CN101814723A - 电容器谐波及超温保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种既能完成常规电容器保护功能又可以完成电容器组的谐波监视和保护功能、温度监视和保护功能的电容器谐波及超温保护装置，其包括：温度测量装置，用于吸附在电容器组的内壁或外壁，多点、实时测量电容器组的温度并将测得的温度信息以无线信号传送；谐波及过热保护器，用于对电容器组进行电流、电压采样，以实时计算电容器组是否处于谐波过电压状态；同时接收所述无线信号以判断所述电容器组的温度是否超限；当所述电容器组处于谐波过电压时，按电容器过电压的反时限曲线切断所述电容器组；或，当所述电容器组温度超限时，切断所述电容器组。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统中的电力电容器的保护装置，具体是一种电容器谐波及超温保护装置。
背景技术
目前电力部门在电容器投运之后都是采用红外测温设备巡视检查电容器的包封内部、引线接头发热情况，防止因电容器温度过高引发电网运行事故，但采用红外测温设备巡视检查无法实现在线运行温度的实时测量、工况预测，容易发生事故。
近年来，随着电力系统的发展和电力电子技术的广泛应用，用电负荷的结构发生了重大的变化。大量的非线性负荷如电弧炉、电气化铁路、晶闸管调压及变频调整装置的运行，成为电网中主要谐波源，向电力系统注入大量谐波电流，导致电网的电压波形畸变。谐波对电网中的各种电气设备的正常运行产生了不同程度的影响，其中对电容器的影响尤其严重。主要表现在以下几个方面：加大了电容器回路的电能损耗；电容器回路产生谐振；谐波电流放大；缩短电容器使用寿命。
运行经验证明，电容器组及串联电抗器受电网谐波危害的程度有快速上升的趋势，变电所的电容器组及串联电抗器着火事故频繁发生。目前电容器保护一股设置差压、差流、过电流保护及过压、欠压等保护，但这些保护均只测量电压和电流的基波，不反应谐波，没有谐波保护功能。如何实现谐波测量，并在谐波危害较严重时发出告警信号或跳开电容器开关，从而实现电容器谐波保护，以避免电容器组的损坏，防止事故蔓延或扩大，是本领域要解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实时测量电容器在线运行温度且适于谐波保护的电容器谐波及超温保护装置。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电容器谐波及超温保护装置，包括：温度测量装置，用于吸附在电容器组的内壁或外壁，以实时测量电容器组的温度并将测得的温度信息以无线信号传送；使用微功耗处理器定时自唤醒采集数字温度传感器测量点的温度数值，通过芯片天线实现装置与安装在低压侧数据接收装置的数据交换；微功耗处理器自动通过无线传输单元与其它同类装置进行时钟同步，实现温度数据的错时无线发送，避免装置数据通信冲突紊乱；数字温度传感器的输出端设有限幅器，用于将工频磁场、电晕干扰引起的温度信号振幅变化削平，限制在0V-1.8V，避免了高压工频磁场对温度采集精度的干扰、电晕对设备的损坏。
谐波及过热保护器，用于对电容器组进行电流、电压采样，以实时计算电容器组是否处于谐波过电流、过电压状态；同时接收所述无线信号以判断所述电容器组的温度是否超限；当所述电容器组处于谐波过电流或过电压时，按电容器过电压的反时限曲线切断所述电容器组；或，当所述电容器组温度超限时，切断所述电容器组；所述谐波及过热保护器包括：CPU、与CPU相连的无线信号接收单元；CPU通过无线信号接收单元测量来自所述温度测量装置的无线信号的频率，若测得的该无线信号的频率与所述无线信号的载波频率的误差大于5％，则判定测得的无线信号为受干扰的无效信号，不进行信号处理；若测得的该无线信号的频率与该无线信号的载波频率的误差不大于5％，则CPU将测得的无线信号送入一矢量方向信号检波器，矢量方向信号检波器的输出值与所述载波频率相乘并得到一乘积，然后采用一有源滤波器将所述乘积转换为卷积，以消除寄生频率分量；该有源滤波器输出的频率处于截止区以下的信号就是所述测得的该无线信号中的有效信号，然后将该有效信号通过一幅值斜率与频率呈线性关系的频率电压转换器，使该有效信号的频率变化信息转变成幅值变化信息，CPU对该幅值变化信息进行AD采样，以获取相应的用于表示所述电容器组的温度信息的数字信号，CPU根据该数字信号判断所述电容器组温度超限。
进一步，所述谐波及过热保护器还包括与CPU相连的电流电压采样单元，用于实时采样电容器组上的电压以获取一工频周期中的峰值电压Um；当所述峰值电压Um小于的所述电容器组上的无谐波时的电压Un的1.7倍时，利用所述电容器组上的实际有效电压U判断是否启动切断保护并根据所述反时限曲线确定切断时间；所述实际有效电压
式中：Ui为电压采样值，N为一个工频周期中的采用次数；当所述峰值电压Um不小于的所述电容器组上的无谐波时的电压Un的1.7倍，且等效电压Ue大于所述实际有效电压U时，根据等效电压Ue和所述反时限曲线确定切断时间；所述等效电压Ue＝2-0.5Um；当所述峰值电压Um不小于的所述电容器组上的无谐波时的电压Un的1.7倍，且等效电压Ue不大于所述实际有效电压U时，根据实际有效电压U和所述反时限曲线确定切断时间。
本发明具有积极的效果：(1)本发明的电容器谐波及超温保护装置使用时，谐波及过热保护器实时计算电容器组是否处于谐波过电流、过电压状态，同时接收所述无线信号以判断所述电容器组的温度是否超限；当所述电容器组处于谐波过电压时，按电容器过电压的反时限曲线规定的过电压持续时间切断所述电容器组；或，当所述电容器组温度超限时，切断所述电容器组。(2)本发明的温度测量装置可实现电容器温度的多点同步，实时采样，采用自设计无源硬件限幅器将工频磁场、电晕干扰引起的温度信号振幅变化削平，限制在0V-1.8V，避免了高压工频磁场对温度采集精度的干扰、电晕对设备的损坏；(3)本发明的谐波及过热保护器采用的无线信号处理方法，可保证在无线信号基本被湮没的情况下能进行正确解码，提高本发明的无线接收的灵敏度，保证强磁场环境中无线数据传输的可靠性和正确性。(4)微控制器由耐高温纽扣电池供电，为提高所述纽扣电池的使用时间，在无无线数据传输信号时，微控制器休眠并定时自唤醒，采集温度数值并与限值比较，采集的温度值低于限值则微控制器休眠；采集的温度值高于限定值，微控制器通过无线传输单元进行时钟同步并进行无线组网，确定无冲突后将报警信息及温度数值发送给谐波及过热保护器，谐波及过热保护器依据接收到的报警信息及温度数值判定是否开启风冷装置或进行报警通报值班人员进行现场勘察；有无线数据传输信号时，无线传输单元唤醒微控制器，并将收到的无线数据传输给微控制器，微控制器进行地址判别，若是本装置地址则执行命令并应答然后休眠，如不是本装置地址则不执行任何操作直接休眠。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为实施例中的温度测量装置的电路结构示意图；图2为实施例中的谐波及过热保护器的电路结构示意图；图3为实施例中的电容器过电压的反时限曲线。
具体实施方式
见图1-3，本实施例的一种电容器谐波及超温保护装置，包括：谐波及过热保护器和温度测量装置。
温度测量装置用于吸附在电容器组的内壁或外壁，以实时测量电容器组的温度并将测得的温度信息以无线信号传送。温度测量装置使用微功耗处理器定时自唤醒采集数字温度传感器测量点的温度数值，通过芯片天线实现装置与安装在低压侧数据接收装置的数据交换；微功耗处理器自动通过无线传输单元与其它同类装置进行时钟同步，实现温度数据的错时无线发送，避免装置数据通信冲突紊乱；自设计无源硬件限幅器将工频磁场、电晕干扰引起的温度信号振幅变化削平，限制在0V-1.8V，避免了高压工频磁场对温度采集精度的干扰、电晕对设备的损坏。
谐波及过热保护器用于对电容器组进行电流、电压采样，以实时计算电容器组是否处于谐波过电压状态；同时接收所述无线信号以判断所述电容器组的温度是否超限；当所述电容器组处于谐波过电压时，按电容器过电压的反时限曲线切断所述电容器组；或，当所述电容器组温度超限时(例如大于150℃时)，切断所述电容器组。
电容器过电压保护时的电压启动定值和保护跳闸时间是根据国家标准《高电压并联电容器》(GB3983.2-1989)中规定的，其中：当电容器过电压为2.2Un时，若该过电压持续0.12秒钟，就该切断该电容器；电容器过电压为2.0Un时，若该过电压持续0.30秒钟，就该切断该电容器；电容器过电压为1.7Un时，若该过电压持续1秒钟，就该切断该电容器；电容器过电压为1.4Un时，若该过电压持续15秒钟，就该切断该电容器；电容器过电压为1.3Un时，若该过电压持续60秒钟，就该切断该电容器；电容器过电压为1.25Un时，若该过电压持续30分钟，就该切断该电容器。图3中的所述反时限曲线是根据上述国家标准和IEEE标准中的规定而绘制出的。同时上述国家标准还规定：若电容器过电压在不高于1.10Un下长期运行，则包括所有谐波分量在内的电容峰值应不超过1.7Um。
所述谐波及过热保护器包括：CPU20、与CPU20相连的无线信号接收单元23、以及与CPU20相连的电流电压采样单元21，电流电压采样单元21用于实时采样电容器组上的电压以获取一工频周期中的峰值电压Um。
CPU20通过无线信号接收单元23测量来自所述温度测量装置的无线信号的频率，若测得的该无线信号的频率与所述无线信号的载波频率的误差大于5％，则判定测得的无线信号为受干扰的无效信号，不进行信号处理。
若测得的该无线信号的频率与该无线信号的载波频率的误差不大于5％，则CPU20将测得的无线信号送入一矢量方向信号检波器，矢量方向信号检波器的输出值与所述载波频率相乘并得到一乘积，然后采用一有源滤波器将所述乘积转换为卷积，以消除寄生频率分量；该有源滤波器输出的频率处于截止区以下的信号就是所述测得的该无线信号中的有效信号，然后将该有效信号通过一幅值斜率与频率呈线性关系的频率电压转换器，使该有效信号的频率变化信息转变成幅值变化信息，CPU20对该幅值变化信息进行AD采样，以获取相应的用于表示所述电容器组的温度信息的数字信号，CPU20根据该数字信号判断所述电容器组温度超限。此方法可保证在无线信号基本被湮没的情况下能进行正确解码，提高本发明的无线接收的灵敏度，保证强磁场环境中无线数据传输的可靠性和正确性。
电容器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。由于谐波存在以及电容器对某些次谐波的放大，造成电压波形的畸变，畸变的电压波形中电压峰值Um与实际有效电压U之间就不一定是2-0.5的比例关系，即：Um与2-0.5U不一定相等。因此，按照传统的算法即：Um＝2-0.5U来计算实际有效电压值作为过压保护的依据，将产生很大误差，从而无法实现对电容器组的有效保护。
对谐波条件下的畸变电压波形，需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(即电压峰值Um)和有效值(即实际有效电压U)。采样频率越高，实测的峰值就越准确。由于谐波条件下电压的峰值与有效值没有对应关系。因此，需要通过离散采样的电压序列计算有效值，即所述实际有效电压 式中：Ui为电压采样值，N为一个工频周期中的采用次数。
根据计算出的电压峰值Um和实际有效电压U，就可以根据所述反时限曲线确定切断时间。
当Um＜1.7Un的倍时，根据国家标准，此时的电压峰值Um没有超限，因此无需考虑电压峰值的影响，故而可利用所述电容器组上的实际有效电压U判断是否启动切断保护并根据所述反时限曲线确定切断时间。
当Um≥1.7Un，且Ue＞U时，根据等效电压Ue和所述反时限曲线确定切断时间；所述Ue为等效电压，Ue＝2-0.5Um。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组的耐压时间。若按照实测有效电压来计算切断(即跳闸)时间，即没有考虑峰值电压的影响，则跳闸时间过长，会造成电容器损坏。
当Um≥1.7Un，且Ue≤U时，根据实际有效电压U和所述反时限曲线确定切断时间T，即根据实际有效电压U与无谐波时的电压Un的比值和图3中的反时限曲线确定切断时间T。这是基于等效的正弦电压峰值比实测的峰值大。若按照实测的电压峰值计算出的等效电压Ue来计算跳闸时间，会造成跳闸时间过长，并造成电容器损坏。
对于所述实际有效电压U，也可以采用FFT算法先算出各次谐波分量，然后再计算出实际有效电压U。
所述温度测量装置包括：微控制器10、与微控制器10相连的无线信号发送单元11和数字温度传感器12；微控制器10将数字温度传感器12测得的温度信息通过无线信号发送单元11调制在所述载波上并发送。
所述谐波及过热保护器还包括：与CPU20相连的用于检测用于切断所述电容器组的断路器、隔离刀闸器的位置信息的开关量输入单元24、与CPU20相连的用于切断所述电容器组的断路器、隔离刀闸器的开关量输出单元25、与CPU20相连的用于实现远程监控的通讯接口22。
开关量输入单元24由光耦隔离及滤波电路构成，220V或110V强电开关量输入经光耦隔离输出的电信号送入CPU20。
CPU20包括：模数转换、微处理器模块、IO驱动、保护算法、定值事件管理、故障录波、人机界面、后台通信和USB HOST接口等功能。模件提供实时时钟和GPS对时输入接口，作为整个装置的时钟源。
所述模数转换模块采用二阶RC无源抗混叠低通滤波加16bit、6路同步采样A/D转换器构成模拟量采集系统。共提供15路交流采集通道。在交流采样通道路数允许情况下，第13-15通道作为复采通道。并设计有A/D芯片到CPU间数据通道的检错机制，防止因这部分数据通道故障导致的误判。
所述的微处理器模块，采用Freescale公司的PowerQuicc II系列的MPC8247，CPU频率最高达400MHz，低功耗(0.8W at 266MHz)。MPC8247采用双核结构：一个PowerPC603e核和一个单独的通信处理机模块(CPM)。内核(1.5V)和I/O(3.3V)分开供电。64位数据线和32位地址线的60xBUS支持64、32、16和8位的器件。
所述的保护算法，采用FFT快速傅立叶算法和积分算法，对电容器组的三相电压和电流通道进行各次谐波和有效值的准确计算。
所述的定值事件管理和故障录波模块，采用文件系统对大容量的FLASH存储器空间进行有效管理，对常规电容器保护功能和谐波保护功能动作事件和故障录波分区存储，分区之间不互相覆盖。所述的USB HOST接口模块，可以通过外接U盘完成装置程序升级和故障录波数据的自动导出。
显然，上述实施案例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种电容器谐波及超温保护装置，其特征在于包括：
温度测量装置，用于吸附在电容器组的内壁或外壁，以实时测量电容器组的温度并将测得的温度信息以无线信号传送；
谐波及过热保护器，用于对电容器组进行电流、电压采样，以实时计算电容器组是否处于谐波过电流或谐波过电压状态；同时接收所述无线信号以判断所述电容器组的温度是否超限；当所述电容器组处于谐波过电流或过电压时，切断所述电容器组；或，当所述电容器组温度超限时，告警并启动风冷，或切断所述电容器组；
所述谐波及过热保护器包括：CPU(20)、与CPU(20)相连的无线信号接收单元(23)；CPU(20)通过无线信号接收单元(23)测量来自所述温度测量装置的无线信号的频率，若测得的该无线信号的频率与所述无线信号的载波频率的误差大于5％，则判定测得的无线信号为受干扰的无效信号，不进行信号处理；若测得的该无线信号的频率与该无线信号的载波频率的误差不大于5％，则CPU(20)将测得的无线信号送入一矢量方向信号检波器，矢量方向信号检波器的输出值与所述载波频率相乘并得到一乘积，然后采用一有源滤波器将所述乘积转换为卷积，以消除寄生频率分量；该有源滤波器输出的频率处于截止区以下的信号就是所述测得的该无线信号中的有效信号，然后将该有效信号通过一幅值斜率与频率呈线性关系的频率电压转换器，使该有效信号的频率变化信息转变成幅值变化信息，CPU(20)对该幅值变化信息进行AD采样，以获取相应的用于表示所述电容器组的温度信息的数字信号，CPU(20)根据该数字信号判断所述电容器组温度是否超限。
2.根据权利要求1所述的电容器谐波及超温保护装置，其特征在于：所述谐波及过热保护器还包括与CPU(20)相连的电流电压采样单元(21)，用于实时采样电容器组上的电压以获取一工频周期中的峰值电压Um；
当所述峰值电压Um小于的所述电容器组上的无谐波时的电压Un的1.7倍时，利用所述电容器组上的实际有效电压U判断是否启动切断保护并根据所述反时限曲线确定切断时间；
所述实际有效电压
式中：Ui为电压采样值，N为一个工频周期中的采用次数；
当所述峰值电压Um不小于的所述电容器组上的无谐波时的电压Un的1.7倍，且等效电压Ue大于所述实际有效电压U时，根据等效电压Ue和所述反时限曲线确定切断时间；所述等效电压Ue＝2-0.5Um；当所述峰值电压Um不小于的所述电容器组上的无谐波时的电压Un的1.7倍，且等效电压Ue不大于所述实际有效电压U时，根据实际有效电压U和所述反时限曲线确定切断时间。
3.根据权利要求2所述的电容器谐波及超温保护装置，其特征在于：所述温度测量装置包括：微控制器(10)、与微控制器(10)相连的无线信号发送单元(11)和数字温度传感器(12)；微控制器(10)将数字温度传感器(12)测得的温度信息通过无线信号发送单元(11)调制在所述载波上并发送。
4.根据权利要求3所述的电容器谐波及超温保护装置，其特征在于：所述谐波及过热保护器还包括：与CPU(20)相连的用于监测所述电容器组的断路器、隔离刀闸的位置信息的开关量输入单元(24)。
5.根据权利要求4所述的电容器谐波及超温保护装置，其特征在于：所述谐波及过热保护器还包括：与CPU(20)相连的用于切断所述电容器组的断路器、隔离刀闸的开关量输出单元(25)。
6.根据权利要求3所述的电容器谐波及超温保护装置，其特征在于：所述数字温度传感器的输出端设有限幅器，用于将工频磁场、电晕干扰引起的温度信号振幅变化削平，并限制在0V-1.8V。
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