CN110174585B - 一种双调谐交流滤波器的高压电容器断路故障的识别方法 - Google Patents

一种双调谐交流滤波器的高压电容器断路故障的识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双调谐交流滤波器的高压电容器断路故障的识别方法，其主要步骤为：采集双调谐交流滤波器高压电容器内部不平衡桥上的不平衡电流与不平衡桥对地电压，计算出不平衡无功功率；若不平衡无功功率大于阈值，表明此高压电容器发生了断路故障；若不平衡无功功率小于阈值，则表明高压电容器未发生断路故障。该方法以不平衡无功作为识别判据，识别高压电容器的断路故障；其识别准确、可靠，能为交流滤波器高压电容器提供可靠保护；不受系统运行方式、电压等级变化的影响，适用于所有采用双调谐交流滤波器的高压直流输电系统。

Description

一种双调谐交流滤波器的高压电容器断路故障的识别方法
技术领域
本发明涉及一种用于高压直流输电系统中的双调谐交流滤波器 的高压电容器断路故障识别方法。
背景技术
目前，高压直流输电技术因其可以远距离、大容量输电等优点已 经在我国的输电工程中得到广泛运用。高压直流输电时需在传输的前 端将交流转换成直流，在传输的后端将直流转换成交流。交流、直流 的转换装置称为换流装置，换流装置在运行过程中，会在其交流侧产 生谐波并消耗系统的无功。故在换流装置的交流侧安装有交流滤波器 用以滤除谐波并向系统提供无功。而双调谐交流滤波器因其可以同时 调谐于两个特定频率,经济高效，被广泛运用于高压直流输电工程中。 由于交流滤波器直接与交流母线相连接，其高压电容器承受了来自母 线的绝大部分电压，极易因过压形成击穿损坏，损坏后不仅会影响整个交流滤波器的正常工作，甚至会威胁到整个输电系统的安全稳定运 行。所以，对交流滤波器的高压电容器，配置单独的保护具有重大意 义。
目前对高压电容器的保护主要为不平衡保护，其原理和做法是： 高压电容器采用H型接线方式，共有四个桥臂，每个桥臂由多个电 容器构成的电容单元组成，左、右桥臂间的不平衡桥上安装有不平衡 电流互感器，当高压电容器正常运行时，桥臂间的参数平衡，流过不 平衡电流互感器的电流为零。当高压电容器的任一电容单元有电容器
发生断路故障，则不平衡电流互感器上有明显的电流(不平衡电流) 流过。进而有两种判定方法：1、桥差过流保护：如不平衡电流大于 阈值，则判定高压电容器存在故障。2、比值不平衡保护：不平衡电 流与流过整个交流滤波器的穿越电流的比值超过阈值，则判定高压电 容器存在故障。实际运行工程经验和研究均表明，由于不平衡电流的 数值小，容易产生漏判，不能可靠保护系统的稳定安全运行；同时系 统功率的突然变化、直流系统的扰动、交流系统重合闸等干扰均会产 生大的不平衡电流，也会导致误判、误动，误判率高；进而降低了高 压直流输电的效率、提高了高压直流输电的运维成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种双调谐交流滤波器的高压电容器断路 故障的识别方法，该方法能灵敏、准确、可靠的识别出交流滤波器高 压电容器断路故障；既能保证系统的安全稳定运行，又能提高高压直 流输电的效率、降低系统的运行维护成本。
本发明为实现其发明目的所采用的技术方案为，一种双调谐交流 滤波器的高压电容器断路故障的识别方法，其步骤为：
A、数据采集
测量装置以10kHz的采样频率实时采集：安装于高压电容器的 不平衡桥上的电流互感器CT1中的电流、即不平衡电流ip(t)，安装于 不平衡桥上的电压互感器VT1中的电压即不平衡桥对地电压vp(t)， 其中t为采样时刻；
B、数据预处理
系统的继电保护装置将测量装置采集的不平衡电流ip(t)进行全 波傅里叶变化，得到基波频率ω0下的不平衡电流基波分量幅值Ip(t)， 不平衡电流基波分量相角θi(t)；
系统的继电保护装置将测量装置采集的不平衡桥对地电压vp(t) 进行全波傅里叶变化提取出：不平衡桥对地电压基波分量幅值Vp(t)、 不平衡桥对地电压基波分量相角θv(t)；
C、计算不平衡无功功率
系统的继电保护装置将不平衡桥对地电压基波分量相角θv(t)与 不平衡电流基波分量相角θi(t)相减，得到平衡桥上的功率因数角
Figure BDA0002086278600000031
Figure BDA0002086278600000032
再由下式计算出不平衡无功功率Qp(t)，
Figure BDA0002086278600000033
D、故障识别
系统的继电保护装置将不平衡无功功率Qp(t)的绝对值|Qp(t)|与设 定的阈值Qset进行比较，若|Qp(t)|＞Qset，则判定交流滤波器的高压电 容器发生断路故障；否则，判定高压电容器未发生断路故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、故障识别灵敏度高：交流滤波器在工作时不断的向系统提供 无功功率，维持着系统的无功功率平衡。当高压电容器未发生故障时， 其不平衡桥上没有不平衡无功功率；当交流滤波器的高压电容器发生 故障后，内部对称结构发生改变，不平衡桥上产生无功功率。因此， 当不平衡无功功率大于阈值时，即可以判断出高压电容器存在断路故 障。由于不平衡无功功率的变化值远大于不平衡电流，因此本发明方 法的灵敏度高，不易产生拒动。同时，高压电容器发生断路故障的原 因均是过压而不是过流，不平衡无功功率是不平衡电流与不平衡桥对 地电压的乘积；较之单纯的不平衡电流判据，本发明的不平衡无功功 率判据与高压电容器断路故障的因果关系更直接、更紧密；因此，其 故障判断的准确率更高，误判率和漏判率均降低。从而既保证了系统 的安全稳定，又降低了系统的运行成本。
二、通用性强：本发明不受高压直流输电系统的运行方式、电压 等级变化的影响，适用于高压直流输电系统中所有的双调谐交流滤波 器高压电容器的保护。
进一步，本发明的双调谐交流滤波器高压电容器断路故障的识别 方法，其特征在于：所述的步骤D中设定的阈值Qset由下式确定：
Figure BDA0002086278600000041
其中，N为高压电容器中并联电容器组中的电容器的个数，M为 高压电容器中并联电容器组的组数，C0为高压电容器中并联电容器组 中的每个电容器的电容值。U1为与高压电容器相连的交流母线的交 流电压幅值，m为并联电容器组中发生故障的电容器个数的保护阈值， m由公式
Figure BDA0002086278600000042
确定。
本发明的无功功率保护阈值Qset的推导过程如下：
1)高压电容器为H型结构，由左上、左下、右上、右下四个桥 臂及连接左、右桥臂的不平衡桥构成。其每个桥臂为一个M串N并 的电容单元(先由N个相同的电容器并联构成一个并联电容器组， 再将M个相同的并联电容器组串联成一个电容单元)构成。未发生 故障的桥臂的总电容值
Figure BDA0002086278600000051
发生断路故障的桥臂的总电容值
Figure BDA0002086278600000052
其中，C0为并联电容器组中的单个电容器的 电容值；x为发生断路故障的桥臂中，发生断路故障的并联电容器组 中的断路故障电容器个数；
2)根据M串N并电容器单元的结构可以得出：发生断路故障的 桥臂中发生断路故障的并联电容器组中，其他正常的电容器的过电压 倍数为
Figure BDA0002086278600000053
通常电容器的耐受电压为正常电压的1.3 倍，当非故障电容的过电压倍数达到正常运行电压的1.3倍时，整个 发生断路故障的并联电容器组，均会相继迅速发生断路故障。
故令
Figure BDA0002086278600000054
求出的已发生故障的电容器的个数 x，即为并联电容器组中发生故障的电容器个数的保护阈值m，
Figure BDA0002086278600000055
3)将高压电容器单个桥臂最大耐受故障电容器个数阈值m代入 到故障桥臂的总电容值Cf中得到故障桥臂相继迅速发生断路故障的 临界等效电容值Cf1，
Figure BDA0002086278600000056
4)根据故障桥臂相继迅速发生断路故障的临界等效电容值Cf1， 高压电容器单个桥臂最大耐受故障电容器个数阈值m和正常桥臂的 总电容值C，再结合不平衡电流与不平衡桥对地电压的公式，即可计 算出故障桥臂相继迅速发生断路故障的临界不平衡无功功率值，也即 不平衡无功功率的阈值Qset，
Figure BDA0002086278600000061
由此可见，本发明的不平衡无功功率阈值恰好就是故障桥臂对应 于高压电容器的电压最大耐受程度时的临界不平衡无功功率值。这样， 既避免了阈值设置低、误判率高，又避免了阈值设置高漏判率高的缺 陷，其故障判断既灵敏又可靠准确。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明的双调谐交流滤波器的电路结构示意图，上部的虚 线框内为高压电容器的电路结构示意图。
图2为本发明仿真实验中工况1中情况a的不平衡无功功率。
图3为本发明仿真实验中工况1中情况b的不平衡无功功率。
图4为本发明仿真实验中工况2中情况a的不平衡无功功率。
图5为本发明仿真实验中工况2中情况b的不平衡无功功率。
图6为本发明仿真实验中工况3不平衡无功功率。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种双调谐交流滤波器的高压电 容器断路故障的识别方法，其步骤为：
A、数据采集
测量装置以10kHz的采样频率实时采集：安装于高压电容器的 不平衡桥上的电流互感器CT1中的电流、即不平衡电流ip(t)，安装于 不平衡桥上的电压互感器VT1中的电压即不平衡桥对地电压vp(t)， 其中t为采样时刻；
B、数据预处理
系统的继电保护装置将测量装置采集的不平衡电流ip(t)进行全 波傅里叶变化，得到基波频率ω0下的不平衡电流基波分量幅值Ip(t)， 不平衡电流基波分量相角θi(t)；
系统的继电保护装置将测量装置采集的不平衡桥对地电压vp(t) 进行全波傅里叶变化提取出：不平衡桥对地电压基波分量幅值Vp(t)、 不平衡桥对地电压基波分量相角θv(t)；
C、计算不平衡无功功率
系统的继电保护装置将不平衡桥对地电压基波分量相角θv(t)与 不平衡电流基波分量相角θi(t)相减，得到平衡桥臂上的功率因数角
Figure BDA0002086278600000071
再由下式计算出不平衡无功功率Qp(t)，
Figure BDA0002086278600000072
D、故障识别
系统的继电保护装置将不平衡无功功率Qp(t)的绝对值|Qp(t)|与设 定的阈值Qset进行比较，若|Qp(t)|＞Qset，则判定交流滤波器的高压电 容器发生断路故障；否则，判定高压电容器未发生断路故障。
本例的双调谐交流滤波器高压电容器断路故障的识别方法，其特 征在于：所述的步骤D中设定的阈值Qset由下式确定：
Figure BDA0002086278600000073
其中，N为高压电容器中并联电容器组中的电容器的个数，M为 高压电容器中并联电容器组的组数，C0为高压电容器中并联电容器组 中的每个电容器的电容值。U1为与高压电容器相连的交流母线的交 流电压幅值，m为并联电容器组中发生故障的电容器个数的保护阈值， m由公式
Figure BDA0002086278600000081
确定。
下面通过仿真实验对本发明进行验证。
仿真实验
采用PSCAD/EMTDC仿真平台软件，借助实际工程中的11/13 次双调谐交流滤波器的具体参数，在CIGRE模型的交流侧搭建双调 谐交流滤波器进行验证。
仿真实验中的双调谐交流滤波器的结构由图1所示。其高压电容 器采用H型桥式结构。各桥臂电容单元的符号为：左上桥臂电容单 元C11、右上桥臂电容单元C12、左下桥臂电容单元C13、右下桥臂电 容单元C14。每个桥臂电容单元由3串16并的电容器构成。不平衡电 流互感器CT1及不平衡桥对地电压互感器VT1的一端接于左上桥臂 电容单元C11、左下桥臂电容单元C13之间，另一端接于右上桥臂电 容单元C12、右下桥臂电容单元C14之间。
双调谐滤波器的主要器件参数如下表：
Figure BDA0002086278600000082
Figure BDA0002086278600000091
根据以上参数可以计算出，交流滤波器的调谐频率为550Hz和 750Hz；并联电容器组中发生故障的电容器个数的保护阈值m＝4。不 平衡无功功率的阈值Qset＝0.855Mvar。
通过仿真三种不同的工况，验证保护方法的可行性。
1)高压电容器左上桥臂电容单元C11，在1s时发生断路故障
a：故障电容器的个数为3。
本发明方法得出，此时不平衡桥无功功率如图2所示。在1.05s 时不平衡无功功率达到最大值0.80Mvar，小于阈值0.855Mvar，高压 电容器可以带病工作，判定高压电容器未发生断路故障。
b:故障电容单元数为4。
本发明方法得出，此时不平衡桥无功功率如图3所示。在1.05s 时不平衡无功功率达到最大值1.132Mvar，大于阈值0.855Mvar，故 障并联电容器组中的所有电容器将相继迅速全部发生故障，判定高压 电容器发生断路故障。
2)高压电容器左下桥臂C13电容组在1s时发生断路故障
a:故障电容单元数为3。
本发明方法测出，此时不平衡桥无功功率如图4所示。在1.05s 时不平衡无功功率绝对值的最大值为0.830Mvar，小于阈值0.855Mvar， 高压电容器可以带病工作，判定高压电容器未发生断路故障。
b:故障电容单元数为4。
本发明方法测出此时不平衡桥无功功率如图5所示。在1.05s时 不平衡无功功率绝对值的最大值为1.18Mvar，大于阈值0.855Mvar， 故障并联电容器组中的所有电容器将相继迅速全部发生故障，判定高 压电容器发生断路故障。
3)高压电容器外部发生断路故障。
本发明方法测得，不平衡无功功率如图6所示，不平衡无功功率 变化很小，在1.05s时不平衡无功功率达到最大，也仅为0.9×10-13Mvar， 远小于阈值0.855Mvar，判定高压电容器未发生断路故障。
综上可知，本发明保护方法能可靠、快速的识别高压电容器的断 路故障。

Claims (2)

1.一种双调谐交流滤波器的高压电容器断路故障的识别方法，其步骤为：
A、数据采集
测量装置以10kHz的采样频率实时采集：安装于高压电容器的不平衡桥上的电流互感器CT1中的电流即不平衡电流ip(t)；安装于不平衡桥上的电压互感器VT1中的电压即不平衡桥对地电压vp(t)；其中t为采样时刻；
B、数据预处理
系统的继电保护装置将测量装置采集的不平衡电流ip(t)进行全波傅里叶变化，得到基波频率ω0下的不平衡电流基波分量幅值Ip(t)，不平衡电流基波分量相角θi(t)；
系统的继电保护装置将测量装置采集的不平衡桥对地电压vp(t)进行全波傅里叶变化提取出：不平衡桥对地电压基波分量幅值Vp(t)、不平衡桥对地电压基波分量相角θv(t)；
C、计算不平衡无功功率
系统的继电保护装置将不平衡桥对地电压基波分量相角θv(t)与不平衡电流基波分量相角θi(t)相减，得到平衡桥上的功率因数角
Figure FDA0002392172720000011
Figure FDA0002392172720000012
再由下式计算出不平衡无功功率Qp(t)，
Figure FDA0002392172720000013
D、故障识别
系统的继电保护装置将不平衡无功功率Qp(t)的绝对值|Qp(t)|与设定的阈值Qset进行比较，若|Qp(t)|＞Qset，则判定交流滤波器的高压电容器发生断路故障；否则，判定高压电容器未发生断路故障。
2.如权利要求1所述的一种双调谐交流滤波器的高压电容器断路故障的识别方法，其特征在于：所述的步骤D中设定的阈值Qset由下式确定：
Figure FDA0002392172720000021
其中，N为高压电容器中并联电容器组中的电容器的个数，M为高压电容器中并联电容器组的组数，C0为高压电容器中并联电容器组中的每个电容器的电容值，U1为与高压电容器相连的交流母线的交流电压幅值，m为并联电容器组中发生故障的电容器个数的保护阈值，m由公式
Figure FDA0002392172720000022
确定。
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