CN100392935C - 用于串联电容器安装的保护设备 - Google Patents

Abstract

要设置在对地隔离的平台上、用以连接到传送线电流(IL)的电力线(L)的串联电容器安装具有第一和第二电容器组(分别为C1和C2)。电容器组相互并联，并且非线性限压电阻器(Z)与电容器组并联，第一电容器组用于传送第一电容器电流(IC1)而第二电容器组用于传送第二电容器电流(IC2)。保护设备根据安装中检测到的电流和为其评估选择的标准，在出现异常操作情况时为安装启动保护措施。保护设备包括形成表示第一和第二电容器电流之差的第一测量值(IMD)的装置(分别为T1、T2、T3和9)，还包括根据所述第一测量值、在出现以下每种异常操作情况时为安装启动保护措施的装置(4、5、6)：第一和第二电容器电流之间的不平衡电流、通过所述限压电阻器的过电流(IZ)以及串联电容器安装中的短路故障。

Description

用于串联电容器安装的保护设备

技术领域

本发明涉及用于串联电容器安装的保护设备、用于检测串联电容器安装中异常操作情况的方法以及用于形成表示串联电容器安装中差异电流的测量值的电流测量装置。

串联电容器安装要放置在对地隔离的平台上，用以连接到传送线电流的电力线，它具有相互并联的第一和第二电容器组，非线性限压电阻器与这些电容器组并联，第一电容器组用于传送第一电容器电流，第二电容器组用于传送第二电容器电流。保护设备是用来根据安装中检测到的电流和为其评估选择的标准，在出现至少一种以下异常操作情况时为安装启动保护措施：第一和第二电容器电流之间的不平衡电流、通过限压电阻器的过电流以及串联电容器安装中的短路故障。

背景技术

串联电容器安装用来增加传输电力的电力线的传输能力和稳定此类电力线的操作，特别是在长高压传输线的情况中。对于一般超过145千伏的高系统电压，安装中包括的组件通常安排在对地电位隔离的平台上。

在IEEE Transactions on Power Delivery第4卷第2期、1989年4月、第1369-1376页：“EHV串联电容器组，平台到接地信号、继电保护和监控的新方法(EHV Series Capacitor Banks，a new approach toplatform to ground signaling，relay protection and supervision)”(MAdolfsson等人)中，描述了此类串联电容器安装的已知设计、特别是用于此类安装的保护设备。

保护设备包括许多继电保护装置，安装中检测到的电流测量值会提供到这些保护装置，而保护装置根据这些测量值和继电保护装置中为评估测量值选择和设置的标准，在这些测量值指明安装的异常操作情况时启动保护措施。继电保护装置设置在处于地电位的控制室中。

串联电容器的设计一般包括许多电容器单元。从引用文献中图3.1可以看到，电容器单元分成两个并联的电容器组，因此这些组中的每一组由多个电容器单元组成。

除此之外，安装包括与串联电容器并联的变阻器形式的非线性限压电阻器、旁通断路器和能够触发的火花放电器，后两个组件通过阻尼电感D与串联电容器并联。

电流互感器检测通过串联电容器一直流到与变阻器并联的点的电流，并且此电流的测量值会提供到反时类型的继电保护装置以防止串联电容器出现热过载。这种情况下，标准是继电保护装置的电流/反时特性。

另一电流互感器检测通过串联电容器安装流出到电力线的电流、即线电流，并且此电流的测量值会提供到继电保护装置，以检测流过电力线的电流中的亚同步振荡。此处的标准是在频率大大低于电力线的系统频率的线电流中存在振荡。

另一电流互感器以桥接方式连接在两个电容器组的串联部分之间，用以监视其操作模式。此电流互感器检测到的电流测量值会提供到继电保护装置，用以检测串联电容器中例如由电容器单元中内部熔断器的触发而引起的不平衡。这种情况下，标准是通过电流互感器的一定电平的电流，该电流通常与实际线电流相比，使得标准由这些电流之商构成。

安装中包括的组件放置在平台上的绝缘体上，因此，上述引用文件的图3.1中组件的上述并联的一侧、即右侧电连接到平台。例如，跨过绝缘体的闪络使电流流过此连接。电流互感器检测此电流，并且其测量值会提供到继电保护装置，以检测平台的闪络。此处的标准是选择的电流电平。

另一个电流互感器检测流过火花放电器的电流，并且其测量值会提供到继电保护装置，以检测通过火花放电器的任何剩余电流。这种情况下，标准是在所选时段保持的所选电流电平。

在所有上述情况下，各个继电保护装置通过为此生成指令信号，闭合旁通断路器作为保护措施。

另外的一个电流互感器检测流经变阻器的电流，并且此电流的测量值会提供到继电保护装置，用以形成对变阻器的过电流和热过载的组合保护。此处的标准是电流电平与计算得出的变阻器热度两者。作为保护措施，继电保护装置会启动火花放电器的触发以及闭合旁通断路器。

一些情况下，上述标准也包括选择的时延，并且视启动保护措施的继电保护装置而定，这些保护措施也包括诸如暂时或明确阻断旁通断路器、通过重新打开旁通断路器自动再次接通该安装等措施。但是，关于这些保护功能执行的进一步细节不在本专利申请范围之内。它们本身为本领域的技术人员所熟悉，并且也在本文引用的文章中有更详细的描述。

在同一文章中，也描述了适用于上述用途的所谓光学电流互感器。该电流互感器具有在连接棒周围的磁芯，该连接棒用来连接在要测量其电流的导体中。此外，电流互感器以熟知的方式包括具有负载的次级绕组和光电转换器，光电转换器将负载上产生的电压转换成与电压幅度对应的光信号。光信号通过连接于在电流互感器处的光电转换器和安排在地电位的光电转换器之间的光波导传送到地电位，安排在地电位的光电转换器将光信号转换成适合于相应继电保护装置的形状和电平。虽然在引用文件的图3.1中未显示，但用于各个电流互感器的光波导通常是经由所谓的平台链接传递到位于平台上的公用接线箱，所有光波导从此处经由所谓高压链接中的公用绝缘体传递到地电位(引用文件中的图2.1)。

因此，保护设备包括用于电流测量装置的大量测量点，并且对于这些测量点中的每一个点，除电流互感器本身外，需要将各个光波导传递到接线箱的平台链接。除材料成本外，每个电流测量装置和其相关平台链接也需要用于安装和试运行的成本。由此构成的事实是安装中的每个组件原则上会增加安装中产生故障的风险。

发明概述

本发明的目的是为串联电容器安装提供保护设备以及用于检测串联电容器安装中异常操作情况的方法，其中，减少了用于具有相关平台链接的电流测量装置的测量点数量。

本发明的另一目的是提供电流测量装置，用以形成表示串联电容器安装中第一和第二电容器组中电流之间差异的测量值。

根据本发明，这可通过说明书导言部分中所述类型的保护设备来实现，该设备包括用于形成表示第一与第二电容器电流之间差别的第一测量值的装置，并且其中根据第一测量值启动相应的保护措施。

在本发明的有利的进一步设计中，上述装置包括：第一电流测量装置，用以检测线电流并形成表示线电流的第二测量值；第二电流测量装置，用以检测第二电容器电流并形成表示第二电容器电流的第三测量值；以及计算单元，根据第二测量值与第三测量值的二倍之间的差别形成所述第一测量值。

在本发明的另一有利的进一步设计中，所述装置包括第三电流测量装置，用以检测第一和第二电容器电流，并根据第一与第二电容器电流之差形成第一测量值。

从下面的说明和权利要求书可明白本发明的其它有利的改进。

除其它之外，本发明实现以下优点：

用于电流测量装置的测量点数量减少到两个；

由于这些测量点可在物理上彼此相邻地安排，因而完全可避免平台链接；高压链接的光波导可直接连接到相应的电流测量装置。

附图简述

本发明将参照附图通过实施例说明来更详细地描述，附图均为示意图并且分别是单线图和框图的形式，其中：

图1表示根据本发明第一实施例、用于带有电流测量装置的串联电容器安装的主电路图；

图2A表示根据本发明第二实施例、用于带有电流测量装置的串联电容器安装的主电路图；

图2B表示用于计算测量值的计算单元，该测量值表示根据图2A的本发明实施例中的两个并联电容器组中的电流差别；以及

图3表示根据本发明、用于串联电容器安装的继电保护设备的实施例。

优选实施例的说明

以下说明涉及保护设备、用于检测串联电容器安装中异常操作情况的方法以及电流测量装置。

图1表示串联电容器安装，其中的串联电容器包括第一电容器组C1和第二电容器组C2。安排在对地电位隔离的平台PF(仅示意地表示)上的安装还包括变阻器形式的非线性限压电阻器Z、能够触发的火花放电器SG、旁通断路器CB以及阻尼电感DL。

各个电容器组、变阻器和阻尼电感上的端子之一连接到连接点J1并由此连接到电力线L。阻尼电感上的另一端子连接到火花放电器和旁通断路器上的一个端子。火花放电器上和旁通断路器上、变阻器上以及电容器组C2上的另一端子连接到连接点P2，而电容器组C1上的另一端子连接到连接点P1。连接点P2通过电连接而连接到所述平台。

火花放电器通过可控硅整流的触发装置以本身熟知的方式触发，该装置未在图中表示但是安排在平台上。火花放电器的触发通过安排在地电位的继电保护设备发来的触发命令SGo而启动，这在下面将更详细描述。旁通断路器根据继电保护设备产生的断路器命令信号CBo而闭合，并且相关的断路器位置以指示信号CBi的形式传送给该设备。触发命令SGo经地电位与平台之间的光波导传送，而用于旁通断路器的上述命令和指示信号通常经常规控制电缆在平台与地电平之间传送。

第一电容器电流IC1流经电容器组C1，第二电容器电流IC2流经电容器组C2，电流IZ流经变阻器，而电流ISG在火花放电器被触发时流经火花放电器。

在例如从连接点J1朝向平台的闪络中，电流IPF流经连接点P2与平台之间的所述连接。

根据本发明，形成表示第一与第二电容器电流之间差别的第一测量值IMD，由此根据第一测量值启动相应的保护措施。

根据本发明第一实施例，通过图1所示的电流测量装置T1形成第一测量值。电流测量装置包括具有次级绕组SW1的第一测量芯TC1、电阻器R1形式的负载以及上述类型的光电转换器TR1。第一连接棒BAR1从连接点P1经测量芯传递到连接点P0；第二连接棒BAR2从连接点P2经测量芯传递到连接点P0。如果无电流或可忽略不计的电流流经变阻器和火花放电器，则电容器电流IC1和IC2将因此经测量芯流到连接点P0，即电容器组C1和C2并联于连接点J1和连接点P0之间。如图所示，连接棒通过测量芯以这样的方向传递，使得电容器电流IC1和IC2经该芯以相互相反的方向传导。因此，测量芯中由电容器电流IC1产生的磁通抵消了测量芯中电容器电流IC2产生的磁通，并且次级绕组因此产生表示电容器电流之差的电压。此电压在转换器TR1中转换成对应于第一测量值的光信号IMD，光波导LG1上的测量值被传送并提供到继电保护设备。

电流测量装置T2包括具有次级绕组SW2的第二测量芯TC2、电阻器R2形式的负载以及上述类型的光电转换器TR2。第三连接棒BAR3从连接点P0经测量芯TC2传递到连接点P3，该连接点也连接到电力线，使得串联电容器安装以串联形式连接在电力线中。如果无电流或可忽略不计的电流流经变阻器和火花放电器，则电容器电流IC1和IC2，即这些情况下的线电流IL，将因此通过测量芯TC2流到连接点P3。次级绕组SW2因此产生表示电容器电流之和的电压。此电压在转换器TR2中转换成光信号IMS，对应于表示线电流的第二测量值IMS，光波导LG2上的测量值被传送并提供到继电保护设备。

图2A表示本发明的第二实施例，其中表示第一与第二电容器电流之间差别的第一测量值以下面所述的方式在位于地电位的继电保护设备中生成。在本发明的此实施例中，第一电容器组C1、第二电容器组C2以及非线性限压电阻器Z相互并联于连接点J1与连接点J2之间。

火花放电器SG和旁通断路器CB相互并联而且与阻尼电感DL串联，由此形成的串联电路又连接在连接点J1与J2之间。另一方面，这些组件与参照图1所述的组件是同一种类。在本发明的此实施例中，连接点J2经电连接而连接到平台。

电流测量装置T3包括具有次级绕组SW3的第三测量芯TC3、电阻器R3形式的负载以及上述类型的光电转换器TR3。

连接棒BAR4从电容器组C2经测量芯传递到连接点J2，使得第二电容器电流IC2流经测量芯。次级绕组SW3因此产生表示此电容器电流的电压，并且此电压在转换器TR3中转换成光信号MC2，对应于表示第二电容器电流IC2的第三测量值IMC2，光波导LG3上的测量值被传送到继电保护设备。

同样在本发明的此实施例中，保护设备包括与参照图1所述类型相同的电流测量装置T2。此实施例中的连接棒BAR3从连接点J2通过测量芯TC2传递到连接点P3。

图2B表示计算单元9，第二测量值IMS和第三测量值IMC2均提供到该单元。计算单元包括乘法单元91和差别形成单元92，乘法单元91用于将第三测量值乘以因子2，差值形成单元92用于形成第二测量值与第三测量值乘以2的结果之间的差值。由于差值形成单元92的输出信号由和电流(即IC1+IC2)与第二电容器电流值两倍(即2*IC2)之差的测量值构成，因此实现了此输出信号表示第一测量值IMD。

图3表示根据本发明、用于串联电容器安装的继电保护设备的实施例。如上所述，提供给继电保护设备的第一测量值IMD可根据参照图1所述的本发明实施例形成，或根据参照图2A和2B所述的本发明实施例形成。

继电保护设备以本身熟知的方式包括：反时类型的继电保护装置1，用于防止串联电容器热过载；继电保护装置2，用于检测流经电力线的电流中的亚同步振荡；继电保护装置3，用于监控线电流并阻断串联电容器安装重新接通；继电保护装置4，用于检测串联电容器中的不平衡；以及继电保护装置5，用于防止变阻器过电流和热过载。

除此之外，继电保护设备包括继电保护装置6，用以常规检测串联电容器安装中的短路故障，例如，经过火花放电器的任何剩余电流、朝向平台的闪络以及变阻器中的短路故障。在单一组合的继电保护装置中，检测下面概括指定的主电路故障中的三种上述异常情况是可行的，因为根据本发明形成的第一测量值提供了所有这些异常情况的指示。

根据检测到的异常情况，继电保护装置1-2和4-6中的每个装置通过生成断路器指令信号CBo，为安装启动保护措施。断路器指令信号提供给“或”电路7，该电路将信号转发到旁通断路器的操作装置(未在图1和图2A中表示)，而该装置根据指令信号闭合断路器。

指示信号CBi指出旁通断路器处于闭合位置(图1和图2A)，火花放电器的触发命令SGo和断路器指令信号CBo均提供给“或”电路8(图3)。断路器指令信号会在延时单元81中被延迟，延迟时间基本上与旁通断路器闭合的操作时间对应，一般为50ms的数量级。在出现旁通断路器不是由保护设备启动的受控闭合时或火花放电器的触发时，将“或”电路8的输出信号Bpblock加到继电保护装置4-6上，以阻断这类情况发生。

根据本发明，表示第一与第二电容器电流之差的第一测量值IMD提供给继电保护装置4以指示串联电容器中的不平衡。实际上，差电压测量值在提供给继电保护装置前，在低通滤波元件4F中进行了低通滤波。另外，表示线电流的第二测量值IMS通常提供给继电保护装置4，因此，第一与第二测量值之商可用于表示电容器单元的情况。

此外，根据本发明，第一测量值提供给继电保护装置5以指示变阻器中的过电流和热过载。从图1、图2A和图2B中可清楚看到，如果电容器电流IC1与IC2之差可忽略，则第一测量值构成流经变阻器的电流IZ的测量值。除断路器指令信号CBo外，此继电保护装置也形成了用于触发火花放电器的触发指令信号SGo。为避免经过火花放电器的放电电流影响继电保护装置，第一测量值在提供给继电保护装置前在低通滤波元件5F中进行了低通滤波。如果在第二测量值超出对应于变阻器开始传送电流时的电压的电平前，继电保护装置未启动，则这是有利的，并且因此第二测量值也提供给继电保护装置。这在图3中表示为将第二测量值IMS提供给继电保护装置5。象这样表示线电流的第二测量值也可用于确定异常操作情况下变阻器的损耗功率和工作温度。

此外，根据本发明，第一测量值提供给继电保护装置6以指示主电路故障。这些故障类型的特征是它们导致电容器组的放电电流通过故障点。在参照图1所述的实施例中，电容器组C2的放电电流不会通过任何电流测量装置，而电容器组C1的放电电流、即基本上为总放电电流的一半的电流将经过连接点P0，通过连接点P1与P2之间的测量芯TC1。这样，测量值IMD构成总放电电流的至少近似的测量值。

同样还实现，在参照图2A和图2B所述的实施例中，第一测量值构成总放电电流至少近似的测量值。

放电电流的频率成分取决于它是否流过阻尼电感DL。变阻器中的短路故障或者从连接点J1朝向平台的闪络会导致放电电流，该电流表现出具有一般为3-5kHz频率成分的无阻尼振荡，而火花放电器的触发会导致放电电流，该电流因此流过阻尼电感，它表现出具有一般为1kHz频率成分的阻尼振荡。为了获得这些故障的更安全检测，第一测量值在提供给继电保护装置之前要在高通滤波元件6F中进行高通滤波。除断路器指令信号CBo外，继电保护装置6还形成无时延输出信号MCFblock，以便在出现所示的主电路故障时阻断继电保护装置4-5。

本发明不限于所示实施例，而对于权利要求书定义的本发明，多种修改是可行的。因此，例如在参照图1所述的本发明实施例中，电流互感器T1和T2可设计成一个物理单元。当然，通过使用常规电流互感器，而其次级绕组连接到单独封装的光电转换器，或者使用常规完全绝缘的电流互感器，形成第一测量值也是可行的。参照图3A所述的计算单元可有利地构成继电保护装置的集成部分。

Claims (14)

1.用于串联电容器装置的保护设备，所述装置放置在对地隔离的平台上，以便连接到传送线电流(IL)的电力线(L)中，具有相互并联的第一和第二电容器组(分别为C1和C2)以及与所述电容器组并联的非线性限压电阻器(Z)，所述第一电容器组用于传送第一电容器电流(IC1)，而所述第二电容器组用于传送第二电容器电流(IC2)，所述保护设备用来根据所述串联电容器装置中检测到的电流和为其评估选择的标准，在出现异常操作情况时为该装置启动保护措施，

其特征在于，所述保护设备包括用于形成表示所述第一和第二电容器电流之间差异的第一测量值(IMD)的装置(分别为T1、T2、T3和9)；以及所述保护设备包括根据所述第一测量值、在以下每种异常操作情况时为所述串联电容器装置启动保护措施的装置(4、5、6)：所述第一和第二电容器电流之间的不平衡、通过所述限压电阻器的过电流(IZ)以及所述串联电容器装置中的短路故障。

2.如权利要求1所述的保护设备，其特征在于，所述形成第一测量值的装置包括：检测所述线电流并形成表示所述线电流(IL)的第二测量值(IMS)的第一电流测量装置(T2)；检测所述第二电容器电流并形成表示所述第二电容器电流的第三测量值(IMC2)的第二电流测量装置(T3)；以及根据所述第二测量值与所述第三测量值的两倍之差，形成所述第一测量值的计算单元(9)。

3.如权利要求1所述的保护设备，其特征在于，所述形成第一测量值的装置包括第三电流测量装置(T1)，用以检测所述第一和第二电容器电流并且根据所述第一和第二电容器电流之间的差异形成所述第一测量值。

4.如权利要求3所述的保护设备，其特征在于，所述第三电流测量装置包括磁芯，用于共同检测所述第一和所述第二电容器电流，由此所述电流以彼此相反的方向通过所述芯传导。

5.如权利要求3-4中任一项所述的保护设备，其特征在于，所述保护设备包括第一电流测量装置(T2)，用以形成表示所述线电流(IL)的第二测量值(IMS)。

6.如权利要求2或5所述的保护设备，其特征在于，在包含所述第一与第二电容器电流之间不平衡电流的异常操作情况下，根据所述第一测量值与所述第二测量值之商启动保护措施。

7.一种在出现异常操作情况时在串联电容器装置中启动保护措施的方法，所述串联电容器装置设置在对地隔离的平台上、并连接到传送线电流(IL)的电力线(L)上，所述装置具有相互并联的第一和第二电容器组(分别为C1和C2)以及与所述电容器组并联的非线性限压电阻器(Z)，所述第一电容器组用于传送第一电容器电流(IC1)，而所述第二电容器组用于传送第二电容器电流(IC2)，其中根据所述串联电容器装置中检测到的电流和为其评估选择的标准启动保护措施，其特征在于，

形成表示所述第一与第二电容器电流之间差异的第一测量值(IMD)；以及

根据所述第一测量值，在以下每种异常操作情况时为所述串联电容器装置启动保护措施：所述第一和第二电容器电流之间的不平衡电流、通过所述限压电阻器的过电流(IZ)以及所述串联电容器装置中的短路故障。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，形成表示所述线电流(IL)的第二测量值(IMS)，形成表示所述第二电容器电流的第三测量值(IMC2)，以及根据所述第二测量值与所述第三测量值的两倍之差，形成所述第一测量值。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以彼此相反的方向经过磁芯传导所述电流，形成所述第一测量值。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，形成表示所述线电流(IL)的第二测量值(IMS)。

11.如权利要求8或10所述的方法，其特征在于，至少在所述第一与第二电容器电流之间出现不平衡电流的异常操作情况下，根据所述第一测量值和所述第二测量值之商启动保护措施。

12.在串联电容器装置中的一种电流测量装置(T1)，所述串联电容器装置设置在对地隔离的平台上、用于连接到传送线电流(IL)的电力线(L)上，该装置具有相互并联的第一和第二电容器组(分别为C1和C2)，所述第一电容器组用于传送第一电容器电流(IC1)，而所述第二电容器组用于传送第二电容器电流(IC2)，该电流测量装置用于形成表示所述第一与第二电容器电流之间差异的第一测量值(IMD)，其特征在于，所述电流测量装置包括：第一端子(P1)，用于连接到所述第一电容器组；第二端子(P2)，用于连接到所述第二电容器组；第三端子(P3)，用于连接到所述电力线；连接点(P0)；所述第一端子与所述连接点之间的第一测量导体(BAR1)；所述第二端子与所述连接点之间的第二测量导体(BAR2)；所述第三端子与所述连接点之间的第三测量导体；以及环绕所述第一和第二测量导体的第一磁芯(TC1)，使得从所述第一端子流到所述连接点的电流和从所述第二端子流到所述连接点的电流在所述芯中形成方向彼此相反的磁通。

13.如权利要求12所述的电流测量装置，其特征在于，除此之外，该电流测量装置还包括环绕所述第三测量导体的第二磁芯(TC2)，用于形成表示所述线电流的第二测量值(IMS)。

14.如权利要求12所述的电流测量装置，其特征在于，该电流测量装置包括电光转换器(TR1)，用于将所述第一测量值转换成光信号以便经由光波导传输到地电位。

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