CN102130443B

CN102130443B - 一种电力电容器的动态自适应保护装置及控制方法

Info

Publication number: CN102130443B
Application number: CN201110052952.4A
Authority: CN
Inventors: 林在荣; 刘学宝
Original assignee: SHENYANG DINGSHENG ZHONGBEI ELECTROMECHANICAL EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: Shenyang Dingsheng Zhongbei Electromechanical Equipment Co., Ltd.
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: CN102130443A

Abstract

本发明涉及一种电力电容器的动态自适应保护装置及控制方法，由三个电流互感器和三个电压互感器接到多路选择器，多路选择器接到嵌入式微型计算机A/D转换器，嵌入式微型计算机输出三根控制线接到多路选择器；由参数设置键接到嵌入式微型计算机，嵌入式微型计算机通过控制继电器接到控制投切开关K1-K3，嵌入式微型计算机输出控制信号控制投切开关，实现对电力电容器保护，嵌入式微型计算机接到显示装置和接入具有无限次存储功能的铁电存储器，不仅保护电力电容器，也显著延长电力电容器的使用寿命。

Description

一种电力电容器的动态自适应保护装置及控制方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化控制技术领域，特别涉及一种电力电容器的动态自适应保护装置及控制方法。

背景技术

按照我国“电力法”的规定，为了减少供电线路的损耗，提高发供电设备的利用率，凡每月用电量在100千瓦以上的企事业单位，都要实行功率因数的力率考核。应对这种情况，并联电容器组装置是使用最为广泛的电力设备。统计表明，在工业场合由于并联电容器组的接入引起谐波电流增大，烧毁电容柜设备的现象经常发生。电容器一旦产生谐波电流放大，其后果通常是相当严重的，不仅会烧毁电容器本身，严重时，还会使接触器，馈电开关，甚至变压器都被烧毁，从而造成严重的电力事故。

大家知道，由于电力电容器通常是长期工作在一个极其容易发生谐波电压冲击和谐波电流放大的工作环境中，加上电力电容本身的物理特性决定了它们在投入和切除过程中，经常受到浪涌电流和过电压的冲击，造成电力电容器的电容量、绝缘和损耗角等参数发生变化。当电力电容器在经过了一个阶段使用之后本身的参数发生变化，或者因为工作现场的负载等工况发生变化，都会重新造成谐波电流放大的情况，容易形成事故，造成设备的损失。

针对可能发生的上述情况，传统的处理方法通常有下面二种：(1)采用金属拉伸而不是铆接的方法来制作电力电容器的壳体以增加强度和密封性，当电力电容因为某些原因造成电流增大而导致损坏时，依靠气体膨胀的力量使电力电容的引线挣断，显然，这种物理处理方法仅仅是一种防御措施；(2)在低压电力电容器的接线端，安装一个与电力电容器额定电流相匹配的微型空气开关，当电力电容器的实际工作电流超过其额定电流某个数值时，微型空气开关自动切断电源，达到保护电力电容器不受到损坏的目的。实践证明，由于各种因素的影响，采用这种方法仍然避免不了电力电容器遭受损坏，而且，一旦电力电容器不投入电网，无功补偿也就失去了意义。

所以上述的以物理方式来保护电力电容器本身及周边设备的方法仍然存在着难以保护电力电容器，不能有效延长电力电容器使用寿命的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在而提出一种对于电力电容器实行电子式动态自适应保护，不仅可以保护电力电容器，也可以显著延长电力电容器的使用寿命的电力电容器的动态自适应保护装置及控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种电力电容器的动态自适应保护装置，包括实时测量并监控被保护电容器的三相工作电压和三相工作电流的嵌入式微型计算机MCU，其特征在于：

由三个电流互感器CT和三个电压互感器PT接入到多路选择器的输入端，多路选择器的输出端接入到嵌入式微型计算机MCU内部的A/D转换器的输入端，将取得的六个输入模拟电流信号和电压信号通过路选择器选择其中之一送入嵌入式微型计算机MCU内部的A/D转换器转换为数字信号；

嵌入式微型计算机MCU的输出三根控制线接入到多路选择器的控制端；由外部控制信号KZ输入的控制端接入到嵌入式微型计算机的输入端，以决定当前控制指令是要求投入还是切除电力电容；由参数设置键接入到嵌入式微型计算机的输入端，将被保护电力电容的原始参数输入到嵌入式微型计算机中或通过参数设置键改变当前的显示三相电压值、三相电流值或者保护阀值；

嵌入式微型计算机MCU的输出端通过控制继电器接入到控制投切开关K1-K3，嵌入式微型计算机通过对于相关数据的采集、分析和判断之后，输出控制信号通过控制继电器隔离后控制投切开关K1-K3，实现对电力电容器C1-C3的保护；

嵌入式微型计算机的另一输出端接入到显示装置；

嵌入式微型计算机的输出输入端接入具有无限次存储功能的铁电存储器。

所述的“由三个电流互感器CT和三个电压互感器PT接入到多路选择器的输入端以及多路选择器的输出端接入到嵌入式微型计算机内部的A/D转换器的输入端”，组成了对于电压和电流模拟量输入信号检测部分，具体电路连接关系如下：

(1)三相电压检测的连接关系如下：由三个电阻R4、R2和R3组成Y型电阻分压器取得电压信号UA，电压信号UA接电阻R4的一端，电阻R4的另外一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电阻R3的一端和集成电路US2B的第5脚，电阻R3的另一端接地，集成电路US2B的第6脚接集成电路US2B的第7脚和集成电路U5的第14脚；

同理另外两个电压信号UB和UC的连接关系与以上相同，分别由电阻R5、R6和R7组成Y型电阻分压器，电压信号UB接电阻R5的一端，电阻R5通过电阻R6连接集成电路US5B的第5脚，电阻R7的一端接电阻R6另一端接地，集成电路US5B的第6脚接集成电路US5B的第7脚和集成电路U5的第15脚；分别由电阻R8、R9和R10组成Y型电阻分压器，电压信号UC接电阻R8的一端，电阻R8通过电阻R9连接集成电路US5A的第3脚，电阻R10的一端接电阻R9另一端接地，集成电路US5A的第2脚接集成电路US5A的第1脚和集成电路U5的第12脚；

(2)三相电流检测的连接关系如下：电流互感器LA的一端接电阻RCTA的一端和电阻RE1的一端，电阻RE1的另一端接电阻RE6的一端和集成电路U14C的第10脚，电流互感器LA的另一端和电阻RCTA的另一端以及电阻RE6的另一端接地，集成电路U14C的第9脚接集成电路U14C的第8脚和集成电路U5的第5脚，同理两个电流互感器LB和LC的连接关系与以上相同，集成电路U14A的第1脚和集成电路U14B的第7脚分别接集成电路U5的第2脚和第4脚；

集成电路U5的第1脚、第6脚和第13脚接地；集成电路U5的第3脚接集成电路U14D的第12脚，集成电路U14D的第13脚接集成电路U14D的第14脚，同时接嵌入式微型计算机MCU内部的A/D转换器输入端；嵌入式微型计算机MCU的输出端A、B、C分别接集成电路U5的第11脚、第10脚和第9脚，其目的是选择6个信号之一，经由另外一个射极跟随器U14D送入嵌入式微型计算机MCU的A/D转换器的输入端口。

所述的电力电容器的动态自适应保护装置主体控制部分电路连接关系为：

控制信号KZ的一端接电阻R1的一端，电阻R1另一端接光耦合电路U1的二极管正极，光耦合电路U1的二极管负极接控制信号KZ的另一端，光耦合电路U1的三极管集电极接+5V，光耦合电路U1的三极管发射极接电阻RE5和电阻RS4的一端，电阻RS4的另外一端和电容C1的一端接地，电阻RE5的另一端接电容C1的一端和嵌入式微型计算机MCU的RA4端，嵌入式微型计算机的VDD端、电容C33、C8和电阻RD9的一端接+5V，电容C33、C8和电阻RD9的另一端接地和接嵌入式微型计算机的MCLR端；

按键SET和按键UP的一端接+5V，按键SET和按键UP的另一端分别接电阻RS1和RS2的一端和嵌入式微型计算机MCU的RB0和RB1端，电阻RS1和RS2的另外一端和嵌入式微型计算机MCU的VSS端接地；

嵌入式微型计算机MCU的RB5端接电阻RE5的一端，电阻RE5的另外一端接三极管B9的基极，三极管B9的发射极接地，三极管B9的集电极接二极管DU1和继电器J1一端，二极管DU1和继电器J1另外一端接+12V，继电器J1的两个触头控制投切开关K1-K3的通断；

嵌入式微型计算机MCU的RB2和RB3端口接电阻RD2和RD4的一端以及铁电存储器的集成电路U3的SCL和SDA脚，电阻RD2、RD4和集成电路U3的VCC脚接+5V，集成电路U3的NC、A0、A1、A2和GND脚接地。

一种所述的电力电容器的动态自适应保护装置的控制方法，其特征在于：嵌入式微型计算机在上电初始化后，首先调出存储于铁电存储器FRAM中的保护阀值数据，然后，查看有没有投切指令，如果没有，则切除电力电容；如果有，则检测电压看当前是否过电压并且超时，有过电压且超时则切除电力电容器；没有过电压且超时则投入电力电容，同时检测三相电压和三相电流，经过前面叙述的软件滤波过程之后，检查是否需要调整保护阀值；如果需要调整，新的保护阀值存入FRAM存储器；之后，先进行欠流判断的环节；如果欠流立即切除电力电容器；再进行过流判断的环节；如果过流而且超时则切除电力电容器；然后返回到有无投切指令的判断环节，如此循环。

所述的保护阀值是这样确定的：通过基本的电工学公式，计算出当前被保护电容器的衰老程度，进而确定该电容器的当前保护阀值；

计算电容器衰老程度的方法是：

1)按照以下公式计算出电容器的当前电容量Qc：

Q_{c} = [\frac{\sqrt{3} \cdot U_{n} \cdot U_{n}}{1000}] \cdot \frac{I_{s}}{U_{s}} \cdot \cdot \cdot (1)

式中：Qc-电容器的当前电容量，单位：千乏，Un-电容器的额定电压，单位：伏特，Is-电容器的采样电流值，单位：安培，Us-电容器的采样电压值，单位：伏特；

2)按照以下公式计算出电容器的衰老程度￡：

式中：￡-电容器的衰老程度，范围：0-1，Qc-电容器的当前电容量，单位：千乏，Qn-电容器的额定电容量，单位：千乏，

将电容器的衰老程度￡乘以电容器的额定过电压，额定过电流和额定欠电流的阀值，就是该电容器当前调整后的保护阀值。

本发明具有如下积极效果：

1、本发明之所以强调“动态自适应”的保护技术，是因为当前在行业中使用的电力电容器都是“自愈式电容器”。当它们在恶劣的工作环境下发生局部短路时，会自行愈合。但是，一旦电力电容器发生过自行愈合之后，它的电容量，绝缘等参数就发生了很大的变化，其对于过电压和过电流的承受能力就要大打折扣。在这种情况下，如果对于一个电力电容器的保护阀值不随之作相应的调整，那么，对于电力电容器的保护作用也就形同虚设。与上述的以物理方式来保护电力电容器的方法相比较，前者属于“后保护”-已经发生了故障之后，保护其周边设备不致使损失扩大；而本发明的保护是“预保护”-将事故的隐患消灭于萌芽之中。

2、本发明提出了一种对于电力电容器实行智能化动态自适应保护装置和方法，它是以嵌入式微型计算机为核心，辅之以相应的外围硬件，在应用软件的配合下，对电力电容器实行全面的保护。所谓“自适应”保护技术，不是简单地设置一下被保护电力电容过电压和过电流的阀值，而是可以针对任何一个被保护的电力电容器，在其运行过程中，将依据被保护电力电容器实际的生命周期中的衰老程度，自动地调整它的保护阀值。从而，实现了智能化的自适应保护技术。

3、本发明通过一个嵌入式微型计算机，实时地测量并监控被保护电容器的三相工作电压和三相工作电流，通过基本的电工学公式，计算出当前被保护电容器的衰老程度，进而确定该电容器的当前保护阀值；该保护阀值包括了过电压的阀值，过电流的阀值和欠电流的阀值三个部分；对于过电压和过电流状况，还加入了软件延时功能，以防止瞬间过电压和过电流的干扰。当发生过电压或者过电流的异常情况并持续到超过延时时间时，微型计算机发出退出指令，断开工作电源，使被保护电容器退出工作；当过电压或者过电流的状况不再存在时，被保护电容器可以再次投入工作。当发生欠电流的异常情况时，说明该被保护电容器已经损坏，微型计算机立刻发出退出指令，使被保护电容器立即退出工作系统，并且，永远不再投入工作。因此本发明不仅可以保护电力电容器，也可以显著延长电力电容器的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的装置的结构示意图。

图2是本发明的控制方法的流程图。

图3是本发明的装置的模拟量输入信号检测部分的电气原理图。

图4是本发明装置的主体控制部分的电气原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种电力电容器的动态自适应保护控制装置，包括实时测量并监控被保护电容器的三相工作电压和三相工作电流的嵌入式微型计算机MCU3，其特征在于：

由三个电流互感器CT和三个电压互感器PT接入到多路选择器1的输入端，多路选择器1的输出端接入到嵌入式微型计算机MCU 3内部的A/D转换器2的输入端，将取得的六个输入模拟电流信号和电压信号通过路选择器1选择其中之一送入嵌入式微型计算机MCU 3内部的A/D转换器2转换为数字信号；

嵌入式微型计算机MCU 3的输出三根控制线接入到多路选择器1的控制端；由外部控制信号KZ输入的控制端接入到嵌入式微型计算机的输入端，以决定当前控制指令是要求投入还是切除电力电容；由参数设置键7接入到嵌入式微型计算机的输入端，将被保护电力电容的原始参数输入到嵌入式微型计算机中或通过参数设置键7改变当前的显示三相电压值、三相电流值或者保护阀值；

嵌入式微型计算机MCU 3的输出端通过控制继电器5接入到控制投切开关K1-K3，嵌入式微型计算机通过对于相关数据的采集、分析和判断之后，输出控制信号通过控制继电器5隔离后控制投切开关K1-K3，实现对电力电容器C1-C3的保护；

嵌入式微型计算机的另一输出端接入到显示装置4；

嵌入式微型计算机的输出输入端接入具有无限次存储功能的铁电存储器6。

本发明装置的硬件结构原理框图如图1所示，它们实际上是一个含有微计算机(MCU)的检测和控制系统。其中三相电流取样部分(CT)，三相电压取样部分(PT)，多路选择器和A/D转换器部分组成了对于电压和电流输入信号的检测系统，微计算机(MCU)通过对于相关数据的采集，分析和判断之后，输出控制信号通过继电器隔离后控制投切开关(K1～K3)，以实现对于电力电容器(C1～C3)的保护作用。此外为了配合完成这些工作，在系统的硬件部分，还增加了对于被保护的电力电容器的原始参数的设置(人机对话)部分和实时监测采集参数(如电压和电流)的显示部分。由于需要频繁地检测和调整相关的参数并且能够做到断电保持，仅仅依靠微计算机内部有限次的存储器(EEPROM)是无法完成的，因此，本系统还配备了具有无限次存储功能的铁电存储器(FRAM)。在正常情况下，本发明装置根据外部控制信号线指令(KZ)的有无来控制电力电容器(C1～C3)的投入和切除。

参见图1，本发明装置的输入部分有三个方面：第一方面是由方框1组成的三相电压和三相电流的检测部分，这6个输入模拟信号按照分时原理，通过多路选择器，选择其中之一送入微计算机芯片内部的A/D转换器2，转换为数字信号；第二方面是由外部控制信号KZ输入的控制指令，决定当前是要求投入还是切除电力电容；第三方面是由方框7组成的参数设置键，可以将被保护电力电容的原始参数输入到微计算机中，也可以通过设置键改变当前的的显示值(譬如显示三相电压值，三相电流值或者保护阀值)。本发明装置的输出部分有二个方面：第一是由方框5组成的控制继电器来控制投切开关(K1～K3)；第二是显示部分4，它也是人机对话的互动组成部分。最后，如前所述，本系统还配备了具有无限次存储功能的铁电存储器(又称为FRAM)6。

如图3所示，这是硬件系统模拟量输入信号检测部分的电气原理图。它们分为三相电压和三相电流两个部分共6个信号。其中电压信号由三组电阻(每组三个电阻串联)组成Y型电阻分压器，分别送入由三个集成电路组成的射极跟随器，以提高输入阻抗，同样，电流信号由三个电流互感器(LA，LB，LC)取样，也分别送入由三个集成电路组成的射极跟随器，这6个信号送入由多路选择器U5，经过来自微计算机的三个控制信号(A，B，C)的译码，选择6个信号之一，经由另外一个射极跟随器U14D送入微计算机的A/D转换器的输入端口。

所述的“由三个电流互感器CT和三个电压互感器PT接入到多路选择器1的输入端以及多路选择器1的输出端接入到嵌入式微型计算机内部的A/D转换器2的输入端”，组成了对于电压和电流模拟量输入信号检测部分，具体电路连接关系如下：

集成电路U5的第1脚、第6脚和第13脚接地；集成电路U5的第3脚接集成电路U14D的第12脚，集成电路U14D的第13脚接集成电路U14D的第14脚，同时接嵌入式微型计算机MCU(3)内部的A/D转换器(2)输入端；嵌入式微型计算机MCU(3)的输出端A、B、C分别接集成电路U5的第11脚、第10脚和第9脚，其目的是选择6个信号之一，经由另外一个射极跟随器U14D送入嵌入式微型计算机MCU(3)的A/D转换器的输入端口。

如图4所示，包含有微计算机(MCU)芯片U2；由按键SET和按键UP及电阻RS1、RS2组成的人机对话部分；由电阻R1、光电隔离器U1、电阻RE3、RS4和电容组成的控制输入部分；还有由电阻RE5、三极管B9、二极管DU1和继电器J1组成的输出控制部分；最后是由集成电路U3和电阻RD2、RD4组成的铁电存储器(FRAM)部分。所述的电力电容器的动态自适应保护装置主体控制部分的电路连接关系如下：

控制信号KZ的一端接电阻R1的一端，电阻R1另一端接光耦合电路U1的二极管正极，光耦合电路U1的二极管负极接控制信号KZ的另一端，光耦合电路U1的三极管集电极接+5V，光耦合电路U1的三极管发射极接电阻RE5和电阻RS4的一端，电阻RS4的另外一端和电容C1的一端接地，电阻RE5的另一端接电容C1的一端和嵌入式微型计算机MCU(3)的RA4端，嵌入式微型计算机的VDD端、电容C33、C8和电阻RD9的一端接+5V，电容C33、C8和电阻RD9的另一端接地和接嵌入式微型计算机的MCLR端；

嵌入式微型计算机MCU的RB5端接电阻RE5的一端，电阻RE5的另外一端接三极管B9的基极，三极管B9的发射极接地，三极管B9的集电极接二极管DU1和继电器J1一端，二极管DU1和继电器J1另外一端接+12V，继电器J1的两个触头控制投切开关(K1-K3)的通断；

嵌入式微型计算机MCU的RB2和RB3端口接电阻RD2和RD4的一端以及铁电存储器(6)的集成电路U3的SCL和SDA脚，电阻RD2、RD4和集成电路U3的VCC脚接+5V，集成电路U3的NC、A0、A1、A2和GND脚接地。

如图2所示，一种所述的电力电容器的动态自适应保护装置的控制方法，其特征在于：嵌入式微型计算机在上电初始化后，首先调出存储于铁电存储器FRAM中的保护阀值数据，然后，查看有没有投切指令(KZ＝1？)，如果没有，则切除电力电容；如果有，则检测电压看当前是否过电压并且超时，有过电压且超时则切除电力电容器；没有过电压且超时则投入电力电容，同时检测三相电压和三相电流，经过前面叙述的软件滤波过程之后，检查是否需要调整保护阀值；如果需要调整，新的保护阀值存入FRAM存储器；之后，先进行欠流判断的环节；如果欠流立即切除电力电容器；再进行过流判断的环节；如果过流而且超时则切除电力电容器；然后返回到有无投切指令的判断环节，如此循环。

计算电容器衰老程度的方法是：

1)按照以下公式计算出电容器的当前电容量Qc：

Q_{c} = [\frac{\sqrt{3} \cdot U_{n} \cdot U_{n}}{1000}] \cdot \frac{I_{s}}{U_{s}} \cdot \cdot \cdot (1)

2)按照以下公式计算出电容器的衰老程度￡：

本发明过电压的保护阀值为电容器额定电压的的1.2倍；过电压的延时时间为240秒。过电流的保护阀值为当前电容器的实际电流的1.3倍；过电流的延时时间为30秒。欠电流的保护阀值为当前电容器的实际电流的0.7倍。

必须指出：在出现三相负载电流不平衡的情况时，这表示电力电容已经衰老或者已经发生过自愈过程，这时应该取电流最小的那一相的计算数值为基准。要注意的是：电容器衰老程度的计算数值是在采集10次的样本数值，剔除了其中最高和最低两组样本数值之后，取8次样本数值的平均值作为基准。这样可以排除随机误差，提高测试准确度，这是一个软件滤波的过程。

对于低压电力电容器的保护：图3和图4提供了一个包含微计算机在内(除了显示器部分之外)的比较完整的硬件结构电气原理图，它们可以组成对于低压电力电容器的保护装置。

对于高压电力电容器的保护：本发明在以上的技术说明实施例中，尽管仅仅谈及了对低压(400V～600V)电力电容器的保护方法，事实上，同样的工作原理，还可以应用在对高压(10000V～35000V)电力电容器的保护中，只需要将数据采集的电压互感器(PT)和电流互感器(CT)换成高压型的就可以。

Claims

1.一种电力电容器的动态自适应保护装置的控制方法，其特征在于：嵌入式微型计算机在上电初始化后，首先调出存储于铁电存储器FRAM中的保护阀值数据，然后，查看有没有投切指令，如果没有，则切除电力电容；如果有，则检测电压看当前是否过电压并且超时，有过电压且超时则切除电力电容器；没有过电压且超时则投入电力电容，同时检测三相电压和三相电流，检查是否需要调整保护阀值；如果需要调整，新的保护阀值存入FRAM存储器；之后，先进行欠流判断的环节；如果欠流立即切除电力电容器；再进行过流判断的环节；如果过流而且超时则切除电力电容器；然后返回到有无投切指令的判断环节，如此循环；

计算电容器衰老程度的方法是：

1)、按照以下公式计算出电容器的当前电容量Qc：

式中：Qc-电容器的当前电容量，单位：千法，Un-电容器的额定电压，单位：伏特，Is-电容器的采样电流值，单位：安培，U_s-电容器的采样电压值，单位：伏特；

2)、按照以下公式计算出电容器的衰老程度￡：

式中：￡-电容器的衰老程度，范围：0-1，Qc-电容器的当前电容量，单位：千法，Qn-电容器的额定电容量，单位：千法，

2.根据权利要求1所述的电力电容器的动态自适应保护装置的控制方法，其特征在于：过电压的保护阀值为电容器额定电压的的1.2倍；过电压的延时时间为240秒；过电流的保护阀值为当前电容器的实际电流的1.3倍；过电流的延时时间为30秒；欠电流的保护阀值为当前电容器的实际电流的0.7倍。

3.根据权利要求1所述的电力电容器的动态自适应保护装置的控制方法，其特征在于：在出现三相负载电流不平衡的情况时，取电流最小的那一相的计算数值为基准。

4.根据权利要求1所述的电力电容器的动态自适应保护装置的控制方法，其特征在于：电容器衰老程度的计算数值是在采集10次的样本数值，剔除了其中最高和最低两组样本数值之后，取8次样本数值的平均值作为基准。