CN100583586C - 高压串联补偿电容器组不平衡保护方法和装置 - Google Patents

Abstract

高压串联补偿电容器组不平衡保护装置，与高压输电线路的继电保护有关，解决已有保护装置功能少，灵敏度低的问题。包括A/D转换模块，分别将电容器组电流互感器D和不平衡电流互感器E产生的电流转化为数字量，数据判断计算模块，将电容器组电流Ic、不平衡电流ΔI、电容器组A的门槛电流I_mk、原有H臂容抗的容抗变化率K_x，可靠系数K_k计算故障电容器单元的数量，存贮模块，存贮门槛电流I_mk，容抗变化率K_x，可靠系数K_k，发生故障的次数和计算结果，保护输出模块，根据数据判断计算模块的判断结果报警或跳闸保护。

Description

高压串联补偿电容器组不平衡保护方法和装置

技术领域：

本发明与高压输电线路的继电保护装置和方法有关，尤其与输电电路中的串联电容补偿装置的保护和保护方法有关。

背景技术：

目前，500kV交流输电系统是我国实现大容量远距离电力传输的主要手段之一。采用输电线路串联电容补偿技术，可以有效缩短输电线首末端间的电气距离，因此，输电线路串联电容补偿技术是提高500kV交流输电线输电能力的有效手段。

在高压电力线路中采用串联补偿装置对电力网络进行串联补偿。补偿方式为单相补偿，每相为一个电容器组。该电容器组由多个电容器经串并联组成(图1)。

每个电容器又由多个电容器单元串并联组成。现有高压串联电容器多采用内熔丝技术，内部多个电容器经内熔丝串并联(如图2)。

采用内熔丝技术有效保证了在电容器故障后，故障电流使内熔丝熔断，使故障电容单元退出运行，而不影响其它的电容器单元；发生故障的电容器容量只损失1.5％-3％。串联补偿装置由上百个电容器组成，因此单个电容器单元故障后不用退出运行，但需待检修时更换。

为发现串联补偿装置中发生内部电容器单元故障，都采用了不平衡电流保护。其原理接线如图3。

电容器组呈H型接线。接在“桥差”回路的不平衡电流互感器用于测量电容器组不平衡电流。为保证不平衡电流保护不误动作，一般将不平衡电流保护设计成带有动作门槛的比例制动特性。其比例特性为电容器组不平衡电流和电容器组负荷电流的比值。当电容器组不平衡电流和电容器组负荷电流的比值大于定值时报警或保护延时动作。

现有高压串联电容器组不平衡保护方法存在如下缺点：

1)保护灵敏度低，在不平衡保护定值中不平衡电流比例系数定值较大，其保护方法无法反映单个电容器故障。一般要多个电容器单元(3个以上)故障，并且故障的电容器单元故障后都必须要向增加不平衡电流方向发展的情况下才会报警，否则不平衡电流不能准确反映电容器的故障程度。

2)现有保护方法无法反映相继电容器对称型故障。

如在电容器组H1臂上某个电容器中有一个电容器单元故障后(如图3)，会产生一定的不平衡电流Δi₁，由于不平衡电流很小还不足以引起保护报警或动作；如果经过一段时间对称电容器组H3臂上也有一个电容器单元故障。由于对于H臂为对称型故障(如图4)，其不平衡电流反而会减小；不平衡保护不会动作。

因此对于相继发生电容器单元对称型故障，不平衡电流保护是无法反映的。

由于高压串联补偿电容器一般一年才检查一次，如果此间电容器组发生多次对称型故障，多个对称型电容器单元故障，而不平衡电流仍然很小，原有保护无法判断；运行人员无法判断是否有电容器单元故障。这对于串联电容器组的安全运行来讲是极为不利的。

发明内容：

本发明目的是提供一种结构简单，故障分辨能力强，对各种故障都能准确判断，可估算电容器组的电容器单元故障数量的高压串联补偿电容器组不平衡保护方法和装置。

本发明是这样实现的：

本发明高压串联补偿电容器组不平衡保护方法，电容器组A采用对称H型接线，电容器对称的接在H臂的4个臂H₁、H₂、H₃、H₄上，每个H臂由M*N个单只电容器B串并联组成，N个电容器并联成一个小组，有M个小组串联在一起组成一个H臂，每单只电容器B内部又由K*L个电容器单元C串并联组成，L个电容器单元并联成一个单元小组，有K个单元小组串联在一起，流过整个电容器组的一次侧导线上安装有电流互感器D，在H型的桥接线上装有不平衡电流互感器E，判断电容器组中发生电容器单元故障以及估算电容器单元故障数目X的方法包括如下步骤：

(1)计算一个H臂上发生一个电容器单元故障后的容抗变化率K_x并存储，

$K_x=\frac{(X_C^{\′}-X_C)}{X_C},$

Xc为故障前一个H臂电容的容抗，

X′_C为该H臂上发生一个电容器单元故障后后的容抗，

(2)将电流互感器D和不平衡电流互感器E的二次电流分别经A/D模块采样转换为数字量，

(3)数据判断计算模块将数字量经全波富氏算法分别得到工频50Hz的电容器组电流I_c和不平衡电流ΔI，比较I_c与电容器组A的负荷电流门槛I_mk，当I_c＞I_mk，则计算不平衡电流系数Δi并存储， $\mathrm{\Δ}{i}_n=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_n}{{\mathrm{Ic}}_n},$ 否则，再次进入步骤(2)后再作下一次判断，ΔI_n为第n次计算的不平衡电流，Ic_n为第n次计算的电容器组电流，

(4)数据判断计算模块计算不平衡电流系数的变化量Δi_bh，

Δi_bh＝Δi_n-Δi_n-k

Δi_n为电容器组A第n次计算的不平衡电流系数，

Δi_n-k为电容器组A第n-k次计算的不平衡电流系数，

K为1-10中的任一整数，n为已计算不平衡电流系数Δi的次数，

判断是否|Δi_bh|≥0.25K_xK_k，K_k为可靠系数，1.2≥K_k≥0.8，

如果是，则判定发生故障，故障记录m增加1并进入下步骤，否则将n加1进入步骤(1)判断，

(5)估算H臂发生故障的电容器单元的个数X，

$X\≈\frac{4*\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{bh}}\right|}{K_x{K}_k}$

i为已记录的H臂发生故障的次数。

高压串联补偿电容器组不平衡保护装置，包括如下模块：

A/D转换模块，分别将电容器组电流互感器D和不平衡电流互感器E产生的电流转化为数字量，

数据判断计算模块，将数字量经全波富氏算法得到工频电流为50Hz的电容器组电流I_c和不平衡电流ΔI，根据存贮器存贮的电容器组A的门槛电流I_mk、电容器组电流I_c和不平衡电流ΔI、原有H臂容抗的容抗变化率K_x，可靠系数K_k计算并判断电容器组A是否发生电容器单元故障以及发生故障电容器单元的数量，

存贮模块，存贮门槛电流I_mk，容抗变化率K_x，可靠系数K_k，发生故障的次数和计算结果，

保护输出模块，根据数据判断计算模块的判断结果报警或跳闸保护。

本发明首次采用带负荷电流门槛的带记忆特性的不平衡电流的负荷电流比例系数变化量来判断电容器组故障。具有如下特点：

1.提高对串联补偿电容器单元故障的分辨能力，能检测出单个及多个电容器单元故障，其灵敏度高于传统串联补偿电容器组不平衡电流保护。

2.不再根据不平衡电流大小判断元件故障，在相继发生电容器单元对称型故障时也能准确判断；

3.在不同时发生电容器组对称性故障情况下，可以估算电容器单元故障的数量。

4.不用改变传统不平衡保护的接线，判据简单。

附图说明：

图1为一个电容器组结构图。

图2为一个电容器结构图。

图3为不平衡电流保护接线原理图。

图4为电容器对称单元故障原理图。

图5为电容器单元故障原理图。

图6为本发明方法流程图。

图7为本发明的结构框图。

具体实施方式：

本发明由A/D转换模块，数据判断计算模块，存贮模块，保护输出单元构成。

对于高压串联补偿电容器组的最小故障为电容器单元故障。由于在少量电容器单元故障后，装置仍然可以运行，因此串联补偿装置不平衡保护首先表现为在低变化量下为报警。由于电阻和电感对于电容器容抗而言非常小，因此在稳态运行主要考虑电容阻抗。以每个电容器单元额定容抗为x计算，每单个电容器B由K*L个(K串、L并)电容器单元C串并联组成(如图2)；每个电容器B的容抗X为

电容器组A采用对称H型接线，每个电容器组A由M*N个电容器B串并联组成(M串，N并，如图1))。

电容器组每个H臂容抗X_C为

发生一个电容器单元故障退出运行，则故障电容器容抗变为 $X^{\′}=x*\frac{(K-1)}{L}+\frac{x}{L-1}.$ 带有故障电容器的H臂容抗变为

${X_C}^{\′}=\frac{X^{\′}*X}{X^{\′}(N-1)+X}+\frac{X*(M-1)}{N}.$

当一个H臂上发生一个电容器单元故障后的容抗变化率Kx为

$K_x=\frac{({X_C}^{\′}-X_C)}{X_C}$

通过串并联计算可知，一个H臂上一共有K*L*M*N个电容器单元，电容器每损失n个电容器单元时，在n较小时考虑到电容器组运行特性，阻抗的增加与原有H臂阻抗的变化率K_x基本成线性关系。因此每个H臂上电容器单元故障n个，故障H臂上容抗增加约为K_x*Xc*n。这个结果在实际工程中是可以接受的。

考虑到在实际系统H臂上电容器组中各电容器不可能完全一致，存在很小的偏差。一般现在生产厂家单个电容器误差能做到±5％以内，但实际产品(包括每个电容器单元)误差会更小，同时在电容器组合上考虑了电容器正负误差的配合关系，因此电容器组不平衡电流ΔI很小。在实际系统中，根据对四川已投用的串联补偿电容器正常运行时的录波图分析，在电容器组流过单位负荷电流时不平衡电流系数|ΔI|为0～0.00015。

考虑到实际电容器组每个H臂上的容抗存在一定的差异，以及实际高压串联补偿电容的特性，其在稳态下电阻和电感的影响可忽略不及，同时由于电容器组为H型对称分布。为简化阐述，可以先只讨论H1臂上发生一个电容器单元故障的情况，分析对电容器单元故障后对电容器组不平衡电流的影响。

如图5，当H1臂故障后，以流过单位负荷电流时不平衡电流Δi计算：

$\mathrm{\Δ}{i}_1=\frac{X_2}{X_2+X_1}-\frac{X_3}{X_3+X_4},$

$\mathrm{\Δ}{i}_2=\frac{X_2}{X_2+{X_1}^{\′}}-\frac{X_3}{X_3+X_4},$

X₁′＝(1+Δx)X₁

X₁′为H1臂发生电容器单元故障后H1臂的容抗；

Δx为发生一个电容器单元故障后容抗变化量。

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{bh}\min }=\mathrm{\Δ}{i}_2-\mathrm{\Δ}{i}_1=\frac{X_2}{X_2+{X_1}^{\′}}-\frac{X_2}{X_2+X_1}$

$=\frac{X_2}{X_2+(1+\mathrm{\Δx})X_1}-\frac{X_2}{X_2+X_1}$

Δi_bhmin：最小不平衡电流变化量。

考虑到Δx对于X₁，X₂非常小。X₁，X₂基本一样。上式可得

$\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{bh}\min }\≈\frac{X_1{X}_2\mathrm{\Δx}}{{(X_2+X_1)}^2}\≈0.25\mathrm{\Δx}$

由此可见，对于一个H臂上发生n个电容单元故障，则

$\mathrm{\Δi}=n*\frac{X_1{X}_2\mathrm{\Δx}}{{(X_2+X_1)}^2}=K_{\mathrm{bph}}*n.$

其中 $K_{\mathrm{bph}}=\frac{X_1{X}_2\mathrm{\Δx}}{{(X_2+X_1)}^2}\≈0.25\mathrm{\Δx}.$

K_bph为最小不平衡电流变化系数。

由此可见当在一个H臂上发生电容器单元故障时，电容器不平衡电流电流和故障电容器单元个数呈比例变化。

同理根据H分布对称性

当H2臂n个电容器单元故障时，Δi＝-K_bph*n。

当H3臂上n个电容器单元故障时，Δi＝K_bph*n。

当H4臂上n个电容器单元故障时，Δi＝-K_bph*n。

对发生电容器单元故障的分析及实现方案：

串补电容器组电流，串补电容器不平衡电流经电流互感器将一次侧电流变为二次电流，输入A/D模块后进行A/D转化为数字量。数字量到程序计算模块经全波富氏算法得到串补电容器组工频电流Ic和串补电容器不平衡工频电流ΔI。本方案采用每个周波(20ms)平均采样12个点进行计算。

i(k)，Δi(k)为一个周波内的第k个采样值，则每个周波计算一次Ic和ΔI。

$\mathrm{\ΔI}=\sqrt{{\left(\frac{\underset{k=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δi}\left(k\right)\cos \left(\frac{\mathrm{k\π}}{6}\right)}{6}\right)}^2+{\left(\frac{\underset{k=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δi}\left(k\right)\cos \left(\frac{\mathrm{k\π}}{6}\right)}{6}\right)}^2},$

$\mathrm{Ic}=\sqrt{{\left(\frac{\underset{k=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\cos \left(\frac{\mathrm{k\π}}{6}\right)}{6}\right)}^2+{\left(\frac{\underset{k=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\cos \left(\frac{\mathrm{k\π}}{6}\right)}{6}\right)}^2}.$

电容器组负荷电流很小的情况下，串补电容器组电流互感器和不平衡电流互感器不能很好地反映到二次侧，因此设定串补一次负荷电流门槛I_mk；在此门槛以上的电流电流互感器能较好反映串补电容器组一次电流。这在传统保护中也是经常使用的一个参数。因此可以直接采用传统保护的这个参数。如果Ic大于低负荷电流门槛I_mk，则判Ic为有效；否则继续计算I_c。每个周波(20ms)计算一次不平衡电流系数Δi＝ΔI/I_c，并将计算数据的次数及结果Δi_n存入存储器。Δi_n为保护计算第n次的不平衡电流系数ΔI。计算Δi_bh＝Δi一Δi_m-k，根据采样计算频率，n-k实际为一个时间的间隔，这个时间间隔是以躲过振荡电流时间来设定时间间隔，这个根据具体的系统而不同。一般传统不平衡保护的高不平衡电流保护的延时时间都要考虑躲过振荡电流时间，可以直接采用传统串补电容组不平衡保护的延时时间，因此该时间不在本文阐述。判断是否大于最小不平衡电流比例变化量0.25K_xK_k。如大于则判为有电容器单元故障，通过保护输出单元发出报警信号。保护输出单元可以为实际报警跳闸继电器，在成套串补装置保护中可以为一个报警跳闸信号，再经成套保护报警跳闸出口。记录该次故障的变化量绝对值，累计超过最小不平衡电流比例变化量所有的|Δi_bh|的和，估算电容器单元损害的总数量M。如果超过串补电容器组允许损坏的数量M_xz时，则通过保护输出单元发出保护跳闸信息。M_xz为电容器组允许损坏的电容器单元数，这个根据不同生产厂家产品，厂家会提出此参数。该保护跳闸时间可以与传统不平衡保护的跳闸时间一致，一般分高不平衡跳闸延时，反映较多单元故障；低不平衡跳闸延时，反映较少单元故障。

在实际保护设置中，首先根据整个串联补偿电容器组电容器参数计算在一个H臂(容抗为Xc)发生一个电容器单元故障后(容抗变为Xc’)，对于原有H臂阻抗的变化率K_x。

$K_x=\frac{({X_C}^{\′}-X_C)}{X_C}$

保护装置通过电流互感器对每相串联补偿电容器组电流和串补电容器组不平衡电流采样得到电容器组电流和电容器不平衡电流经A/D转换后得到数字量，经过工频数字滤波器后经得到工频电容器组电流电流I_c和工频电容器不平衡电流ΔI。

当I_c大于电容器组负荷电流门槛I_mk时；计算电容器不平衡电流系数，一个工频周期至少计算一次：

$\mathrm{\Δ}{i}_n=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_n}{{\mathrm{Ic}}_n}$

当Δi改变时，计算电容器不平衡电流系数变化量

Δi_bh＝Δi_n-Δi_n-k

Δi_n：电容器单元第n次计算的不平衡电流系数

Δi_n-k：电容器单元第n-k次计算的不平衡电流系数。

当|Δi_bh|≥0.25K_xKK_k时判断发生电容器单元故障，保护报警。

K_k：可靠系数。1.1≥K_k≥0.9。

当|Δi_bh|≥0.25K_xK_k时认为发生了电容器单元故障，并记录一次|Δi_bh|。每个周期估算电容器单元故障个数

$X\≈\frac{4*\underset{I=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{bh}}\right|}{K_x{K}_k}$

m为记录的电容器历史m次故障，

x为估算的电容器单元故障数量。

当x大于电容器组允许故障的数量M_x时，根据X的大小选择保护延时跳闸时间。

Claims (2)

1、高压串联补偿电容器组不平衡保护方法，其特征在于电容器组(A)采用对称H型接线，电容器对称的接在H臂的4个臂(H₁、H₂、H₃、H₄)上，每个H臂由M*N个单只电容器(B)串并联组成，N个电容器并联成一个小组，有M个小组串联在一起组成一个H臂，每单只电容器(B)内部又由K*L个电容器单元(C)串并联组成，L个电容器单元并联成一个单元小组，有K个单元小组串联在一起，流过整个电容器组的一次侧导线上安装有电流互感器(D)，在H型的桥接线上装有不平衡电流互感器(E)，判断电容器组中发生电容器单元故障以及估算电容器单元故障数目X的方法包括如下步骤：

(1)计算一个H臂上发生一个电容器单元故障后的容抗变化率K_x并存储，

$K_x=\left(\frac{X_C^{\′}-X_C}{X_C}\right),$

Xc为故障前一个H臂电容的容抗，

X′c为该H臂上发生一个电容器单元故障后的容抗，

(2)将电流互感器(D)和不平衡电流互感器(E)的二次电流分别经A/D模块采样转换为数字量，

(3)数据判断计算模块将数字量经全波富氏算法分别得到工频50Hz的电容器组电流I_c和不平衡电流ΔI，比较电容器组电流I_c与电容器组(A)的负荷电流门槛I_mk，当I_c＞I_mk，则计算不平衡电流系数Δi并存储， ${\mathrm{\Δi}}_n=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_n}{{\mathrm{Ic}}_n},$ 否则，再次进入步骤(2)后再作下一次判断，Δi_n为电容器组(A)第n次计算的不平衡电流系数，ΔIn为第n次计算的不平衡电流，Ic_n为第n次计算的电容器组电流，

(4)数据判断计算模块计算不平衡电流系数的变化量Δi_bh，

Δi_bh＝Δi_n-Δi_n-k，

Δi_n-k为电容器组(A)第n-k次计算的不平衡电流系数，

K为1-10中的任一整数，n为已计算不平衡电流系数Δi的次数，

判断是否|Δi_bh|≥0.25K_xK_k，K_k为可靠系数，1.2≥K_k≥0.8，

如果是，则判定发生故障，故障记录m增加1并进入步骤(5)，否则将n加1进入步骤(1)判断，

(5)估算H臂发生故障的电容器单元的个数X，

$X\≈\frac{4*\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{bh}}\right|}{K_x{K}_k}$

i为已记录的H臂发生故障的次数。

2、高压串联补偿电容器组不平衡保护装置，包括如下模块：

A/D转换模块，分别将电容器组电流互感器(D)和不平衡电流互感器(E)产生的电流转化为数字量，

数据判断计算模块，将数字量经全波富氏算法得到工频电流为50Hz的电容器组电流I_c和不平衡电流ΔI，根据存贮器存贮的电容器组(A)的门槛电流I_mk、电容器组电流I_c和不平衡电流ΔI、原有H臂容抗的容抗变化率K_x，可靠系数K_k计算并判断电容器组(A)是否发生电容器单元故障以及发生故障电容器单元的数量，

存贮模块，存贮门槛电流I_mk，容抗变化率K_x，可靠系数K_k，发生故障的次数和计算结果，

保护输出模块，根据数据判断计算模块的判断结果报警或跳闸保护。

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