CN104659752A - 电容器组的谐波保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容器组的谐波保护装置，包括CPU单元、电流电压采样单元和保护装置；CPU单元获取电容器组上的基波电流有效值I₁和各次谐波有效值I_n后，计算电容器组上的电流真有效值I，当I>1.3I_N时，CPU单元控制保护装置切断电容器组；I_N为电容器组的额定电流。本发明不仅可以实现常规的过流，过压等保护功能，而且实时计算电流和电压中的2～13次谐波，全面提供单次谐波电流，单次谐波电压，全电流，全电压等谐波保护功能，更好地提供电容器组的保护。

Description

电容器组的谐波保护装置

本申请是专利申请号为201010582083.1、申请日期为2010年12月10日、名称为“电容器组的谐波保护方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及电力系统中的电力电容器组的谐波保护装置。

背景技术

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，其中对电容器组的影响尤其严重。主要表现在以下几个方面：加大了电容器组回路的电能损耗；电容器组回路产生谐振；谐波电流放大；缩短电容器组的使用寿命。

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。目前电容器保护一般设置差压、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。提供一种能够实现谐波测量，并在谐波危害较严重时发出告警信号或切断电容器组，从而实现电容器组的谐波保护，以避免电容器组的损坏，防止事故蔓延或扩大的电容器组的谐波保护装置，是本领域要解决的技术难题。

电容器谐波保护的关键在于谐波的密集精确采样、快速准确计算。当前对于谐波计算通常采用离散傅立叶算法（DFT）：

式中X_Rn为第n次谐波分量的实部，X_In为第n次谐波分量的虚部。

  式中N为每基频周期内的采样点数，当n取不同的数值，可求出不同频次谐波分量的实部和虚部。

根据公式：可求得第次谐波的有效值。

一般认为，电容器组的电流真有效值计算公式为：

实际运行中发现，该算法得出的结果往往低于实际的电流有效值，导致保护装置不能及时动作以切断电容器组，进而使故障扩大。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中的难题，提供一种适于实时、准确测量电容器组上的实际电流的有效值的电容器组的谐波保护装置，该保护装置能较准确并及时切断电容器组，有效实现对电容器组的保护。

为解决上述技术问题，本发明提供有电容器组的谐波保护装置包括：CPU单元，与CPU单元相连的用于对电容器组进行电流、电压采样的电流电压采样单元，由CPU单元控制的用于切断电容器组的保护装置。

CPU单元通过电流电压采样单元获取电容器组上的基波电流有效值I₁和各次谐波有效值I_n，其中：n为谐波次数，n的范围为2～∞；然后，根据如下公式计算电容器组上的电流真有效值I：

其中，k_n  =r_n/r₁ ， k_n为n次谐波系数，r_n为电容器组在n次谐波下的功耗等值电阻， r₁为电容器组在基波频率下的功耗等值电阻；r_n和r₁的具体数值，由电容器组的生产厂家提供或通过实验室检测得出；I₁为电容器组上的基波电流有效值；I_n为电容器组上的n次谐波电流有效值；当I＞1.3I_N时，CPU单元控制保护装置切断电容器组；I_N为电容器组的额定电流。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的电容器组的谐波保护装置，根据不同谐波下，电容器、电抗器组阻值的不同，以及公式：

提出在不同次谐波的情况下，电抗器功耗的等值电阻呈现一变化规律，将此理念引入至电容器组谐波保护装置中，其适于在不同次谐波分量的情况下计算电容器组或电抗器组的功耗，并根据《并联电容器装置设计规范》（GB50227－1995）规定要求确定当保护装置采样电流超过额定电流的1.3倍后，保护装置动作切除电容器组或电抗器组。在此基础上，本发明不仅可以实现常规的过流，过压等保护功能，而且实时计算电流和电压中的2～13次谐波，全面提供单次谐波电流，单次谐波电压，全电流，全电压等谐波保护功能，更好地提供电容器组的保护。

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为实施例中电容器组的谐波保护装置的电路结构示意图。

具体实施方式

见图1，本实施例的电容器组的谐波保护装置，包括CPU单元20，与CPU单20相连的通讯接口22、与CPU单20相连的用于对电容器组进行电流、电压采样的电流电压采样单元21，与CPU单20相连的由CPU单20控制的用于切断电容器组的保护装置23、与CPU单元相连的用于检测断路器、隔离刀闸器等位置信息的开关量输入单元24。保护装置包括：与CPU单元相连的继电器，该继电器用于控制断路器及隔离刀闸，以将电容器组从母线上断开。

CPU单元通过电流电压采样单元获取电容器组上的基波电流有效值I₁和各次谐波有效值I_n，其中：n为谐波次数，n的范围为2～∞；然后，根据如下公式计算电容器组上的电流真有效值I：

其中，k_n  =r_n/r₁ ， k_n为n次谐波系数，r_n为电容器组在n次谐波下的功耗等值电阻，r₁为电容器组在基波频率下的功耗等值电阻；为电容器组上的基波电流有效值；I_n为电容器组上的n次谐波电流有效值； 当I＞1.3I_N时，CPU单元控制保护装置切断电容器组；I_N为电容器组的额定电流。

通过对66千伏的电抗器的谐波过载试验发现，在3次谐波时，谐波系数K₃的值就达到了1.218347；在13次谐波时，谐波系数K₁₃的值就达到了3.15，可见常规的含谐波分量的电流真有效值计算误差较大，应当采用本发明的电容器谐波保护的算法，才能准确测量电容器组上的实际电流的有效值，以使保护装置能较准确并及时切断电容器组。

谐波次数n	2	3	4	5	6	7
							kn	1.06548	1.16043	1.28399	1.425691	1.57317	1.73326

谐波次数n	8	9	10	11	12	13
							kn	1.91285	2.10560	2.31538	2.52262	2.76192	3.00258

CPU单元20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（0.8 W at 266 MHz）。MPC8247采用双核结构：一个PowerPC 603e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60x BUS支持64、32、16和8位的器件。

在此基础上，本发明不仅可以实现常规的过流，过压等保护功能，而且实时计算电流和电压中的2～13次谐波，全面提供单次谐波电流，单次谐波电压，全电流，全电压等谐波保护功能，更好地提供电容器组的保护。

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 (1)

1. 一种电容器组的谐波保护装置，其特征在于：包括：

CPU单元；

电流电压采样单元，用于对被保护的电容器组进行电流、电压采样；电流电压采样单元与CPU单元相连；

保护装置，用于切断电容器组；保护装置与CPU单元相连并受CPU单元控制；

所述的CPU单元通过电流电压采样单元获取电容器组上的基波电流有效值I₁和各次谐波有效值I_n，其中：n为谐波次数，n的范围为2～∞；然后，根据如下公式计算电容器组上的电流真有效值I：

其中，k_n  =r_n/r₁ ， k_n为n次谐波系数，r_n为电容器组在n次谐波下的功耗等值电阻，r₁为电容器组在基波频率下的功耗等值电阻；为电容器组上的基波电流有效值；I_n为电容器组上的n次谐波电流有效值；当I＞1.3I_N时，CPU单元控制保护装置切断电容器组；I_N为电容器组的额定电流。