CN108206508A - 一种自适应的并联电容器阻抗保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，包括对电容器端电压、电流进行监测；电容器投运时对电容器初始阻抗进行自动校准；运行时计算电容器实时阻抗，动态周期更新电容器真实阻抗，若电容器实时阻抗与真实阻抗对比，实时阻抗变化量的模的相对值未超过动态更新限制门槛且达到更新周期则更新真实阻抗，若超过动态更新限制门槛则作更新失败告警；若实时阻抗变化量的模的相对值超过设定的保护告警门槛，并延时达到，则发出故障告警；若实时阻抗变化量的模的相对值超过设定的保护跳闸门槛，并延时达到，则保护跳闸出口。本发明适用于电容器及电容器组各种故障情况，整定值计算简单，实现简便，有效提高电容器保护的灵敏度及可靠性。

Description

一种自适应的并联电容器阻抗保护方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护，尤其涉及并联电容器和并联电容器组的监测、保护方法。

背景技术

并联电容器在电力系统中广泛应用，为系统提供无功容量，投切频繁，其安全运行对电力系统安全稳定至关重要。目前我国并联电容器主要保护方法为不平衡保护，不平衡保护是根据电容器组分支对称或者三相对称的原理设计的保护方案，与电容器容量、接线方式、电容器元器件类型密切相关，受其限制，往往不能自如选择，需要改变一二次接线方式或需要增加外围设备，比如单星型电容器组采用相差压保护时，需要增加放电PT的抽头，且要差接放电PT二次侧；再比如H桥型电容器组采用桥差电流保护时，需要在桥臂上增加桥差电流CT。

由于不平衡保护原理的特点，其保护灵敏度及可靠性会受到影响，比如单星型电容器组采用放电PT开口三角电压保护时，其不平衡电压引入了三相放电PT的传递误差，扩大了误差范围，降低了保护精度，在保护定值整定时必须躲过这些起始不平衡值，所以其灵敏度大受影响。然而即使如此也无法避免运行时系统三相电压不对称、谐波等一些因素带来的影响。而且由于不平衡保护原理的特点，必然存在发生对称故障时无法判别故障的死区问题，以双星型电容器组采用中性点不平衡电流保护为例，当两分支上的A相电容器组都发生了一个电容器单元击穿时，双分支各自中性点上产生的不平衡电压是相等的，中性点不平衡电流仍为零，无法感受到故障发生，保护拒动。

当然，有人提出采用电容器容值变化作为电容器监视、保护的方案，电容器作为一个储能元器件，其容值相对固定，不受容量、接线方式、元器件类型影响，无需避免初始不平衡，也不存在死区问题。然而在实际运行中，电容器容值并不是一成不变，其受系统中的高次谐波影响、受外部环境温度、湿度等因素影响，且电容器组作为成套设备，其前端还串联电抗器等其他设备，实际阻抗并不完全等于电容器组容抗，发生故障时不完全是容值变化，也存在阻值变化，某些特定条件下可能容值变化很小，阻值变化很大，所以若采用了容值变化做保护动作判据，实际运用过程中保护灵敏度和可靠性大打折扣。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，实现简便，适应各种工况，针对各种故障情况，有效提高电容器保护精度及可靠性。

为了实现上述方法，本发明采取的技术方案是：

对并联电容器端电压、电流进行监测；电容器投运时对电容器初始阻抗进行自动校准；运行时计算电容器实时阻抗，动态周期更新电容器真实阻抗，若电容器实时阻抗与真实阻抗对比，时阻抗变化量的模的相对值未超过动态更新限制门槛且达到更新周期则更新真实阻抗，若超过动态更新限制门槛则作更新失败告警；若实时阻抗变化量的模的相对值超过设定的保护告警门槛，并延时达到，则发出故障告警；若实时阻抗变化量的模的相对值超过设定的保护跳闸门槛，并延时达到，则保护跳闸出口。

上述方案中，对电容器的端电压、电流进行监测；电容器端电压可以是每相母线电压与电容器中性点电压矢量差，也可以是放电PT端电压，电流可以是电容器每相电流，也可以是电容器每相分支电流矢量和，根据监测的电容器电流、电压计算电容器实时阻抗。

上述方案中，投运时，对电容器初始阻抗进行初始自动校准，其初始阻抗校准方程为：

其中，(P)指A、B、C三相，Z_{init_(p)}为投运时电容器每相初始阻抗，为投运时每相初始电压的基波矢量，为投运时每相初始电流的基波矢量。

进一步地，自动校准的电容器初始阻抗必须满足下列要求：

ε_{inh_(p)}<ε_{set_alm_inh}

其中，ε_{inh_(p)}为投运时初始真实阻抗固有偏差量的模的相对值,ε_{set_alm_inh}为固有偏差量的模的相对值限制定值，根据电容器标称的最大的电容偏差设置，为电容器单相理论额定阻抗，U_n为额定线电压，S_n为额定容量。

进一步地，若满足上述条件则校准成功，将Z_{init_(p)}作为电容器投运时的真实阻抗Z_{real_(p)}，否则校准失败，需重新校准直至校准成功，否则以Z_ideal作为电容器投运时的真实阻抗Z_{real_(p)}。

上述方案中，正常运行时，计算电容器每相实时阻抗及每相实时阻抗变化量的模的相对值，其计算方程为：

其中，Z_{dyn_(p)}为电容器每相实时阻抗，Z_{real_(p)}为电容器每相真实阻抗，为运行时电容器每相实时端电压的基波矢量，为运行时电容器每相实时电流的基波矢量，ε_{dyn_(p)}为每相实时阻抗变化量的模的相对值。

进一步地，投运初始时刻的真实阻抗即为校准后的结果，正常运行时，电容器真实阻抗Z_{real_(p)}周期的用满足条件的实时阻抗Z_{dyn_(p)}更新，更新周期达到且满足更新条件，则认为阻抗变化为正常变化，更新真实阻抗Z_real，否则报更新失败，不更新，其条件为：

ε_{dyn_(p)}<ε_{set_alm_dyn}

max(|ε_{dyn_A}-ε_{dyn_B}|,|ε_{dyn_B}-ε_{dyn_C}|,|ε_{dyn_C}-ε_{dyn_A}|)<ε_{set_ub_dyn}

其中，ε_{set_alm_dyn}为动态更新阻抗变化量的模的相对值限制定值，根据电容器标称的温度系数设置，ε_{set_ub_dyn}为三相动态更新变化量的模的相对值不一致限制定值，根据电容器标称的不一致性设置；

进一步地，考虑非故障情况正常运行时，在短时间内电容器动态变化甚微，动态更新周期T可根据实际情况设置，即：

T＝t_{dyn_set}

其中，t_{dyn_set}为真实阻抗动态更新周期定值，t_{dyn_set}范围为[0h,24h]，当t_{dyn_set}＝0代表实时更新。

上述方案中，故障时，电容器实时阻抗变化量的模的相对值满足保护告警条件，并延时达到，则作保护告警，其保护告警条件为：

ε_{dyn_(p)}>ε_{set_alm}

其中，ε_{set_alm}为阻抗保护告警定值，设置为考虑灵敏度的电容器发生故障时的阻抗变化量的模的相对值。

上述方案中，故障时，电容器实时阻抗变化量的模的相对值满足保护跳闸条件，并延时达到，则作保护跳闸，其保护跳闸条件为：

ε_{dyn_(p)}>ε_{set_trip}

其中，ε_{set_trip}为阻抗保护跳闸定值，设置为考虑灵敏度的电容器熔丝熔断或击穿个数超过允许承受过电压倍数时阻抗变化量的模的相对值。

本发明的有益效果在于：不受电容器容量、接线方式、元器件类型影响，不受系统电压等级、运行方式、电能质量影响，不受监测系统误差、传感设备误差影响，不受电磁环境、天气、温度等外部环境影响，不额外增加一二次设备，不增加一二次接线复杂度，适用于各种运行工况，适用于电容器及电容器组各种故障情况，整定值计算简单，实现简便，有效提高电容器保护的灵敏度及可靠性。

附图说明

图1是本发明应用场景实例示意图；

图2是并联电容器阻抗保护阻抗圆原理图；

图3是本发明实施例的保护流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

以某个35kV电压等级的并联电容器组为例，电容器组型号为TBB 35-12000/200AKW，电容器单元型号BFM 11-200-1W，每相电容器组10并2串，电容器单元额定容量为200Kvar，额定电压为11kV，电容器单元为外熔丝电容器。

如图3所示，一种自适应的并联电容器阻抗保护方法其实施步骤如下：

(1)根据设定的电容器额定容量，额定电压等参数，先预计算电容器理论的定阻抗：

其中，Z_ideal为电容器单相理论额定阻抗，U_n为额定线电压，S_n为额定容量。

(2)设定相关设备参数，保护定值；

根据电容器串并联个数算得电容器单元外熔丝熔断单元个数与健全相单元过电压倍数及每相总阻抗关系如下所示：

当电容器熔丝熔断1根时，健全元件过电压倍数为105.34％，未超过110％所以允许电容器继续运行，发出故障告警提示，当电容器熔丝熔断2根时，健元件过电压倍数为111.11％，应该跳闸，考虑1.5倍灵敏度则设置：

ε_{set_alm}＝5.55/1.5＝3.7

ε_{set_trip}＝(12.62-5.55)/1.5+5.55＝10.26

所以设置保护告警定值及跳闸定值如下：

序号	定值	设置值	单位
				1	告警定值εset_alm	3.7	％
2	跳闸定值εset_trip	10.26	％

根据《GB/T 11024.1-2010标称电压1000V以上交流电力系统用并联电容器第1部分：总则》的相关规定设置定值如下：

序号	定值	设置值	单位
				1	固有偏差限制定值εset_alm_inh	6	％
2	动态更新限制定值εset_alm_dyn	1	％
				3	三相不一致限制定值εset_ub_dyn	1	％
4	更新周期tdyn_set	1	h

(3)对电容器的端电压、电流进行监测；电容器端电压可以是每相母线电压与电容器中性点电压矢量差，也可以是放电PT端电压，电流可以是电容器每相电流，也可以是电容器每相分支电流矢量和，根据监测的电容器电流、电压计算电容器实时阻抗。

(4)投运时，对电容器初始阻抗进行自动校准，初始阻抗校准方程为：

其中，_p指A、B、C三相，Z_{init_(p)}为投运时电容器每相初始阻抗，为投运时每相初始电压的基波矢量，为投运时每相初始电流的基波矢量。

校准的电容器初始阻抗必须满足下列要求：

ε_{inh_(p)}<ε_{set_alm_inh}

其中，ε_{inh_(p)}为投运时初始真实阻抗固有偏差量的模的相对值,ε_{set_alm_inh}为固有偏差量的模的相对值限制定值，即图2中自动校准告警阻抗圆的半径。

若电容器接线正常，传感器精度满足要求，电容器自动校准成功。

(6)然后投入运行，正常运行时，计算电容器每相实时阻抗及实时阻抗相对变化量的模，其计算方程为：

其中，Z_{dyn_(p)}为电容器每相实时阻抗，Z_{real_(p)}为电容器的真实阻抗，为运行时电容器每相实时端电压的基波矢量，为运行时电容器每相实时电流的基波矢量，ε_{dyn_(p)}为每相实时阻抗变化量的模的相对值。

(7)判断电容器是否发生故障，当发电容器实时阻抗满足故障条件，若此时电容器并延时达到，则认为电容器发生故障，保护跳闸，其保护跳闸条件为：

ε_{dyn_(p)}>ε_{set_trip}

其中，ε_{set_trip}为阻抗保护跳闸定值，即图2中保护跳闸阻抗圆的半径。

(6)若电容器未发生故障，正常运行时，统计电容器真实阻抗的更新周期，当更新周期达到时，判断实时阻抗满足更新条件：

ε_{dyn_(p)}<ε_{set_alm_dyn}

max(|ε_{dyn_A}-ε_{dyn_B}|,|ε_{dyn_B}-ε_{dyn_C}|,|ε_{dyn_C}-ε_{dyn_A}|)<ε_{set_ub_dyn}

其中，ε_{set_alm_dyn}为动态更新阻抗变化量的模的相对值限制定值，即图2中动态更新告警阻抗圆的半径，ε_{set_ub_dyn}为三相动态更新变化量的模的相对值不一致限制定值。

若满足更新条件则认为阻抗变化计算正常，更新真实阻抗Z_real，否则不更新并报更新失败。

考虑非故障情况正常运行时，在短时间内电容器动态变化甚微，动态更新周期T可根据实际情况设置，即：

T＝t_{dyn_set}

以上实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围内。

Claims (13)

1.一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于，所述方法包括：

对电容器的端电压、电流进行监测；

电容器投运时对电容器初始阻抗进行自动校准；

运行时计算电容器实时阻抗，动态周期更新电容器真实阻抗；

若电容器实时阻抗与真实阻抗相比，实时阻抗变化量的模的相对值未超过动态更新限制门槛，并且动态更新达到更新周期则更新真实阻抗；若实时阻抗变化量的模的相对值超过动态更新限制门槛则作更新失败告警；

若实时阻抗变化量的模的相对值满足保护告警条件，并延时达到，则作保护告警；

若实时阻抗变化量的模的相对值满足保护跳闸条件，并延时达到，则保护跳闸出口。

2.根据权利要求1所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的对电容器的端电压、电流进行监测；电容器端电压为每相母线电压与电容器中性点电压矢量差，或者为放电PT端电压；电流为电容器每相电流，或者为电容器每相分支电流矢量和。

3.根据权利要求1所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述电容器阻抗保护跳闸条件为，

ε_{dyn_(p)}>ε_{set_trip}；

其中，(p)指A、B、C三相，ε_{dyn_(p)}为电容器故障时刻每相实时阻抗变化量的模的相对值，ε_{set_trip}为阻抗保护跳闸定值。

4.根据权利要求1所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述电容器阻抗保护告警条件为，

ε_{dyn_(p)}>ε_{set_alm}；

其中，(p)指A、B、C三相，ε_{dyn_(p)}为电容器故障时刻每相实时阻抗变化量的模的相对值，ε_{set_alm}为阻抗保护告警定值。

5.根据权利要求3所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的电容器每相实时阻抗变化量的模的相对值计算方程为，

其中，Z_{dyn_(p)}为电容器每相实时阻抗，Z_{real_(p)}为电容器每相真实阻抗。

6.根据权利要求5所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的电容器每相实时阻抗计算方程为，

其中，为运行时电容器每相实时端电压的基波矢量，为运行时电容器每相实时电流的基波矢量。

7.根据权利要求5所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的电容器真实阻抗Z_{real_(p)}用满足要求的实时阻抗周期更新。

8.根据权利要求7所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的电容器真实阻抗的更新周期通过真实阻抗动态更新周期定值设置。

9.根据权利要求7所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的电容器真实阻抗Z_{real_(p)}动态周期更新，必须满足的条件为，

ε_{dyn_(p)}<ε_{set_alm_dyn}；

max(|ε_{dyn_A}-ε_{dyn_B}|,|ε_{dyn_B}-ε_{dyn_C}|,|ε_{dyn_C}-ε_{dyn_A}|)<ε_{set_ub_dyn}；

其中，ε_{set_alm_dyn}为动态更新阻抗变化量的模的相对值限制定值，ε_{set_ub_dyn}为三相动态更新变化量的模的相对值不一致限制定值；

若满足条件则以Z_{dyn_(p)}更新真实阻抗，否则不更新，并作更新失败告警。

10.根据权利要求5所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的电容器真实阻抗Z_{real_(p)}动态周期更新，其更新初始值为投运时自动校准后的真实阻抗；

若自动校准成功，真实阻抗Z_{real_(p)}为投运时电容器每相校准后的初始阻抗Z_{init_(p)}，否则真实阻抗Z_{real_(p)}为电容器单相理论额定阻抗U_n为额定线电压，S_n为额定容量。

11.根据权利要求10所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的投运时对电容器初始阻抗进行自动校准，其初始阻抗校准方程为，

其中，为投运时每相初始电压的基波矢量，为投运时每相初始电流的基波矢量。

12.根据权利要求10所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的投运时对电容器初始阻抗进行自动校准，其校准成功条件为，

ε_{inh_(p)}<ε_{set_alm_inh}；

其中，ε_{inh_(p)}为投运时初始真实阻抗固有偏差量的模的相对值,ε_{set_alm_inh}为固有偏差量的模的相对值限制定值。

13.根据权利要求12所述的一种自适应的并联电容器阻抗保护方法，其特征在于：所述的投运时初始阻抗固有偏差量的模的相对值计算方程为，