CN104155560B - 一种带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法及系统，方法包括：获取两个支路之间的不平衡电流相对于所述电容器组的穿越电流的相对差值根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm，计算第一整定值S₁：当检测到T≥S₁，则保护装置控制所述电容器组跳闸。

Description

一种带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法及 系统

技术领域

本发明涉及电工领域的电气设备故障检测相关技术领域，特别是一种∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法及系统。

背景技术

高压电容器组常用于直流输电的交、直流滤波器和并联无功补偿装置等。用于交、直流滤波器的高压电容器组可接成图2所示的∏型接线。

图2是改进的∏型电容器组电路，其优点是二次电流差值的大小不受两只电流互感器特性差异的影响，可以如实反映一次电流的差值。

图2电容器组的不平衡电流保护的判别式为：

$\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_A-{\stackrel{\·}{I}}_B}{{\stackrel{\·}{I}}_A+{\stackrel{\·}{I}}_B}=\frac{C_A-C_B}{C_A+C_B}---\left(2\right)$

图2电容器组一般按照A、B两个臂的电容量C_A和C_B相等进行配置，这样两臂之间的电流差通过一只电流互感器TA-D进行检测，正常条件下TA-D检测到的电流一旦某支路的某电容器单元出现故障，将导致TA-D检测到的电流不等于0。通过这种检测手段，可以发现∏型接线的高压电容器组电容器元件的故障，并在满足一定的条件下跳闸并隔离电容器组。

为了消除电压波动带来的不平衡电流的波动，∏型电路常用差流与电容器组的穿越电流之比作为保护的判据。

∏型电路的电容器组的不平衡保护的缺陷：如C_A和C_A内部交替出现元件故障，实际的检测到的不平衡电流动作量将非常小，不能启动跳闸。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术对∏型电路存在不能启动跳闸保护情况的技术问题，提供一种∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法及系统。为系统介绍本发明的基本内容，首先要确定电容器组∏型电路的不平衡保护的整定原则。

不平衡保护的整定原则：

(1)滤波器组允许的失谐度

在滤波器失谐的条件下，滤波器应该退出运行。滤波器失谐后，将可能导致滤波器组与系统之间产生并联谐振，危及系统安全。单调谐滤波器的失谐度计算公式及允许值为

${\mathrm{\δ}}_F=\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_R}+\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{\Δ}L}{L}+\frac{\mathrm{\Δ}C}{C})={\mathrm{\δ}}_f+\frac{1}{2}({\mathrm{\δ}}_L+{\mathrm{\δ}}_C)\≤1\%---\left(3\right)$

假设系统频率偏差δ_f＝0，且滤波器的电感量偏差δ_L＝0，为了使滤波器的失谐度δ_F≤1％，高压电容器组的电容量偏差应该满足δ_C≤2％。

对于多调谐滤波器组，建议在交接试验中测量高压电容器组相对其额定电容值C偏差ΔC条件下的滤波器失谐度。具体做法：首先对滤波器组精确调谐，并测量滤波器组的各调谐频率和各调谐电路的RLC参数。然后再人为将某只电容器单元短接，重新测量滤波器组的各调谐频率和电容器组的电容量。根据两次测量结果，计算各调谐频率下的失谐度δ_F和相应的电容量偏差δ_C，并由此推算滤波器各调谐频率失谐度不超过±1％的条件下，所允许的高、低压电容电容器组的电容量偏差值。在滤波器失谐度不超过±1％的限制条件下，多调谐滤波器各高、低压电容器组的电容量偏差应该略大于2％。多调谐滤波器电容量的允许偏差也可以通过滤波器参数计算得出。

(2)完好电容器单元的端电压不超过1.05倍额定值，故障单元内部与故障组件内(内熔丝电容器单元的一个组件是多只电容元件并联)的余下完好元件的端电压不超过1.15倍额定值。

在电容器单元内部某元件故障后，应该使故障组件中余下完好元件不至于因为过电压而被击穿。高压滤波电容器组是多只电容器单元串联，如果故障电容器单元的电容量增大，则其容抗变小，将使余下完好电容器单元两端的电压升高；如果故障电容器单元的电容量变小，则其容抗变大，将使余下完好电容器单元两端的电压下降。

表1是运行中电容器所允许的工频过电压水平。按照DL/T 840-2003标准，电容器允许长期运行的最高电压是其额定电压U_N的1.05倍。GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》中，允许35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10％。但从系统稳定，降低损耗的角度出发，实际系统的运行电压基本在0～10％的偏差范围内，而系统电压+10％的偏差常出现在凌晨低负荷时分。因此，表1的1.10倍电压是指电容器组没有内部故障的情况下，满足系统运行电压偏差的基本要求。

表1电容器运行中允许的工频过电压水平

从运行安全考虑，部分电容器单元故障后，余下完好单元的端电压不应该超过1.05倍的额定电压。

带内熔丝电容器单元在某只电容元件故障之后，同一组件中余下完好元件两端的电压将升高，进而导致同一组件的元件继续损坏，但是要防止这种损坏过程中出现“雪崩效应”。另一方面，电容器单元内部出现少量元件故障后，即使更换退出运行，也不可能将其修复。只要某电容器单元故障后不影响完好电容器单元的安全，或者不影响滤波器的滤波功能，就应该尽可能地利用其剩余价值。从这一点出发，故障段中剩余完好元件的端电压在达到或超过1.15倍后，立即告警并在30min内跳闸是比较合适的。

设∏型高压电容器组两并联支路各有N只电容量为C_u电容器单元串联。单元电容器内部均由p×s只电容元件通过p只元件并联成组件、然后s个组件串联的方式组合而成。

设每个电容元件的电容量为C_e，正常时各支路的电容量

$C_A=C_B=\frac{C_u}{N}=\frac{p}{sN}{C}_e=\frac{1}{2}C,---\left(4\right)$

正常时各电容元件上的电压

${\stackrel{\·}{U}}_{e,N}=\frac{1}{sN}{\stackrel{\·}{U}}_N---\left(5\right)$

内熔丝型电容器单元的故障行为

内熔丝型电容器单元内部结构如图3。单元内部为p×s只元件(element)组成，先p只元件并联组成组件，而后s个组件串联。当其中一只元件短路后，同一组件中完好元件将通过故障元件放电，将故障元件的熔丝熔断。图4是内熔丝型单元内部出现m×n只元件的串联熔丝熔断后的示意图。

内熔丝型电容器单元正常时的电容量：

$C_u=\frac{p}{s}{C}_e---\left(6\right)$

支路i有d个组件短路后的电容量为

$C_{i,F}=\frac{p}{sN-d}{C}_e=\frac{sN}{2(sN-d)}C---\left(7\right)$

这种短路情形发生在：当单元内部同一组件的元件损坏到m+1只后，余下(p-m-1)只完好元件储存的能量不足以使第m+1只元件的熔丝吹断，将使整个组件短路。

(1)A支路有d个组件短路

此条件下B支路正常，A支路的电容量变为

C_A,F＝C_i,F (8)

电容器组的总电容量

$C_{\Π,F}=\frac{2sN-d}{2sN-2d}C=(1+\frac{d}{2sN-2d})C---\left(9\right)$

按总电容量的相对变化不超过δ_C的原则，有

$\frac{\mathrm{\Δ}C}{C}=\frac{d}{2sN-2d}\≤{\mathrm{\δ}}_C---\left(10\right)$

因此，允许短路的最大组件数为：

$d_{{\mathrm{\δ}}_{CA}}\≤\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+2{\mathrm{\δ}}_C}\×sN---\left(11\right)$

满足(11)式条件下，A支路余下各完整组件上的电压增量不应该超过k_norm：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_e}{{\stackrel{\·}{U}}_{e,N}}=\frac{d}{sN-d}\≤k_{norm}---\left(12\right)$

此条件下允许短路的最大组件数

$d_{U_{CA}}\≤\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}}\×sN---\left(13\right)$

因此，不平衡电流保护的跳闸整定值应为以下两者的最小值：

$\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}=\frac{d}{2sN-d}{|}_{d=d_{{\mathrm{\δ}}_c}}=\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{\mathrm{1+}{\mathrm{\δ}}_C}---\left(\mathrm{14}\right)$

$\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}=\frac{d}{2sN-d}{|}_{d=d_{U_{CA}}}=\frac{k_{norm}}{2+k_{norm}}---\left(\mathrm{15}\right)$

(2)A、B支路各有d个组件短路

此条件下A、B支路的电容量均为

$C_{A,F}=C_{B,F}=\frac{sN}{2(sN-d)}C,---\left(16\right)$

电容器组的总电容量：

$C_{\Π,F}=(1+\frac{d}{sN-d})C.---\left(17\right)$

按照总电容量的相对变化不超过δ_C的原则，有

$\frac{\mathrm{\Δ}C}{C}=\frac{d}{sN-d}\≤{\mathrm{\δ}}_C---\left(18\right)$

此条件下允许短路的组件数：

$d_{{\mathrm{\δ}}_{CA+B}}\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+{\mathrm{\δ}}_C}\×sN---\left(19\right)$

因A、B支路是同样的并联支路，此条件下完好组件的电压增量同(12)式，因此A、B支路各自允许短路的最大组件数为

$d_{U_{CA+B}}\≤\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}}\×sN---\left(20\right)$

但该条件下不平衡电流必须通过不平衡电流的突变量来判断并累计失效的组件数。综合(11)(13)(20)式，∏型电容器组允许短路的最大组件数应该为：

$d_{\Π}\≤min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+2{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}})\×2sN---\left(21\right)$

因为单边支路故障在逐步发展过程中有

$\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}{|}_{d=t+1}-\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}{|}_{d=t}=\frac{t+1}{2sN-(t+1)}-\frac{t}{2sN-1}>0---\left(22\right)$

可以采用不平衡电流的突变量

$\mathrm{\Δ}\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}\right|\≥\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}{|}_{d=1}=\frac{1}{2sN-1}---\left(23\right)$

作为组件短路的判据。

(3)A支路n段组件中各有m只元件隔离

在单元内如图4示，n段组件中各有m只元件被隔离后，n段组件中余下完整元件的总电容量

$C_{n\×(p-m),F}=\frac{p-m}{n}{C}_e---\left(24\right)$

A支路余下sN-n段完整组件的总电容量

$C_{sN-n}=\frac{p}{sN-n}{C}_e---\left(25\right)$

A支路上的电容量：

$C_{A,F}=\frac{C_{n\×(p-m),F}{C}_{sN-n}}{C_{n\×(p-m),F}+C_{sN-n}}=\frac{sN(p-m)}{sN(p-m)+mn}\×\frac{C}{2}---\left(26\right)$

B支路电容量正常，因此电容器组的总电容量：

$C_{\Π,F}=C_{A,F}+C_B=\frac{2(p-m)sN+mn}{2(p-m)sN+2mn}C---\left(27\right)$

按照电容器组总电容量的相对变量不超过δ_C的原则：

$\frac{\mathrm{\Δ}C}{C}=\frac{mn}{2(p-m)sN+2mn}\≤{\mathrm{\δ}}_C---\left(28\right)$

有：

满足(29)式的最大不平衡电流

$\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}=\frac{-mn}{2(p-m)sN+mn}=\frac{-{\mathrm{\δ}}_C}{1-{\mathrm{\δ}}_C}---\left(30\right)$

因故障组件的电容量降低，容抗变大，其端电压增大：

${\stackrel{\·}{U}}_{e,F}=\[1+\frac{msN-mn}{psN-(msN-mn)}\]{\stackrel{\·}{U}}_{e,N}---\left(31\right)$

按照故障组件上的电压增量不超过k_e原则，

$\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{e,F}}{{\stackrel{\·}{U}}_{e,N}}=\frac{msN-mn}{psN-(msN-mn)}\≤k_e---\left(32\right)$

将(29)式和(32)式联立求解，得出

$m\≤\frac{k_e+2{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e}p---\left(33\right)$

且

在(33)和(34)条件下，最大的不平衡电流依旧等同(30)式。

在电容器组两端电压不变条件下，由于故障组件的电压增加，完整组件上的电压下降。

因为(30)中

$|{({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}/{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}})}_{m=t+1}-{({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}/{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}})}_{m=t}|>0---\left(35\right)$

且

因此，单只元件故障并隔离前后引起的不平衡电流突变量最小值为

$\mathrm{\Δ}\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}\right|=\frac{mn}{2(p-m)sN+mn}{|}_{\underset{n=1}{m=1}}=\frac{1}{2(p-1)sN+1}---\left(37\right)$

(4)A、B支路中各有n段组件的m只元件隔离

此条件下将使两条支路电容量相等：

$C_{A,F}=C_{B,F}=\frac{(p-m)sN}{(p-m)sN+mn}\×\frac{C}{2}---\left(38\right)$

电容器组的总电容量

$C_{\Π,F}=(1-\frac{mn}{(p-m)sN+mn})C---\left(39\right)$

按照总电容量偏差不超过δ_C的要求，有

$\frac{\mathrm{\Δ}C}{C}=\frac{mn}{(p-m)sN+mn}\≤{\mathrm{\δ}}_C---\left(40\right)$

因此

$\frac{mn}{p-m}\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1-{\mathrm{\δ}}_C}sN---\left(41\right)$

故障组件由于电容量降低，容抗变大，承受的电压增大，其电压增量为

$\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{e,F}}{{\stackrel{\·}{U}}_{e,N}}=\frac{msN-mn}{psN-(msN-mn)}\≤k_e---\left(42\right)$

将(41)和(42)式联立求解，有

$m\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_C+k_e}{1+k_e}p---\left(43\right)$

且但该条件下不平衡电流必须通过不平衡电流的突变量来判断并累计失效的元件数。

综合(33)和(43)有

$m\≤min(\frac{k_e+2{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e},\frac{{\mathrm{\δ}}_C+k_e}{1+k_e})\×p---\left(45\right)$

$mn\≤min(\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e},\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e})\×psN---\left(46\right)$

内熔丝型电容器单元故障一般是由内部元件故障后首先被隔离，然后逐渐发展到组件短路的过程。元件故障导致的电容器组的电容量减少。因此A支路故障后的不平衡电流是负数，元件级故障隔离后的最小的不平衡电流为

$\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}\right|=\frac{1}{2(p-1)sN+1}---\left(47\right)$

而一旦发展成为组件短路，则不平衡电流最小值为

$\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}\right|=\frac{1}{2sN-1}---\left(48\right)$

因此，通过检测不平衡电流的突变量

$\mathrm{\Δ}\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}\right|\≥\frac{k}{2sN-1},k=0.85~0.95---\left(49\right)$

即可判断组件短路的数量：

$d=\mathrm{\Δ}\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}\right|\×(2sN-1)---\left(50\right)$

当组件短路数量d满足

$d\≥min(\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+2{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}})\×sN---\left(51\right)$

时，保护应该发出跳闸信号。

根据上述理论分析，本发明提供一种带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法，所述电容器组包括两个支路，每个所述支路包括N只电容器单元串联构成，每个所述电容器单元内部包括s个组件串联，所述组件包括p只并联的电容元件，其中，N为大于或等于1的自然数，p为大于1的自然数，s为大于1的自然数，所述不平衡电流保护方法包括：

获取两个支路之间的不平衡电流相对于所述电容器组的穿越电流的相对电流差值

根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm，计算第一整定值S₁：

$S_1=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{2+k_{norm}});---\left(52\right)$

当检测到T≥S₁，保护装置则控制所述电容器组跳闸。

一种带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护系统，所述电容器组包括两个支路，每个所述支路包括N只电容器单元串联构成，每个所述电容器单元内部包括s个组件串联，所述组件包括p只并联的电容元件，其中，N为大于或等于1的自然数，p为大于1的自然数，s为大于1的自然数，所述不平衡电流保护系统包括：

相对电流差值获取模块，用于获取两个支路之间的不平衡电流相对于所述电容器组的穿越电流的相对电流差值

第一整定值计算模块，用于根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm，计算第一整定值S₁：

$S_1=\min (\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{2+k_{norm}});---\left(53\right)$

第一跳闸模块，用于当检测到T≥S₁，则保护装置控制所述的电容器组跳闸。

本发明计算一个由电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数所确定的参数，并检测相对差值与整定值的关系作为控制保护装置跳闸的逻辑。

本发明的技术优点在于：可以根据滤波器组允许的电容量最大允许偏差δ_C，电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数所确定的参数，检测滤波器是否处于失谐状态，并检测电容元件是否处于允许的过电压状态。同时，可以消除现有电容器组不平衡电流保护不能检测各支路出现对称性故障的缺陷，并能精确检测和计算故障元件(或组件)的数量。

附图说明

图1为本发明一种∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法的工作流程图

图2为本发明一种∏型电容器组的改进接线示意图

图3为内熔丝型电容器单元的内部结构图

图4为内熔丝型电容器单元内部部分元件失效导致熔丝熔断后的示意图

图5为本发明一个例子的工作流程图；

图6为本发明一种∏型接线电容器组的不平衡电流保护系统的结构模块图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法的工作流程图，如图2所示所述电容器组包括两个支路，即支路A和支路B，每个所述支路包括N只电容器单元串联构成；

图3是带内熔丝电容器单元的内部元件连接方式：首先将p只电容元件并联，每只元件串联一根熔丝，这里将p只带内熔丝的电容元件并联称为组件。然后将s个组件串联。即一个电容器单元内部是p×s只元件封装在单元电容器的箱体内。

电容器单元内部元件的故障过程如下：首先是其中一个元件的绝缘被击穿，该元件击穿之后，同一组件中并联的其它元件将通过故障元件放电。放电过程中的电流将熔丝熔断后，将故障元件隔离。故障组件中由于有某些电容元件被隔离，故障组件中的电容量减少，容抗增大，在多个同样组件串联的条件下，故障组件由于容抗增大，分担的电压也将增加，导致故障组件剩余电容元件故障的概率增大。当故障组件有若干只元件的熔丝被熔断隔离之后，如果剩余完好电容元件储存的能量不足以将故障元件的熔丝熔断，将导致该组件短路。

其中，N为大于或等于1的自然数，p为大于1的自然数，s为大于1的自然数，根据上述电容器故障的特点，本发明的特征在于，所述不平衡电流保护方法包括：

步骤S101，获取两个支路之间的不平衡电流相对于所述电容器组的穿越电流的相对电流差值

步骤S102，根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm，计算第一整定值S₁：

$S_1=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{2+k_{norm}});---\left(54\right)$

步骤S103，当检测到T≥S₁，则控制所述电容器组的保护装置跳闸。

在本实施例中，还包括：

步骤S104，根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm,各支路串联电容器单元数量N，单元电容器内部的串联组件数s，计算第二整定值S₂：

$S_2=min(\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+2{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}})\×sN;---\left(55\right)$

其中步骤S102与步骤S104并列。

步骤S105，获取所述相对差值T在t-1时刻到t时刻的突变量如果所述ΔT满足k＝0.85～0.95，则计算串联组件短路的累计数量：D^(t)＝D^(t-1)+int[ΔT×(2sN-1)+0.5]，其中int是取整数计算；D^(t)的初始值D⁽⁰⁾＝0；

步骤S106，当D^(t)的累计值D^(t)≥S₂时，经过预设的延时时间之后，保护装置启动所述电容器组的保护装置跳闸。

在本实施例中，还包括：

步骤S107，根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的极限过电压增量相对于额定电压的倍数k_e,各支路串联电容器单元数量N，单元电容器内部的串联组件数s，组件内部的并联元件数p，计算第三整定值S₃：

$S_3=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C+k_e}{1+k_e}\×2p,\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e}\×psN);---\left(56\right)$

其中步骤S102、步骤S104和步骤S107并列。

步骤S108，获取所述相对差值T在t-1时刻到t时刻的突变量如果所述ΔT满足k＝0.85～0.95，则计算电容元件开路的累计数：E^(t)＝E^(t-1)+int{ΔT×[2(p-1)sN+1]+0.5}，其中int是取整数计算，E^(t)的初始值E⁽⁰⁾＝0；

步骤S109，当E^(t)的累计值E^(t)≥S₃时，经过预设的延时时间之后，保护装置启动所述电容器组跳闸。

如图5所示为本发明一个例子的工作流程图，实现本发明∏型带内熔丝电容器组不平衡保护的一个具体实施步骤如下：

首先进行预处理，根据电容器组的产品说明书，计算确定电容器组的最大允许电容量偏差δ_C。并根据电容器的产品说明书和相关标准，确定电容器元件的正常允许过电压水平k_norm、电容器元件的极限过电压水平k_e。确认电容器是图1或图2示的∏型结构。收集电容器支路单臂的串联单元数N，电容器内部的串联组件数s、以及组件的并联元件数p。通过以上数值计算确定如下三个整定值:

$S_1=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{2+k_{norm}})---\left(S1\right)$

$S_2=min(\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+2{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}})\×sN---\left(S2\right)$

$S_3=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C+k_e}{1+k_e}\×2p,\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e}\×psN)---\left(S3\right)$

步骤S501，读取和通过图2的电流互感器TA-D提取的桥差电流信号通过图2的电流互感器TA-S提取的电容器组总穿越电流

步骤S502，实时计算桥差电流与电容器组总电流的比值T^(t)：

$T^{\left(t\right)}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}---\left(S4\right)$

步骤S503，将实时计算结果|T^(t)|与告警整定值S₁进行比较：如果|T^(t)|≥S₁，则说明构成电容器组的电容器单元有损坏，其损坏的程度已经使电容器组的电容量的相对偏差达到了δ_C，或者是完好电容器组件的电压增量超过了k_norm，则输出结果直接启动跳闸。

步骤S504，将T^(t)输送到一个延时寄存器。其主要作用是将(t-1)时刻步骤S502的计算结果T^(t-¹⁾在该寄存器中临时寄存并延时至t时刻输出；

步骤S505，计算两个相邻时刻步骤S502输出结果之间的差值，即计算差值电流的突变量：

$\mathrm{\Δ}T=|T^{\left(t\right)}-T^{(t-1)}|=|{({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}/{\stackrel{\·}{I}}_{\Π})}^{\left(t\right)}-{({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}/{\stackrel{\·}{I}}_{\Π})}^{(t-1)}|=\mathrm{\Δ}|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}/{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}|---\left(S5\right)$

电容元件的开路故障或组件(单元)的短路故障，均会引起的突变。

步骤S506，计算突变量的变化范围，如果ΔT的值满足如下范围：

(k＝0.85～0.95，可靠系数)(S6)

则说明电容器组的故障属于元件级的开路故障，则执行步骤S510，否则执行步骤S507。

上式中，是内熔丝电容器单元内部单个元件开路时突变量的最小值；是内熔丝电容器单元内部单组件短路时突变量的最小值。N是∏型电容器中一个臂的串联电容器单元数，s是单只电容器单元内部组件的串联数，p是单只电容器单元内部组件的并联元件数。

步骤S507，进一步计算突变量的变化范围，如果ΔT的值满足如下范围：

$\mathrm{\Δ}T\≥\frac{1}{2sN-1}$

则说明电容器组出现了组件级的故障(元件短路后熔丝没能熔断)，执行步骤S508。

步骤S508，计算计算单元电容器内部串联组件短路的总数目。因为是单串组件短路后检测到的的最小值，突变量除以即可得到本次突变量下串联元件短路的数量

$D=\mathrm{int}\[\mathrm{\Δ}\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}\right|\×(2sN-1)+0.5\]---\left(S7\right)$

其中的常数项0.5是为了确保单个串联组件短路后，实现本式计算的结果能够确保其串联组件数D＝1。本实施例中，使用一个寄存器进行循环寄存：

$D^{\left(t\right)}=D^{(t-1)}+\mathrm{int}\[\mathrm{\Δ}\left|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}\right|\×(2sN-1)+0.5\]---\left(S8\right)$

将累计到元件短路总数寄存在D^(t)中，其中初始值D⁽⁰⁾＝0。然后执行步骤S509。

步骤S509，将总的元件短路数D^(t)与整定值S₂进行比较，如果D^(t)≥S₂，则说明电容器组中内部元件的短路数量已经达到了这样的一个临界值:即电容器组的电容量相对偏差已经大于δ_C,滤波器已经失谐；或者完好电容器单元的端电压已经超过正常运行的极限。因此保护启动跳闸。

步骤S510，计算单元电容器内部单个元件开路的总数目。因为是单个元件的开路后突变量的最小值，将突变量除以后，将得到本次突变量检测结果下元件的开路数量

$E=\mathrm{int}\left\{\mathrm{\Δ}\right|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}|\×\[2(p-1)sN+1\]+0.5\}---\left(S9\right)$

其中的常数项0.5是为了确保单个元件开路后，实现本式计算的结果能够确保开路数量E＝1。本实施例中，使用一个寄存器进行循环寄存将该结果累计到元件开路总数E^(t)中：

$E^{\left(t\right)}=E^{(t+1)}+\mathrm{int}\left\{\mathrm{\Δ}\right|\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\Δ}\Π}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\Π}}|\×\[2(p-1)sN+1\]+0.5\}---\left(S10\right)$

其中初始值E⁽⁰⁾＝0。

步骤S511，将总的元件开路数E^(t)与整定值S₃进行比较，如果E^(t)≥S₃，则说明电容器组中内部元件的开路数量已经达到了这样的一个临界值，即故障电容器组的电容量的相对偏差已经达到或者超过δ_C，滤波器失谐；或者剩余完好电容元件的端电压已经超过在此条件下极限允许值，保护跳闸。

保护跳闸切除滤波器组后，要求对滤波器进行逐只检查。在将故障电容器单元更换完毕之后，要求将上述的各计数器D，E清零，使电容器组恢复正常之后。

如图6所示为本发明一种∏型接线电容器组的不平衡电流保护系统的结构模块图，所述电容器组包括两个支路，每个所述支路包括N只电容器单元串联构成，每个所述电容器单元内部包括s个组件串联，所述组件包括p只并联的电容元件，其中，N为大于或等于1的自然数，p为大于1的自然数，s为大于1的自然数，其特征在于，所述不平衡电流保护系统包括：

相对差值获取模块601，用于获取两个支路之间的不平衡电流相对于所述电容器组的穿越电流的相对电流差值

第一整定值计算模块602，用于根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm，计算第一整定值S₁：

$S_1=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{2+k_{norm}});$

第一跳闸模块603，用于当检测到T≥S₁，则控制所述电容器组的保护装置跳闸。

在本实施例中，还包括：

第二整定值计算模块604，用于根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm,各支路串联电容器单元数量N，单元电容器内部的串联组件数s，计算第二整定值S₂：

$S_2=min(\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+2{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}})\×sN;$

突变量第一检测模块605，获取所述相对差值T在t-1时刻到t时刻的突变量如果所述ΔT满足k＝0.85～0.95，则计算串联组件短路的累计数量：D^(t)＝D^(t-1)+int[ΔT×(2sN-1)+0.5]，其中int是取整数计算；D^(t)的初始值D⁽⁰⁾＝0；

第二跳闸模块606，用于当D^(t)的累计值D^(t)≥S₂时，经过预设的延时时间之后，保护装置启动所述电容器组的保护装置跳闸。

在本实施例中，还包括：

第三整定值计算模块607，用于根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、各支路串联电容器单元数量N、单元电容器内部的串联组件数s、组件内部的并联元件数p，电容元件允许的极限过电压增量相对于额定电压的倍数k_e，计算第三整定值S₃：

$S_3=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C+k_e}{1+k_e}\×2p,\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e}\×psN);$

突变量第二检测模块608，用于获取所述相对差值T在t-1时刻到t时刻的突变量如果所述ΔT满足k＝0.85～0.95，则计算电容元件开路的累计数：E^(t)＝E^(t-1)+int{ΔT×[2(p-1)sN+1]+0.5}，其中int是取整数计算，E^(t)的初始值E⁽⁰⁾＝0；

第三跳闸模块609，用于当E^(t)的累计值E^(t)≥S₃时，经过预设的延时时间之后，保护装置启动所述电容器组的保护装置跳闸。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法，所述电容器组包括两个并联支路，每个所述支路包括N只电容器单元串联构成，每只所述电容器单元内部包括s个组件串联，所述组件包括p只并联的电容元件，其中，N为大于或等于1的自然数，p为大于1的自然数，s为大于1的自然数，其特征在于，所述不平衡电流保护方法包括：

获取两个支路之间的不平衡电流相对于所述电容器组的穿越电流的相对电流差值

根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm，计算第一整定值S₁：

$S_1=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{2+k_{norm}});$

当检测到T≥S₁，则保护装置控制所述电容器组跳闸。

2.根据权利要求1所述的带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法，其特征在于，还包括：

根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm,各支路串联电容器单元数量N，单元电容器内部的串联组件数s，计算第二整定值S₂：

$S_2=min(\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+2{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}})\×sN;$

获取所述相对电流差值T在t-1时刻到t时刻的突变量如果所述ΔT满足k＝0.85～0.95，则计算串联组件短路的累计数量：D^(t)＝D^(t-1)+int[ΔT×(2sN-1)+0.5]，其中int是取整数计算；D^(t)的初始值D⁽⁰⁾＝0；

当D^(t)的累计值D^(t)≥S₂时，经过预设的延时时间之后，保护装置启动所述电容器组跳闸。

3.根据权利要求1所述的带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护方法，其特征在于，还包括：

根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的极限过电压增量相对于额定电压的倍数k_e，各支路串联电容器单元数量N，单元电容器内部的串联组件数s，组件内部的并联元件数p，计算第三整定值S₃：

$S_3=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C+k_e}{1+k_e}\×2p,\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e}\×psN);$

获取所述相对电流差值T在t-1时刻到t时刻的突变量如果所述ΔT满足k＝0.85～0.95，则计算电容元件开路的累计数：E^(t)＝E^(t-1)+int{ΔT×[2(p-1)sN+1]+0.5}，其中int是取整数计算，E^(t)的初始值E⁽⁰⁾＝0；

当E^(t)的累计值E^(t)≥S₃时，经过预设的延时时间之后，保护装置启动所述电容器组跳闸。

4.一种带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护系统，所述电容器组包括两个并联支路，每个所述支路包括N只电容器单元串联构成，每只所述电容器单元内部包括s个组件串联，所述组件包括p只并联的电容元件，其中，N为大于或等于1的自然数，p为大于1的自然数，s为大于1的自然数，其特征在于，所述不平衡电流保护系统包括：

相对电流差值获取模块，用于获取两个支路之间的不平衡电流相对于所述电容器组的穿越电流的相对电流差值

第一整定值计算模块，用于根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm，计算第一整定值S₁：

$S_1=min(\frac{{\mathrm{\δ}}_C}{1+{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{2+k_{norm}});$

第一跳闸模块，用于当检测到T≥S₁，则保护装置控制所述电容器组跳闸。

5.根据权利要求4所述的带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护系统，其特征在于，还包括：

第二整定值计算模块，用于根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的正常过电压增量相对于额定电压的倍数k_norm，各支路串联电容器单元数量N，单元电容器内部的串联组件数s，计算第二整定值S₂：

$S_2=\min (\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+2{\mathrm{\δ}}_C},\frac{k_{norm}}{1+k_{norm}})\×sN;$

突变量第一检测模块，获取所述相对电流差值T在t-1时刻到t时刻的突变量如果所述ΔT满足k＝0.85～0.95，则计算串联组件短路的累计数量：D^(t)＝D^(t-1)+int[ΔT×(2sN-1)+0.5]，其中int是取整数计算；D^(t)的初始值D⁽⁰⁾＝0；

第二跳闸模块，当D^(t)的累计值D^(t)≥S₂时，经过预设的延时时间之后，保护装置启动所述电容器组跳闸。

6.根据权利要求4所述的带内熔丝的∏型接线电容器组的不平衡电流保护系统，其特征在于，还包括：

第三整定值计算模块，用于根据所述电容器组的电容量的最大允许偏差δ_C、电容元件允许的极限过电压增量相对于额定电压的倍数k_e，各支路串联电容器单元数量N，单元电容器内部的串联组件数s，组件内部的并联元件数p，计算第三整定值S₃：

$S_3=\min \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_C+k_e}{1+k_e}\×2p,\frac{2{\mathrm{\δ}}_C}{1+k_e}\×psN\right);$

突变量第二检测模块，用于获取所述相对电流差值T在t-1时刻到t时刻的突变量如果所述ΔT满足k＝0.85～0.95，则计算电容元件开路的累计数：E^(t)＝E^(t-1)+int{ΔT×[2(p-1)sN+1]+0.5}，其中int是取整数计算，E^(t)的初始值E⁽⁰⁾＝0；

第三跳闸模块，用于当E^(t)的累计值E^(t)≥S₃时，经过预设的延时时间之后，保护装置启动所述电容器组的保护装置跳闸。