CN1786721A - 双y接线电力电容器组在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明为双Y接线电力电容器组在线检测系统，三个分支上的电容器1YA、1YB、1YC组成第一Y形组，另外三个分支上的电容器2YA、2YB、2YC组成第二Y形组，第一、二Y形组的引出端接三相交流电力系统的A相、B相、C相，第一，二Y形组的中性点N1、N2连接形成中性线，包括：与A相、B相、C相连接的三个电压互感器PT，串联接入中性线的电流互感器CT，三个电压变换器，电流变换器，模拟滤波器，A/D转换器，富氏变换单元，第一矢量计算单元，第二矢量计算单元，第三矢量计算单元，第四矢量计算单元，数据堆栈单元：第五矢量计算单元，故障判别单元，故障分支判别单元，报警驱动单元，显示驱动单元，人机交换单元。

Description

双Y接线电力电容器组在线检测系统

技术领域：

本发明与电力电容器组的轻微故障在线检测系统有关。

背景技术：

电力电容器可用于电力系统无功补偿，是一类重要电力设备。由于设计、制造、运行老化等原因，电力电容器会发生故障，严重故障会导致电容器外壳爆炸并扩大故事范围，对电力的可靠供应造成威胁。

目前用于保护电力电容器的方法主要有反应于故障电流的保护继电器和金属熔丝。这些保护不能动作于电容器内部的如下轻微故障：

(1)组成双Y接线电容器组的单体电容器采用内熔丝时，电容器组中任一单体电容器内的任一电容元件发生一根熔丝熔断的故障；

(2)组成双Y接线电容器组的单体电容器采用外熔丝时，电容器组中任一单体电容器内部发生一段击穿故障。

发明专利公开号CN2498614也是为检测运行中的电力电容器组内部故障而制成的在线检测装置。

该装置利用电压传感器、电流传感器、温度传感器、传输传感器信号的信息传输系统以及对电流异常、温度异常进行判断的中心处理装置组成。

电力电容器组可能由上百只电容器单元(每一电容器单元均有一个金属外壳，内部有数十只电容元件串、并联)组成，为检测这些电容器单元的故障需要大量电压传感器、电流传感器和温度传感器，所需信号传输系统也十分复杂。庞大的信号采集系统使此在线检测系统难以获得高可靠性，较高的成本也使此项技术难以获得广泛使用。

发明的内容：

本发明的目的是提供一种结构简单，成本低廉，使用方便、检测灵敏度高、可靠性高的双Y接线电力电容器组故障在线检测系统。

本发明是这样实现的：

本发明为用于双Y接线电力电容器组的在线检测系统，三个分支上的电容器1YA、1YB、1YC组成第一Y形组，另外三个分支上的电容器2YA、2YB、2YC组成第二Y形组，第一、二Y形组的引出端接三相交流电力系统的A相、B相、C相，第一，二Y形组的中性点N1、N2连接形成中性线，包括：

与A相、B相、C相连接的三个电压互感器PT，将三相高电压信号ua、ub、uc变成低电压信号ua’、ub’、uc’；

串联接入中性线的电流互感器CT，将大电流信号变成小电流信号；

三个电压变换器，将三个低电压信号变成三个弱电信号；

电流变换器，将小电流信号变成弱电信号；

模拟滤波器，滤除弱电信号中的高次谐波和干扰信号，

A/D转换器，将模拟弱电信号转换成数字信号；

富氏变换单元，利用全波富氏变换，根据A/D变换器获得的k时刻电压信号瞬时值ua(k)、ub(k)、uc(k)计算出K时刻三相电压矢量Ua(k)，Ub(k)、Uc(k)，利用全波富氏变换由电流信号瞬时值i_bph(k)计算得到中性线电流矢量值I_bph(k)；

第一矢量计算单元，由三相电压矢量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)计算出k时刻正序电压矢量值U1(k)，负序电压矢量值U2(k)。

第二矢量计算单元，利用正序电压矢量值U1(k)和中性线电流矢量值I_bph(k)计算不平衡电容矢量值C_CL(k)；

第三矢量计算单元，利用不平衡电容矢量值C_CL(k)计算电容矢量值C_CL(k)的镜像值C_jx(k)；

第四矢量计算单元，利用不平衡电容矢量值、正负序电压矢量值、不平衡电容矢量值的镜像值计算带镜像补偿的不平衡电容矢量值C_bph(k)；

数据堆栈单元：存储经过上述单元获得的“k”时刻和“k-T”时刻的带镜像补偿的不平衡电容矢量值C_pbh；

第五矢量计算单元，计算“k”时刻和“k-T”时刻带镜像补偿的不平衡电容矢量的变化量C_bh(k)，

故障判别单元，将带镜像补偿的不平衡电容矢量的变化量C_bh(k)与门槛值C_Set进行比较，如C_bh(k)小于或等于门槛值C_set则电容器组无故障，不给出报警信号；当C_bh(k)＞C_Set则判为有内部故障，输出报警信号；

故障分支判别单元，如带镜相补偿的不平衡电容矢量变化量的相角0°＜α＜60°，判为1YC故障；60°＜α＜120°，判为2YB故障；120°＜α＜180°，判为1YB故障；180°＜α＜240°，判为2YC故障；240°＜α＜300°，判为1YA故障；300°＜α＜360°，判为2YB故障；

报警驱动单元，根据输出的报警信号驱动报警器；

显示驱动单元，根据输出的显示信号驱动显示器；

人机交换单元，通过键盘和显示屏实现参数设置和状态检查。

分支上的电容器由多支单体电力电容器组成，每只单体电力电容器由多只电容元件串联或/和并联组成。

电力电容器组可用于电力系统无功功率补偿，该类设备称为“无功补偿电力电容器装置”；“双Y接线”是电力电容器的一种接线方法，接线原理如图1所示。

双Y接线电力电容器组由6个分支构成，每个分支可以由数只或数十只单体电方电容器组成，每只单体电力电容器内部由数十只电容元件串、并联组成。

由于制造质量上的原因，各个分支的电容值不等。将各分支电容值与6个分支的平均电容值之间的差值，称为该分支的不平衡电容。

由于电容器组的6个分支位于不同空间位置，当以加在电容器组上的正序电压作为参考基准时，电容器组的不平衡电容可以视为一个空间矢量，即双Y接线电容器组的不平衡电容表现为空间矢量形式。

当电容值的不平衡仅存在于一个分支时，电容器组的“不平衡电容矢量”与该分支不平衡电容矢量一致；当多个分支存在不平衡电容时，“不平衡电容矢量”是各分支不平衡电容矢量综合作用的结果。

“不平衡电容变化量”也是一个矢量。当电容器结构和故障类型确定时，“不平衡电容变化量矢量”是一个确定的矢量，包含故障强度和故障分支信息。

首先“双Y”接线电容器组的接线在空间形成两个“Y”形分支。

其次，“双Y”电容器组工作于三相交流电力系统，三相交流工频电压可以用正序矢量、负序矢量、零序矢量表达。

本发明的一个要点是：巧妙的使空间矢量与工频电气矢量发生关系。

本发明以加于“双Y”电容器组引出线端的三相电压的正序分量为基准向量，检测不平衡电流变化量矢量的相对方向。故障分支不同，不平衡电流变化量矢量的方向就不同；当电容器组结构确定时，因内部故障而产生的不平衡电流变化量矢量的方向与故障分支保持一致。

关于故障强度与不平衡电容变化量的关系：

故障强度不同，不平衡电流变化量矢量的大小就不同。故障强度小(例如：一只由16×3(并联个数×串联组数)个电容元件串并联组成的电容器单元内部发生一个元件的熔丝熔断的故障)不平衡电流变化量矢量的模值较小；故障强度大(同样的电容器发生2根熔丝同时熔断的故障)不平衡电流变化量矢量的模值就大。

为使物理概念易于理解，本发明将最终结果表达为不平衡电容变化量矢量值。由于不平衡电容变化量正比于不平衡电流变化量，所以不平衡电容变化量正比于故障强度。

关于故障严重程度的判定：

对于固定结构的电容器组，发生最轻微内部故障时“不平衡电容变化量矢量”的模值是确定的，可以利用仿真或计算的方法确定。在此，将此模值称为ΔC_gz。可取判别门槛C_Set等于0.7*ΔC_gz，当使用本发明的方法检测到的不平衡电容变化量矢量模值大于0.7*ΔC_gz时，判别为发生内部故障。

关于故障分支的判定：

“双Y”接线电容器组有6个分支。当不同分支发生故障时，不平衡电容变化量矢量按“60°电角度”变化，有明确的对应性。

为便于理解上述陈述，结合图表叙述如下：

“图5”给出“双Y”电容器组一个分支中的一个电容器单元的内部元件连接图。

“表1”给出双Y接线一个分支的一只电容器单元内部发生不同程度(强度)故障时，不平衡电容变化量矢量的变化情况。表中数值表明，故障强度不同，不平衡电容变化量矢量模值不同，方向不变。

“表2”和“图6”给出本发明的关于不平衡电容变化量与故障分支的向量对应关系，可见，不同分支故障时，不平衡电容变化量矢量呈60度电角度变化。当故障强度加大时，此向量关系保持不变。

表1 1YC第4只电容器内部发生熔丝熔断故障

熔丝熔断数	1	2	3	固有不平衡
					实测不平衡电容变化量矢量(uf)	0.522+j0.29|m|＝0.59	1.092+j0.604|m|＝1.248	1.71+j0.97|m|＝1.966	1YB：5uf

表2 10kV无功补偿电容器装置发生轻微故障时不平衡电容变化量

故障形式	无故障	1Ya_1	1Yb_1	1Yc_1	2Ya_1	2Yb_1	2Yc_1
								不平衡电容变化量矢量	0+j0	0.0～j0.58|m|＝0.58	-0.5+j0.30|m|＝0.58	0.50+j0.29|m|＝0.58	0.0+j0.59|m|＝0.59	0.51_j0.31|m|＝0.60	-0.52-j0.31|m|＝0.60

本发明通过检测不平衡电容矢量的变化量，检测“双Y接线电容器组”内部轻微故障。检测结果可用于“电容器组轻微故障报警”，也可用于判断电容器组故障的严重程度以便进行寿命诊断以及帮助查找故障电容器单元。

本发明结构简单，成本低廉，使用方便，检测灵敏度高、可靠性高。

附图说明：

图1为本发明的双Y接线电容器组的联结示意图。

图2为本发明的系统框图。

图3为本发明的计算单元框图。

图4为本发明的检测流程图。

图5为电容器单元内部联结示意图。

图6为10KV电容器组1根熔丝熔断后的不平衡电容变化量矢量图。

具体实施方式：

运用于三相交流电网的“双Y接线”电容器组接线见图1。

图中1YA、1YB、1YC组成“双Y”接线电容器组的第一个“Y”形组，其中性点记为“N1”；2YA、2YB、2YC组成“双Y”接线电容器组的第二个“Y”形组，其中性点记为“N2”。

两个“Y”形组的中性点“N1”和“N2”连接形成中性线，在中性线中串联接入中性线电流互感器，流过中性线电流互感器的电流记作i_bph。“双Y”接线电容器组的引出端接入三相交流电力系统的A相、B相和C相，加在“双Y接线电容器组的三相交流电压记为：ua、ub、uc。

图2中各功能框的作用：

PT：三只电压互感器，将高电压信号ua、ub、uc变成低电压信号ua’、ub’、uc’。

CT：电流互感器，将大电流信号i_bph变成小电流信号i_bph’。

电压变换器：三只电压变换器将电压信号ua’、ub’、uc’变换成弱电信号。

高精度电流变换器：将电流信号i_bph’变换成弱电信号。

模拟滤波器：滤除弱电信号中的高次谐波和干扰信号。

A/D：将模拟信号转换成数字信号。

人机交换：由键盘和液晶显示器组成，用于实现装置参数设置及状态检查。

计算单元：由具有数值计算能力的数字处理单元组成，主要用于实现“带镜像补偿的不平衡电容变化量算法”。

故障信息显示：在装置的液晶显示器显示“不平衡电容变化量”测量结果。

故障报警：用于发出“双Y接线电容器组发生轻微内部故障”报警信号；报警信号可以是继电器接点信号，也可以是传至远方的报文。

“计算单元”的计算流程见图4。

图4中圆括弧内符号“k”和“k-T”表示信号的时间序列。

图中各模块功能如下：

F1模块：利用全波富氏变换，根据A/D变换获得的“k时刻”电压信号瞬时值ua(k)、ub(k)、uc(k)计算出“k时刻”三相电压矢量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)。

该模块还利用全波富氏变换由电流信号瞬时值i_bph(k)计算得到中性线电流矢量值I_bph(k)。

F2模块：由三相电压矢量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)计算出“k时刻”

正序电压矢量值U1(k)、负序电压矢量值U2(k)。

其中：U₁(K)＝1/3[ua(K)+a×ub(K)+a×a×uc(K)]，

      U₂(K)＝1/3[ua(K)+a×a×ub(K)+a×uc(K)]，

      试中：a是逆时针旋转120度的单位矢量。

F3模块：用于计算“双Y接线电容器组不平衡电容矢量”值C_cL(k)。

F4模块：用于计算C_cL(k)的镜像值C_jx(k)。

F5模块：用于计算“带镜像补偿的双Y接线电容器组不平衡电容矢量”。

F6模块：数据堆栈，用于存储“k”时刻至“k-T”时刻“带镜像补偿的双Y接线电容器组不平衡电容矢量”计算结果，数据用于后续计算。

F7模块：用于计算“带镜像补偿的不平衡电容变化量矢量”。

F8、F9：“C_set”是用于判断电容器组是否发生内部故障的门槛值。若电容器组无内部故障，C_bh(k)幅值为“零”；当C_bh(k)＞C_set，判断为电容器组发生内部故障，装置利用继电器接点发就地报警信号，也可利用远传报文向远方监控中心报警。

在此，不平衡电容变化量矢量的模值一词与数学(复数)意义上的“模值”定义保持一致。举1例说明计算方法：

在表2中，有“不平衡电容变化量矢量-0.5+j0.30”。按照数学上的定义，该矢量的模是：

    |m|＝[(0.5)²+(0.30)2]^1/2≈0.583

下面举一个简单的具体计算的实例，判断某分支一个电容器元件的熔丝熔断。

表3给出一组判断分析结果。

表3中“无故障状态”给出某一实际电容器组在健全状态下的电压和中线电流。

表3中“1Yc分支一只电容器内部一根熔丝熔断”，给出该故障状态下电压及中线电流“I_bph”矢量，以及利用本发明中的表达式算出的不平衡电容变化量矢量，其中“|m|＝0.59”即是不平衡电容变化量的模值。

表3判断一个双Y电容器组发生内部故障的算例

故障类型	Ua(kV)	Ub(kV)	Uc(kV)		I_bph(A)	不平衡电容变化量矢量
							无故障状态	5.774/-31.33/	5.774/-151.33/	5.774/88.67		1.8091/-59.93
1Yc分支一只电容器内部一根熔丝熔断	5.774/-31.33/	5.774/-151.33/	5.774/88.67		2.1265/-47.438	0.5014+j0.3044|m|＝0.5866
计算过程				计算结果
							常数a：a＝[-0.5+0.866i]；判定故障的不平衡电容变化量门槛：根据电容器组结构，当内部一根熔丝熔断后，不平衡电容变化量矢量的模值为0.59uF，因此判定内部故障的门槛为：C_set＝0.7×0.59＝0.413uF				C_set＝0.7×0.59＝0.413uF
故障前相电压、中线电流：Ua_0＝[4.9321-3.0023i]*1000；Ub_0＝[-5.0661-2.77016i]*1000；Uc_0＝[0.13402+5.7724i]*1000；I_bph_0＝[0.90646-1.56562i]；				Ua_0＝4932.1-3002.3iUb_0＝-5066.1-2770.2iUc_0＝134.02+5772.4iI_bph_0＝0.9065-1.5656i
							求故障前正序电压矢量、负序电压矢量：U1_0＝(Ua_0+a*Ub_0+a*a*Uc_0)/3；U2_0＝(Ua_0+a*a*Ub_0+a*Uc_0)/3				U1_0＝4932.0-3002.2iU2_0＝0.0200-0.0793i
求故障前不平衡电容矢量：C_bph_0＝6366.2*(I_bph_0/U1_0)-C_jx*(U2_0/U1_0)				C_bph_0＝1.7513-0.9549i
							故障后相电压、中线电流：Ua_g＝[4.9321-3.0023i]*1000；Ub_g＝[-5.0661-2.77016i]*1000；Uc_g＝[0.13402+5.7724i]*1000；I_bph_g＝[1.43773-1.5656i]；				Ua_g＝4932.1-3002.3iUb_g＝-5066.1-2770.2iUc_g＝134.02+5772.4iI_bph_g＝1.4377-1.5656i

求故障后正序电压矢量、负序电压矢量：U1_g＝(Ua_g+a*Ub_g+a*a*Uc g)/3U2_g＝(Ua_g+a*a*Ub_g+a*Uc_g)/3	U1_g＝4932.0-3002.2iU2_g＝0.0200-0.0793i
		求故障后不平衡电容矢量：C_bph_g＝6366.2*(I_bph_g/U1_g)-C_jx*(U2_g/U1_g)	C_bph_g＝2.2517-0.6503i
计算故障后不平衡电容矢量变化量：C_bh＝C_bph_g-C_bph_0	C_bh＝0.5004+0.3046i模值：C_bh_m＝0.586(uF)矢量角：α＝31.33(度)
		结论	C_bh_m＝0.5858＞0.413，判为存在内部故障。根据不平衡电容变化量的矢量角，0(度)＜α＜60(度)，判为第1个“Y”联结组的C相故障。

Claims (2)

1、双Y接线电力电容器组在线检测系统，三个分支上的电容器1YA、1YB、1YC组成第一Y形组，另外三个分支上的电容器2YA、2YB、2YC组成第二Y形组，第一、二Y形组的引出端接三相交流电力系统的A相、B相、C相，第一，二Y形组的中性点N1、N2连接形成中性线，其特征在于还包括：

与A相、B相、C相连接的三个电压互感器PT，将三相高电压信号ua、ub、uc变成低电压信号ua’、ub’、uc’；

串联接入中性线的电流互感器CT，将大电流信号变成小电流信号；

三个电压变换器，将三个低电压信号变成三个弱电信号；

电流变换器，将小电流信号变成弱电信号；

模拟滤波器，滤除弱电信号中的高次谐滤和干扰信号，

A/D转换器，将模拟弱电信号转换成数字信号；

富氏变换单元，利用全波富氏变换，根据A/D变换获得的k时刻电压信号瞬时值ua(k)、ub(k)、uc(k)计算出K时刻三相电压矢量Ua(k)，Ub(k)、Uc(k)利用全波富氏变换由电流信号瞬时值i_bph(k)计算得到中性线电流矢量值I_bph(k)；

第一矢量计算单元，由三相电压矢量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)计算出k时刻正序电压矢量值U1(k)，负序电压矢量值U2(k)。

第二矢量计算单元，利用正序电压矢量值U1(k)和中性线电流矢量值I_bph(k)计算不平衡电容矢量值C_CL(k)；

第三矢量计算单元，利用不平衡电容矢量值C_CL(k)计算电容矢量值C_CL(k)的镜像值C_jx(k)；

第四矢量计算单元，利用不平衡电容矢量值、正负序电压矢量值、不平衡电容矢量值的镜像值计算带镜像补偿的不平衡电容矢量值C_bph(k)；

数据堆栈单元：存储经过上述单元获得的“k”时刻和“k-T”时刻的带镜像补偿的不平衡电容矢量值C_pbh；

第五矢量计算单元，计算“k”时刻和“k-T”时刻带镜像补偿的不平衡电容矢量的变化量C_bh(k)；

故障判别单元，将带镜像补偿的不平衡电容矢量的变化量与门槛值进行比较，如C_bh(k)小于或等于门槛值C_set则电容器组无故障，无信号输出，当C_bh(k)＞C_Set判为发生内部故障，输出报警信号；

故障分支判别单元，如带镜相补偿的不平衡电容矢量变化量的相角0°＜α＜60°，判为1YC故障；60°＜α＜120°，判为2YA故障；120°＜α＜180°，判为1YB故障；180＜α＜240°，判为2YC故障；240°＜α＜300°，判为1YA故障；300°＜α＜360°，判为2YB故障；

报警驱动单元，根据输出的报警信号驱动报警器，

显示驱动单元，根据输出的显示信号驱动显示器，

人机交换单元，通过键盘和显示屏实现参数设置和状态检查。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于分支上的电容器由多支单体电力电容器组成，每只单体电力电容器内部由多只电容元件串联或/和并联组成。

Images