缘破坏或过电流产生过热破坏。电感器/电容器组的电压/电流均选择在常态运作下的额定值，所以在正常运转下应不致产生过电压/过电流的破坏。但电感器/电容器组上最可能发生过电压/过电流的情况为该电感器/电容器组支路阻抗与系统阻抗产生谐振现象。当配电系统内含有接近谐振频率的谐波时，此谐波将被放大数倍至数十倍之多，以致于造成电感器/电容器组因过电压/过电流而被烧毁。
为了避免电感器/电容器组因过电压/过电流导致的破坏，业界在功率因数改善系统或无源式电力滤波器系统中，经常以提高电容器组的耐压等级来改善谐振现象破坏电感器/电容器组的问题。但是此法成本高且无法根本解决谐振现象的破坏。此外，提高电容器组的耐压等级相对提升该电容器的耐电流值，若未能同时提高电感器额定电流的情况下，一旦发生谐振现象时易导致电感器烧毁，实为电感器破坏率(约65％)高于电容器(约26％)的主要原因。因此，业界仍无法有效改善前述谐振现象破坏电感器/电容器组的问题。
依据IEC831及IEC871标准，电力电容器相关耐压/过电流规定：一、运转电压为额定电压均方根值的110％，其包括各种谐波电压成份(但不包含系统暂态)，仍需正常运转；二、为了配合系统暂态及不正常运转条件，电力电容器必需按IEC标准容许短时间过电压运转能力，如表1所示；三、运转电流若为额定电流均方根值的130％，其包含基本波电流及各种谐波电流，仍需正常运转。
表1为IEC电容器瞬间过电压容许时间
| 持续承受时间 | 最大允许额定电压均方根倍率 |
| 1分钟 | 1.30(130％) |
| 5分钟 | 1.20(120％) |
| 30分钟 | 1.15(115％) |
| 12小时 | 1.10(110％) |
利用上述标准的电容器耐压/过电流规定，在过电压超过元件(电感器/电容器组)所能承受时间前或过电流达130％以上前，若采用将元件切离或改变阻抗特性(impedance characteristic)方式予以适当保护，则可避免遭受过电压/过电流的破坏。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的提供一种电力谐振保护装置，其可判读出过电压/过电流现象，并采用切离系统或改变阻抗特性方式予以适当保护。
本发明的目的是这样实现的：一种电力谐振保护装置，其中一电路具有分析、判读及计数等功能，其采集经分压后电容器上的电压计算电压有效值；该电路利用电压的基波与非基波成分推算电容总体电流有效值；若判读出过电压或过电流时，该电路将电感器/电容器组切离系统或改变阻抗特性，予以保护。
该电路计算电容器上电压的均方根值(含谐波成分)，并经由电容阻抗转换成电流的均方根值(含谐波成分)。
其另包含一带通滤波器，电压经该带通滤波器后，可使微电脑单晶片取得非基波成分，该微电脑单晶片利用非基波分析后转换成非基波的电容电流，利用基波与非基波的电容电流推算电容总体电流有效值。包含至少一继电器，其驱动电磁开关，供微电脑单晶片依判读结果变化控制开启或关闭，若判读出过电压或过电流时，该微电脑单晶片利用继电器驱动电磁开关，将电容器切离系统或改变阻抗特性，予以保护。
该电路将电力电容器的电压以Y接分压电阻采集成低电压，并分成二路：第一路直接连接至微电脑单晶片计算电压有效值；第二路则经带通滤波器后取得非基波成分。该保护装置设计采用电容器的最低限制额定电压均方根值的110％及额定电流均方根值的130％为标准。
该保护装置应用在单一电容系统。
该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统。
该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统为直接切离系统方式。
该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统为电感短路方式。
该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统，若经电感产生短路后仍检测到过电压/过电流现象，即以切离保护该电容器及电感器串联电路。
该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统为改变电感值方式。
该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统，若经改变电感值后仍检测到过电压/过电流现象，即以切离保护该电容器及电感器串联电路。
该保护装置应用在自动功率因数调整系统。
该自动功率因数调整系统中电力电容器有串联电感器。
该保护装置应用在自动功率因数调整系统的电容器有串联电感器为系统直接跳脱方式，此法只要过电压/过电流一发生，该自动功率因数调整系统便立即失效。
该保护装置应用在自动功率因数调整系统的电容器有串联电感器为电感短路方式。
该保护装置应用在自动功率因数调整系统的电容器有串联电感器为电感短路方式，若经电感产生短路后仍检测到过电压/过电流现象，即从系统切离该电容器分路。
该保护装置应用在自动功率因数调整系统的电容器有串联电感器为改变电感值方式。
该保护装置应用在自动功率因数调整系统的电容器有串联电感器为改变电感值方式，若经改变电感值后仍检测到过电压/过电流现象，即从系统切离该电容器分路。
该自动功率因数调整系统中电力电容器无串联电感器，此法只要过电压/过电流一发生，该自动功率因数调整系统便立即失效。
本发明可判读出过电压/过电流现象，克服电力系统中电感器/电容器组产生的谐振现象而导致过电压/过电流，并采用切离系统或改变阻抗特性方式，避免谐振现象破坏电感器/电容器组本身，而达到保护的目的。
附图说明
图1为本发明电力谐振保护装置的方块图；
图2为本发明电力谐振保护装置的电路布局电路图；
图3为本发明电力谐振保护装置应用在单一电容器并联于系统的示意图；
图4至6为本发明电力谐振保护装置应用在电容器串联电感后并联于系统的示意图；
图7至9为本发明电力谐振保护装置应用在串联电感的自动功率因数调整系统的示意图；
图10为本发明电力谐振保护装置应用在未串联电感的自动功率因数调整系统的示意图。
附图标号说明：
1、保护装置10、微电脑单晶片11、带通滤波器12a、12b、继电器13、电磁开关14、电容器15、电磁开关16、电感器17、电磁开关
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地详细说明。
图1给出了本发明电力谐振保护装置1的方块图。该保护装置1将电力电容器的电压以Y接分压电阻采集成低电压，并分成二路：第一路直接连接至微电脑单晶片10(ADUC812)；第二路则经带通波波器11(B.P.F)后再连接至微电脑单晶片10。
请参照图1所示，本发明的电力谐振保护装置1主要包含一微电脑单晶片10(ADUC812)、一带通滤波器11(B.P.F)及至少一个以上的继电器12(Relay)，该微电脑单晶片具有分析、判读及计数等功能，其采集电容器上的电压计算电压有效值。电压经该带通滤波器11后，微电脑单晶片10取得非基波成分，该微电脑单晶片10利用非基波分析后转换成非基波的电容电流，取得基波与非基波的电容电流推算电容总体电流有效值。继电器12驱动电磁开关13，供微电脑单晶片10依判读结果变化控制开启或关闭，予以保护。
本发明的保护装置，其设计采用电容器的最低限制额定电压均方根值的110％及额定电流均方很值的130％为标准。至于电容器串联的电抗或无源式电力滤波器的电感器的电流承受裕度，目前法规中尚无进一步规范。
本发明的保护装置，其计算电容器上电压的均方根值(含谐波成分)，并经由电容阻抗转换成电流的均方根值(含谐波成分)。在判读规范上，依表1揭示的电容器过电压运转持续承受时间超过前或过电流达130％以上前，驱动电磁开关13切离该电容器或切换串联电抗器以改变阻抗特性。
切离时间的设计，则定于法规所订时间的级距间，以避免过度保护或保护失效。先参考表1，当过电压1.1倍时，法规所规定承受时间为12小时；而过电压1.15倍时，法定承受时间为30分钟。假如检测到过电压1.1倍时，本保护装置设定切离时间是在12小时与30分钟之间，以有效地保护电容器。同理，当过电压1.15倍时，设定切离时间是在30分钟与5分钟之间；当过电压1.2倍时，设定切离时间是在5分钟与1分钟之间；当过电压1.3倍时，设定切离时间是在1分钟与15秒，比法规承受时间还要提前，可确实保护电容器。当过电压情况开始产生，本保护装置内部会进行计时(累积能量)；若未达设定时间其过电压现象已消失，则会反向递减内部计时时间(消除能量)，以达实际运作效果。
图2揭示本发明的电力谐振保护装置的电路布局电路图。图2包含保护装置中各功能的布局。
在配电系统中电容器组的接线方式有两种：第一种为直接将电容器组并联于系统汇流排上；第二种为将电容器组串联一电抗器后再并联于系统汇流排上。电容器组在配电系统中的应用方式可分为单一电容系统及自动功率因数调整系统(Automatic Power Factor Regulator，APFR)，其说明如下。
单一电容系统
图3揭示本发明的电力谐振保护装置应用在单一电容器并联于系统的示意图。图3的实线为系统线路，而虚线为保护装置1及其配合系统的连接线路。
请参照图3所示，本发明的保护装置1于电容器14检测过电压/过电流现象，一旦检测到过电压/过电流现象即输出控制信号至继电器12驱动电磁开关13，切离该电容器14。
图4至6揭示本发明的电力谐振保护装置应用在电容器串联电感后并联于系统的示意图，其揭示保护装置1于电容器14及电感器16串联上的三种应用方式，分别为直接切离系统、电感短路及改变电感值等方式。图4至6的实线为系统线路，而虚线为保护装置1及其配合系统的连接线路。图5及6的保护装置1较图4的保护装置增加一电磁开关15(M.C.A)。
请参照图4所示，直接切离系统方式。保护装置1检测到过电压/过电流现象，即传送控制信号至继电器12驱动电磁开关13，以切离该电容器14及电感器16串联电路。
请参照图5所示，电感短路方式。保护装置1检测到过电压/过电流现象，即传送第一控制信号至第一继电器12a以驱动电磁开关15(M.c.A)，使电感器16产生短路以降低电容器14的端电压，并改变系统的谐振频率，以避免系统谐振造成电压/电流放大现象。若电感器16短路后仍检测到过电压/过电流现象，即传送第二控制信号至第二继电器12b驱动电磁开关13(M.C.)，以切离该电容器14及电感器16串联电路。
请参照图6所示，改变电感值方式。保护装置1检测到过电压/过电流现象，即传送第一控制信号至第一继电器12a驱动电磁开关15(M.c.A)，使电感器16改变分接头(改变电感值)以移动谐振频率，若经电感器16改变接点后仍检测到过电压/过电流现象，即传送第二控制信号至第二继电器12b驱动电磁开关13(M.c.)，以切离该电容器14及电感器16串联电路。
请参照图5及6所示，该保护装置1增加一组继电器15，使整个系统不致因谐振引发的过电压/过电流现象而失效，因此该保护装置1亦可应用于无源式电力滤波器上。
自动功率因数调整(APFR)系统目前常见的自动功率因数调整系统分为6段、10段及12段三种，其电力电容器因有、无串联电感器而分为两类：
A、串接电感型
自动功率因数调整系统中的电容器大多串联电感器以吸收部份谐波，并减少涌入电磁开关的电流。此架构上保护装置与APFR有三种接法，如图7至9所示。
图7至9揭示本发明的电力谐振保护装置应用在串联电感的自动功率因数调整系统的示意图，其揭示保护装置于串联电感的自动功率因数调整系统上的三种应用方式，分别为系统直接跳脱、电感短路及改变电感值等方式。其中图7至图9的实线为系统线路，而虚线为保护装置1及其配合系统的连接线路。图8及9的每一分路较图7的每一分路增加一电磁开关。
请参照图7所示，自动功率因数调整系统的每一段皆使用一保护装置为系统直接跳脱方式。只要任一保护装置1检测到过电压/过电流现象，立即输出信号使电磁开关17跳脱。此法只要过电压/过电流一发生，自动功率因数调整系统便立即失效。
请参照图8所示，自动功率因数调整系统的每一段皆使用一保护装置1为电感短路方式。保护装置1在每一电感器16加上一电磁开关15(M.C.A)，保护装置1检测到过电压/过电流现象，立即输出信号驱动电磁开关15(M.c.N.A)，使电感器16短路，移开系统谐振频率以避免造成电压/电流放大，并降低电容器14的端电压，且不致使自动功率因数调整系统失效。若经电感产生短路后仍检测到过电压/过电流现象，即传送第二控制信号以驱动电磁开关13，从系统切离该电容器分路。
请参照图9所示，自动功率因数调整系统的电感上有分接头时使用，改变电感值方式。保护装置1在每一电感器16加上一电磁开关15，保护装置1检测到过电压/过电流现象，立即输出信号驱动电磁开关15，使电感器16改变分接头(改变电感值)，移开系统谐振频率，若经改变电感值后仍检测到过电压/过电流现象，即传送第二控制信号以驱动电磁开关13，从系统切离该电容器分路。
B、无串联电感
图10揭示本发明的电力谐振保护装置应用在未串联电感的自动功率因数调整系统的示意图。
请参照图10所示，自动功率因数调整系统未串联电感器，仅需使用一保护装置1，该保护装置1检测整个电容汇流排电压，检测到过电压/过电流现象，立即输出信号驱动电磁开关17跳脱。此法只要过电压/过电流一发生，自动功率因数调整系统便立即失效。
本发明的保护装置所具有的主要功能有：
(1)过电压保护
本发明的保护装置在过电压保护上，根据IEC标准的规范所设计，其自动判读过电压(含谐波成分)的倍率、时间计数及驱动电磁开关切离电容器(请参照表1所示)本发明的保护装置动作时间规范，如表2所示。
| 额定电压倍率 | 1.1 | 1.15 | 1.2 | 1.3 |
| IEC规定时间 | 12小时 | 30分钟 | 5分钟 | 1分钟 |
| 设定时间 | 1小时 | 15分钟 | 3分钟 | 30秒 |
表2：保护装置的动作时间规范
(2)过电流保护
本发明的保护装置在过电流保护上，根据IEC标准的规范所设计，以过电流130％为基准。本发明的保护装置动作时间规范，如表3所示。
表3：保护装置的动作时间规范
| 额定电流倍率 | 1.3 | 2.0 |
| 设定时间 | 30秒 | 立即 |
(3)偏频效应
本发明的保护装置主要设计在60Hz(或50Hz)额定频率下运作。正负3Hz区间的偏频下运作时，虽然保护装置启动保护动作的缓冲时间有所增减，但仍能稳定完成切换电磁开关以保护电容器组。
(4)电感过温保护
在自动功率因数调整系统或无源式电力滤波器中，电感器经常因过温而被烧毁，因此本发明的保护装置亦可附加一过温检知功能。一旦发生过温情形，则立即切离，以避免产生破坏。
上述是本发明较佳实施例，其并非用以限定本发明，任何熟习此技术的普通工作人员在不脱离本发明的精神及范围内，当可作各种的更动与修改，因此本发明的保护范围当以权利要求为准。
Claims (21)
1、一种电力谐振保护装置，其特征在于：它包括一电路，具有分析、判读及计数等功能，其采集经分压后的电容器上的电压计算电压有效值；该电路利用电压的基波与非基波成分推算电容总体电流有效值；若判读出过电压或过电流时，该电路将电感器/电容器组切离系统或改变阻抗特性，予以保护。
2、如权利要求1所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该电路计算电容器上电压的均方根值，该均方根值含谐波成分，并经由电容阻抗转换成电流的均方根值。
3、如权利要求1所述的电力谐振保护装置，其特征在于：它还包含一带通滤波器，电压经该带通滤波器后，可使微电脑单晶片取得非基波成分，该微电脑单晶片利用非基波分析后转换成非基波的电容电流，利用基波与非基波的电容电流推算电容总体电流有效值。
4、如权利要求1所述的电力谐振保护装置，其特征在于：它还包含至少一继电器，其驱动电磁开关，供微电脑单晶片依判读结果变化控制开启或关闭，若判读出过电压或过电流时，该微电脑单晶片利用继电器驱动电磁开关，将电容器切离系统或改变阻抗特性，予以保护。
5、如权利要求1所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该电路将电力电容器的电压以Y接分压电阻采集成低电压，并分成二路：第一路直接连接至微电脑单晶片计算电压有效值；第二路则经带通滤波器后取得非基波成分。
6、如权利要求1所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置设计采用电容器的最低限制额定电压均方根值的110％及额定电流均方根值的130％为标准。
7、如权利要求1所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在单一电容系统。
8、如权利要求1所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统。
9、如权利要求8所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统为直接切离系统方式。
10、如权利要求8所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统为电感短路方式。
11、如权利要求10所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统，若经电感产生短路后仍检测到过电压/过电流现象，立即切离并保护该电容器及电感器串联电路。
12、如权利要求8所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统为改变电感值方式。
13、如权利要求12所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在电容器串联电感后并联于汇流排的系统，若经改变电感值后仍检测到过电压/过电流现象，立即切离并保护该电容器及电感器串联电路。
14、如权利要求1所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在自动功率因数调整系统。
15、如权利要求14所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该自动功率因数调整系统的电力电容器串联电感器。
16、如权利要求15所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在自动功率因数调整系统，所述自动功率因数调整系统的电容器串联电感器，所述保护装置采用系统直接跳脱方式，所述方式只要过电压/过电流一旦发生，该自动功率因数调整系统便立即失效。
17、如权利要求15所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在自动功率因数调整系统，所述自动功率因数调整系统的电容器串联电感器，所述保护装置采用电感短路方式。
18、如权利要求17所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在自动功率因数调整系统，所述自动功率因数调整系统的电容器串联电感器，所述保护装置采用电感短路方式，若经电感产生短路后仍检测到过电压/过电流现象，即从系统切离该电容器分路。
19、如权利要求15所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在自动功率因数调整系统，所述自动功率因数调整系统的电容器串联电感器，所述保护装置采用改变电感值方式。
20、如权利要求19所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该保护装置应用在自动功率因数调整系统，所述自动功率因数调整系统的电容器串联电感器，所述保护装置采用改变电感值方式，若经改变电感值后仍检测到过电压/过电流现象，即从系统切离该电容器分路。
21、如权利要求14所述的电力谐振保护装置，其特征在于：该自动功率因数调整系统的电力电容器无串联电感器，所述方式只要过电压/过电流一旦发生，该自动功率因数调整系统便立即失效。
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| CN1438746A (zh) | 2003-08-27 |
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Legal Events
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