CN103026572A - 用于电容器组保护的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于针对包括多个电容器单元(30，U1₁，...，U1_i，U1_i+1，U2₁，...，U2_i，U2_i+1，U3₁，...，U3_i，U3_i+1)的多相电容器组(1)内部的故障进行保护的方法，每个所述电容器单元包括多个彼此连接的电容器元件(40)，其中，电容器单元彼此连接并且所述故障可能涉及两个相邻电容器单元。所述方法包括步骤：测量所述电容器组的每个单独的相的电流(100)；基于所测量的电流计算不平衡电流(I_不平衡)的幅值(110)；测量所述电容器组的每个单独的相的电压(120)；基于所测量的电压计算不平衡电压(U_不平衡)的幅值(130)；基于所计算的所述不平衡电流和所述不平衡电压的幅值确定操作点(U_不平衡，I_不平衡)(140)；检查定义的操作点(U_不平衡，I_不平衡)在指定操作区域中的位置(150)；以及基于所述定义的操作点(U_不平衡，I_不平衡)在该指定操作区域中的所述位置初始化跳闸信号(190，190’)。

Description

用于电容器组保护的方法和装置

技术领域

本发明涉及电容器组保护领域。其具体涉及保护电容器组免受故障。电容器组包括多个电容器单元，每个电容器单元还包括多个并联或串联的电容器元件，其中，该故障可能涉及两个相邻电容器单元。此外，多个电容器单元可以被配置在支架上，并且电容器组包括多个彼此连接的电容器架。故障可能涉及两个相邻电容器架。

背景技术

安装又被称为并联电容器组的电容器组(由CB/SCB表示)以在电力系统中通过并联并且隐藏来自主电源的电流波动，改善电源的质量并且提供电容性无功补偿和功率因子修正。电容器组的使用已增长，因为它们相对便宜、安装容易并且迅速并且几乎可以被布置在电网系统中的任意地方。电容器组安装在该系统上具有其他有益的效果，例如电压分布的改善、更好的电压调节、损耗的降低以及在输电和发电容量的投资中的降低和延缓。

由多个单独的电容器单元组装电容器组。每个单独的电容器单元是电容器组的基本构造块并且由在钢铁外壳之中被配置成并联/串联连接群组的单独的电容器元件构成。还包括内部放电电阻器，以便在从电力系统断开之后降低单元残留电压。在电网系统中使用的电容器单元通常包括铝箔、纸或浸入在生物可降解绝缘流体中并且被装在金属容器中的薄膜绝缘胞元。

通常使用串联和/或并联的独立的电容器单元来构造电容器组，以获得需要的电压和百万单位的无功伏安等级(由MVAr表示)。典型地，将相邻的电容器单元安装在架中。通过绝缘体将每个架彼此绝缘。

通常由动物的意外接触导致电容器组的暴露。害虫、啮齿动物、猫、鸟等使用电容器组作为休息地点或者落脚点。当动物触摸带电部分时，发生闪络，闪络可能导致整个组的不必要的中断或随之发生的损坏，除非该电容器组装配了足够的继电保护。此外，使电容器组的设计被适配为避免可能性不大的级联故障，但是级联故障不可能被完全排除。

级联故障是串联故障的一种类型，其意味着在一个电容器单元中的故障导致在相邻电容器单元中的另一个故障。因此，常规电容器组差分保护将不针对该故障进行保护。当发生级联故障时，从电网系统得到的故障电流可能被电容器组的其余健康部分的阻抗限制，这导致该故障不能被标准电容器组过流保护检测，直到该故障发展到连接单元的至少30-50％的相当数量为止。

在电容器组保护方案中典型可用的不平衡保护被设计为检测单元中的元件故障。但是其通常反应太慢并且/或者甚至可能完全被在两个电容器单元或两个电容器架之间的级联故障所导致的不平衡量的相当高的等级消除。

对于并联电容器组中的这种串联不平衡故障无法提供足够的保护可能导致以下情况中的一个或多个：对电容器组过度的损坏、不利地系统影响、损坏扩散到相邻设备、当损坏设备不可用时过长的周期、以及有可能的电容器单元外壳破裂或液体介质不期望的放电和/或失火。

因此，非常期望针对两个相邻电容器单元/架之间的级联故障的保护方案。发明内容

本发明的目的在于提供一种用于提供保护电容器组免受涉及电容器组中的两个相邻电容器单元的内部故障的方法。

通过如权利要求1的前序部分所定义的保护方法实现该目的，其特征在于，该方法包括步骤：测量该电容器组的每个单独的相的电流；基于所测量的电流计算不平衡电流I_不平衡的幅值；测量该电容器组的每个单独的相的电压；基于所测量的电压计算不平衡电压U_{不 平衡}的幅值；基于计算的该不平衡电流和该不平衡电压的幅值确定操作点U_不平衡，I_不平衡；检查定义的操作点在指定操作区域中的位置；以及基于该定义的操作点在该指定操作区域中的位置初始化跳闸信号。

通过确定由不平衡电压和不平衡电流构成的操作点是否位于指定操作区域中，将电容器组中(例如电容器单元之间)的内在故障与该电容器组外部的故障区分开。

在多个电容器单元被配置在支架上并且该电容器组包括多个彼此连接的电容器架的情况下，该方法还能够适用于保护该电容器组免受发生在两个相邻电容器架之间的故障。

本发明的另一个目的在于区分内部故障与外部故障。这是通过在操作平面中定义限制线来实现的。

根据本发明的一个实施例，该指定操作区域是由具有用于表示不平衡电压和不平衡电流的X轴和Y轴的二维笛卡尔坐标系统的第一象限定义的操作平面的一部分，该操作平面被该限制线分割成抑制区域和该指定操作区域，在该定义的操作点处于该抑制区域中的情况中不初始化跳闸信号。该限制线表示这样一种操作特性，通过该操作特性来区分内部故障与外部故障。具体而言，该限制线区分电容器单元/架之间的内部故障与外部发生的故障。

可以基于二维笛卡尔坐标系统中的该电容器组的额定电流和额定电压来定义该限制线，其中，由该电容器组的额定电流的幅值的百分比定义该操作平面的X轴并且由该额定电流的幅值的百分比定义该操作平面的Y轴。该限制线还可以包括延伸经过该平面的原点的斜率为1的直线的一部分，这意味着，该直线部分是45度上升线。

具体而言，该限制线是指定的为使得该操作区域与该坐标系统的原点具有距离，因而如果该操作点太靠近该原点该操作点将被忽视。另一方面，如果该确定操作点包括超过该电容器组的额定电压一定程度，例如120％的不平衡电压，则该确定操作点将被保持不反应。这是基于电容器组的通用设计规则。

根据本发明的一个实施例，该不平衡电流是以下不平衡量中的任意一个：负序电流、零序电流或ΔI＝I_max-I_min，其中，该不平衡电压是以下不平衡量中的任意一个：负序电压、零序电压或ΔU＝U_max-U_min，并且由相同类别中的该不平衡量定义该操作点U_不平衡，I_不平衡。这意味着如果负序电流被计算作为不平衡电流，则对应的负序电压应该被计算作为不平衡电压，因而定义操作点。该原理可适用于其他两个不平衡量类别。不平衡量类别的应用可能依赖于电容器组的接地系统是如何设计的。例如，如果电容器组未接地，则可以使用负序的电流和电压来检测该电容器组中的故障。而对于已接地电容器组，可以对于该内部故障检测选择负序的电流和电压或零序的电流和电压。

根据本发明的另一个实施例，该方法还包括步骤：定义处于该操作区域中并且与该限制线相邻的无动作区域；定义处于该操作区域中并且与该无动作区域相邻的第一敏感区域；以及在该操作点位于该第一敏感区域中的情况下初始化具有第一时间延迟的跳闸信号。

根据本发明的另一个实施例，该方法还包括步骤：定义处于该操作区域中并且与该第一敏感区域相邻的第二敏感区域；以及在该操作点位于该第二敏感区域中的情况中初始化具有比该第一时间延迟更短的第二时间延迟的跳闸信号。

通过定义无动作区域、第一敏感区域和第二敏感区域，本发明保证敏感度的粒度并且防止误操作。

优选地，该第一时间延迟在100-300ms的范围中并且该第二时间延迟在20-50ms的范围中。

还通过如权利要求10所定义的装置实现本发明的目的。这种装置包括：被配置为测量流经电容器组的每个独立的相的电流的电流互感器；被配置为测量该电容器组的每个独立的相的电压的电压互感器；被配置为基于所测量的电流计算不平衡电流I_不平衡的幅值以及基于所测量的电压计算不平衡电压U_不平衡的幅值的计算单元；以及被配置为基于所计算的不平衡电流和不平衡电压的幅值确定操作点U_不平衡，I_不平衡，检查所述操作点在指定操作区域中的位置，以及基于该定义的操作点在该指定操作区域中的位置初始化跳闸信号的保护单元。

根据本发明的一个实施例，该保护单元还被配置为：定义处于该操作区域中并且与该限制线相邻的无动作区域；定义处于该操作区域中并且与该无动作区域相邻的第一敏感区域；以及在该操作点位于该第一敏感区域中的情况下初始化具有第一时间延迟的跳闸信号。

此外，该保护单元还被配置为定义处于该操作区域中并且与该第一敏感区域相邻的第二敏感区域；并且在该操作点位于该第二敏感区域中的情况下，保护单元初始化具有比该第一时间延迟更短的第二时间延迟的跳闸信号。

附图说明

现在将通过本发明的不同实施例的描述并且参考附图，更严密地解释本发明。

图1图示了根据本发明的一个实施例，用于保护多相电容器组免受涉及两个相邻电容器单元的内部故障的装置的示意图。

图2示出了用于保护多相电容器组免受涉及两个相邻电容器单元的内部故障的创造性的方法的流程图。

图3图示了根据本发明的另一个实施例，在二维笛卡尔坐标系统上定义的操作平面，其中，限制线用于区分电容器组中的内部故障与发生在电容器组外部的外部故障。

图4列出了可用于保护电容器组中的内部故障的不平衡量的可能的配对。

具体实施方式

图1图示了根据本发明的一个实施例用于保护三相L1、L2、L3电容器组1免受涉及两个相邻电容器单元的内部故障的装置3的示意图。

图2示出了用于保护多相电容器组免受涉及两个相邻电容器单元的内部故障的创造性方法的流程图。参考图2，当解释图1时将相应地描述图2中的每个步骤。

电容器组被Y型连接在接地点并且每个相包括串联连接电容器单元U1₁，...，U1_i，U1_i+1，U2₁，...，U2_i，U2_i+1，U3₁，...，U3_i，U3_i+1。在该示例中，电容器组被连接到电网系统中的电源连接线2，用于改善电源的质量并且提供电力系统中的电容性无功补偿和功率因子修正。每个电容器单元可以包括配置成并联或串联连接组的多个电容器元件。熔丝通常用于保护电容器单元和它的定位并且可以被配置在电容器单元内部在每个元件上或在该单元外部。

每个电容器单元30被密封在金属容器/壳38中并且包括两个套管32、32’。在该示例中，电容器单元30被内部融合，意味着，每个电容器元件40被融合在电容器单元内部并且包括多个并联成组36的电容器元件。每个熔丝是用于限制电流的简单电线并且被封装在包装材料中，该包装材料能够抵抗由电弧产生的热量。当电容器元件故障时，熔丝仅去除受影响的元件。在相同组中并联连接的其他元件仍然运行，但是具有略高的电压经过它们。

应该理解，存在各种电容器组配置/布局。本发明还可以用于其他类型的设计例如多单元接地的双Y型、多单元不接地的单/双Y型或德尔塔(delta)连接以及可以与内部或外部装有熔丝的保护串联或并联的所有上述类型的电容器单元。

在该示例中，断路器4、4’、4”被配置在每个相中以便保护电源连接线2免受例如由于电容器组的级联故障或其他类型的故障的短路导致的损坏。

装置3包括电流互感器CT、电压互感器VT和包括计算单元10的保护单元12。电流互感器CT在电容器组的每个单独相L1、L2、L3与保护单元之间被连接到电源连接线并且被配置为提供降低的电流，因而可以由保护单元测量流经电容器组的每个单独的相的电流，步骤100。电压互感器VT被连接在电容器组的每个单独相与保护单元之间并且被用于向下转换电压至可测量的等级，因而可以测量每个相L1、L2、L3中的电压，步骤120。

向保护单元发送测量的电流和电压，并且因此，计算单元10能够计算不平衡电流I_不平衡的幅值和不平衡电压U_不平衡的幅值，步骤110和130。可以将该计算装置实现为软件模块。计算单元10进一步包括用于运行该软件模块的硬件。计算单元的硬件可以是例如微计算处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或标准计算机。

因为故障导致不平衡系统，可以使用对称分量理论来确定故障的位置，因而可以区分在电容器组外部的故障和发生在电容器组内部的内部故障。

对称分量理论规定负序和零序量的源位于故障点中。

对于电容器组外部的不平衡故障，由于故障源位于外部，系统的阻抗将远大于电容器组的阻抗，这意味着，对于健康/平衡电容器组，电容器组的阻抗将保持恒定。

已经显示出电容器组的正和负序阻抗总是与电容器阻抗具有相同的值，而零序阻抗可能依赖于电容器在它的中性点处如何被接地。如果电容器组被稳固地接地，则甚至零序阻抗也与电容器阻抗具有相同的值。

因此，可以由电容器组的在外部不平衡故障之下仍然保持恒定的阻抗XC_B计算电容器组的负序电流和电压。如果电容器组被接地，则这对于零序量同样有效。

可以由电容器组的需要的MVAr等级和电力系统的电压等级确定电容器组的阻抗。对于三相电容器组，可以通过以下公式计算该阻抗：

$X_{\mathrm{CB}}\left[\mathrm{\Ω}\right]=\frac{U^2\left[\mathrm{kV}\right]}{Q_{\mathrm{CB}}\left[\mathrm{MVAr}\right]}$

其中，X_CB是电容器组的阻抗，U是系统的额定电压并且Q_CB是电容器组的MVAr等级。

但是，如果故障发生在电容器组内部，则电容器组的阻抗将远大于系统的阻抗。此外，正、负和零序阻抗将不再保持恒定。通过确定由计算的不平衡电压和电流形成的用于指示负序阻抗是否仍然恒定的这种不平衡点，区分内部故障与外部故障。如果电容器组被接地则可以使用零序阻抗。

在不平衡状况期间，以上原理对于德尔塔量也有效。假设仅利用电容器组的一个相定位内部故障，则可以通过查看在对于不接地电容器组的最大与最小相到相量之间的差异或者在直接接地电容器组的最大与最小相到相量之间的差异，来确定德尔塔量。

当设计电容器组时，作为通用规则，设计并联连接电容器单元的最小数量，因而组中的一个电容器组的绝缘不会引起足以在该组中的其余电容器上放置多于例如120％的额定电压，并且串联连接组的最小数量为这样一种数目，在该最小数量中该组的完全旁路不导致仍然运行的其他剩余电容器超过例如120％的恒定过电压。该设计规则提供可以被用作为抑制特性的电压，并且电容器组的阻抗可以被用作为用于区分全部外部故障与内部电容器组故障的保护操作原则。

通过使用该操作原则，保护单元12可以确定形成的操作点U_不平衡，I_不平衡(步骤140)是否位于指定操作区域中，步骤150。

为了确定电容器组内的内部故障，特别是在两个相邻电容器单元/架之间的故障，可以使用不平衡量的多个配对，并且使用哪一个配对依赖于电容器组如何被接地。图4概述能够用于电压抑制原理以便针对两个相邻电容器单元/架之间的内部级联故障进行保护的不平衡电流和不平衡电压削减的可能的配对。

保护单元12可以进一步被配置为定义无动作区域和两个敏感区域，步骤160、170和180，并且进一步精炼操作的粒度以保证稳定性与安全性之间的更好的平衡。

图3图示了由二维笛卡尔坐标系统定义的操作平面，其中，由电容器组的额定电压的幅值的百分比定义该操作平面的X轴并且由额定电流的幅值的百分比定义该操作平面的Y轴，并且，限制线表示被定义为电容器组的阻抗的外部故障特性并且被用于区分电容器内部的内部故障与发生在电容器组外部的外部故障。如图3中所示，使用电压作为用于电容器组的抑制特性，并且限制线包括直的45度上升线和两条截止线，因而如果操作点包括太靠近原点或者超过CB的额定电压一定程度的不平衡电压，则将不执行操作。优选地，基于电容器组的通用设计规则，可以由额定电压的3-5％定义第一截止线，并且由额定电压的110-130％定义第二截止线。该直线指示不平衡量的阻抗是否仍然保持恒定。如果不平衡点位于直线之下，则不平衡量的阻抗例如负序阻抗仍然保持恒定并且发生在该电容器组外部的故障；否则其指示阻抗改变并且因此发生内部故障。

参考图3，上述操作原理还示出获得的电流与测量的电压成比例地降低。

操作平面被该限制线分割成抑制区域R、操作区域。操作区域进一步被限制线、第一敏感线和第二敏感线分割成三个敏感区域：无动作区域NA、第一敏感区域S₁和第二敏感区域S₂。

如图3中所示，无动作区域与限制线相邻具有由第一敏感线定义的非常短的距离，以避免不必要的保护操作。该第一敏感区域与无动作区域相邻并且由该第一敏感线和第二敏感线定义。优选地，第一敏感线被设置为限制线以上4-7％，并且第二敏感线被设置为限制线以上20-40％。在该示例中第一敏感线被设置为限制线以上5％。第二敏感线被设置为限制线以上20％，并且由不平衡电压U_不平衡和不平衡电流I_不平衡定义的操作点位于第一敏感区域中。

两个敏感区域表示保护操作的不同的敏感度。因为第一敏感区域比第二敏感区域更靠近限制线，第一敏感区比第二敏感区域更敏感。因此，在较长时间延迟之中操作保护，以避免误操作。

利用以上定义的区域，保护单元12进一步被配置为在该操作点位于该第一敏感区域中的情况下初始化具有第一时间延迟的跳闸信号或者在该操作点位于该第二敏感区域中的情况下初始化具有比该第一时间延迟更短的第二时间延迟的跳闸信号，步骤190、190’。用于第一时间延迟和第二时间延迟的优选范围分别是100-300ms和20-50ms。向断路器4、4’、4”发送该跳闸信号，因此从电网系统断开电容器组，因而该系统中其他电气设备将不受影响。

Claims (12)

1.一种用于针对包括多个电容器单元(30，U1₁，...，U1_i，U1_i+1，U2₁，...，U2_i，U2_i+1，U3₁，...，U3_i，U3_i+1)的多相电容器组(1)内部的故障进行保护的方法，每个所述电容器单元包括多个彼此连接的电容器元件(40)，其中，电容器单元彼此连接并且所述故障可能涉及两个相邻电容器单元，其特征在于，所述方法包括步骤：

-测量所述电容器组的每个单独的相的电流(100)；

-基于所测量的电流计算不平衡电流(I_不平衡)的幅值(110)；

-测量所述电容器组的每个单独的相的电压(120)；

-基于所测量的电压计算不平衡电压(U_不平衡)的幅值(130)；

-基于所计算的所述不平衡电流和所述不平衡电压的幅值确定操作点(U_不平衡，I_不平衡)(140)；

-检查定义的操作点(U_不平衡，I_不平衡)在指定操作区域中的位置(150)；以及

-基于所述定义的操作点(U_不平衡，I_不平衡)在所述指定操作区域中的位置初始化跳闸信号(190，190’)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述指定操作区域是由具有用于表示不平衡电压和不平衡电流的X轴和Y轴的二维笛卡尔坐标系统的第一象限定义的操作平面的一部分，所述操作平面被限制线分割成抑制区域和所述指定操作区域，在所述定义的操作点(U_不平衡，I_不平衡)处于所述抑制区域中的情况下不初始化跳闸信号。

3.根据权利要求1到2所述的方法，其中，所述电容器组具有额定电流和额定电压，由所述电容器组的所述额定电压的幅值的百分比定义所述操作平面的所述X轴并且由所述额定电流的幅值的百分比定义所述操作平面的所述Y轴，所述限制线包括延伸经过所述平面的原点的斜率为1的直线的一部分。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述限制线被指定为使得所述操作区域与所述坐标系统的所述原点具有距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不平衡电流是以下不平衡量中的任意一个：负序电流、零序电流或ΔI＝I_max-I_min，其中，所述不平衡电压是以下不平衡量中的任意一个：负序电压、零序电压或ΔU＝U_max-U_min，并且由相同类别中的所述不平衡量定义所述操作点(U_不平衡，I_不平衡)。

6.根据权利要求1到7所述的方法，其中，多个电容器单元被配置成在支架上并且所述电容器组包括多个彼此连接的电容器架，并且使所述方法被适配为保护所述电容器组免受在两个相邻电容器架之间发生的故障。

7.根据权利要求1到2中的任意一个所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：

□定义处于所述操作区域中并且与所述限制线相邻的无动作区域(160)；

□定义处于所述操作区域中并且与所述无动作区域相邻的第一敏感区域(170)；以及

□在所述操作点(U_不平衡，I_不平衡)位于所述第一敏感区域中的情况下初始化具有第一时间延迟的跳闸信号(190)。

8.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：

□定义处于所述操作区域中并且与所述第一敏感区域相邻的第二敏感区域(180)；以及

□在所述操作点(U_不平衡，I_不平衡)位于所述第二敏感区域中的情况下初始化具有比所述第一时间延迟更短的第二时间延迟的跳闸信号(190’)。

9.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一时间延迟在100-300ms的范围中并且所述第二时间延迟在20-50ms的范围中。

10.一种用于针对包括多个电容器单元(30，U1₁，...，U1_i，U1_i+1，U2₁，...，U2_i，U2_i+1，U3₁，...，U3_i，U3_i+1)的多相电容器组(1)内部的故障进行保护的装置，其中每个所述电容器单元包括多个彼此连接的电容器元件(40)，其中，电容器单元彼此连接并且所述故障可能涉及两个相邻电容器单元，所述装置包括：

-被配置为测量流经电容器组的每个独立的相的电流的电流互感器(CT)；

-被配置为测量所述电容器组的每个独立的相的电压的电压互感器(VT)；

其特征在于，所述装置还包括：

-计算单元(10)，其被配置为：

□基于所测量的电流计算不平衡电流(I_不平衡)的幅值，以及

□基于所测量的电压计算不平衡电压(U_不平衡)的幅值；以及

-保护单元(12)，其被配置为：

□基于所计算的所述不平衡电流和所述不平衡电压的幅值确定操作点(U_不平衡，I_不平衡)，

□检查所述操作点(U_不平衡，I_不平衡)在指定操作区域中的位置，以及

□基于所述定义的操作点(U_不平衡，I_不平衡)在所述指定操作区域中的所述位置初始化跳闸信号。

11.根据权利要求11所述的配置，其中，所述保护单元还被配置为：

□定义处于所述操作区域中并且与所述限制线相邻的无动作区域；

□定义处于所述操作区域中并且与所述无动作区域相邻的第一敏感区域；以及

□在所述操作点(U_不平衡，I_不平衡)位于与所述限制线相邻的所述第一敏感区域中的情况下初始化具有第一时间延迟的跳闸信号。

12.根据权利要求12所述的配置，其中，所述保护单元还被配置为：

□定义处于所述操作区域中并且与所述第一敏感区域相邻的第二敏感区域；以及

□在所述操作点(U_不平衡，I_不平衡)位于与所述第一敏感区域相邻的所述第二敏感区域中的情况下，初始化具有比所述第一时间延迟更短的第二时间延迟的跳闸信号。

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