電容器組反時(shí)限過電壓保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

施靜輝 ，寇英剛 ，許慶強(qiáng) ，張 琦

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；2.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024）

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，換流設(shè)備和電弧爐等非線性用電設(shè)備在各行各業(yè)中被廣泛地使用。由于這些負(fù)荷在使用中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，造成電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，從而使得電能質(zhì)量下降。因此，現(xiàn)代電網(wǎng)中廣泛使用并聯(lián)電容器組，既能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供無(wú)功功率，又能有效濾除諧波來(lái)改善電能質(zhì)量。

高壓并聯(lián)電容器組保護(hù)裝置的配置與定值計(jì)算方法在標(biāo)準(zhǔn)DL/T 584—2007《3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》和GB 50227—2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中都有詳細(xì)的規(guī)定。在上述標(biāo)準(zhǔn)中所列出的電容器組過電壓保護(hù)是定時(shí)限特性保護(hù)[1，2]，不分故障（或異常）程度的輕重一概以固定的時(shí)限動(dòng)作，結(jié)果要么是過保護(hù)，要么是欠保護(hù)。

1 問題的提出

對(duì)于電容器組的過電壓情況，電力企業(yè)一、二次專業(yè)的要求既相互統(tǒng)一又存在矛盾。在電容器組過電壓情況下，兩者都希望具有相應(yīng)的保護(hù)來(lái)保證電容器組不被損壞。另一方面，一次專業(yè)要求電容器組對(duì)過電壓有較高的設(shè)備裕度，而二次專業(yè)要求相對(duì)比較低的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與定值。

按照DL/T 584—2007《3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》和GB 50227—2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，電容器組要裝設(shè)反映過電壓的保護(hù)，同時(shí)要求過電壓繼電器宜有較高的返回系數(shù)[1，2]（這在微機(jī)保護(hù)裝置中很容易實(shí)現(xiàn)），同時(shí)在DL/T 584—2007中還推薦優(yōu)先使用帶反時(shí)限特性的電壓繼電器[1]，但未提供反時(shí)限特性方程。所以對(duì)于電容器組的過電壓情況，傳統(tǒng)做法都按照DL/T 584—2007中規(guī)定來(lái)配置定時(shí)限過電壓保護(hù)：過電壓定值取1.1倍額定值，動(dòng)作時(shí)間小于60 s[1]。這滿足了繼電保護(hù)要求的相對(duì)比較低的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和定值要求，但是無(wú)法充分利用電容器組本身的設(shè)備裕度（如表1所示，過電壓和最大持續(xù)時(shí)間關(guān)系）。為了在電容器組過電壓的情況下綜合考慮兩者的要求，既能夠?qū)﹄娙萜鹘M過電壓實(shí)施有效的保護(hù)，又能夠充分利用電容器組本身的設(shè)備裕度，所以使用反時(shí)限過電壓保護(hù)來(lái)滿足這兩者的要求。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，在微機(jī)保護(hù)裝置中可以方便地實(shí)現(xiàn)各種反時(shí)限動(dòng)作特性方程，以滿足不同的實(shí)際需求。

表1 電容器過電壓倍數(shù)與最大持續(xù)時(shí)間

2 反時(shí)限過電壓保護(hù)特性方程的擬合

如表1所示，在標(biāo)準(zhǔn)DL/T 840—2003和GB/T 11024—2001中對(duì)電容器容許承受的過電壓倍數(shù)以及持續(xù)時(shí)間均做了詳細(xì)的規(guī)定[3，4]。

表1中，Ue為電容器組額定電壓。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，以過電壓和額定電壓比為橫坐標(biāo)值，以電容器組在某電壓下允許的持續(xù)時(shí)間為縱坐標(biāo)值，粗略地繪制過電壓特性曲線?？梢钥吹剑^電壓特性曲線是具有反時(shí)限特性，即過電壓程度越高，要求的動(dòng)作時(shí)間越短。

按照DL/T 584—2007中的規(guī)定，同時(shí)為了降低數(shù)據(jù)的離散度，減小擬合曲線的誤差，提高擬合曲線的精度，在擬合時(shí)不考慮表1中在1.1倍額定電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。借助Matlab數(shù)學(xué)軟件中曲線擬合工具，經(jīng)過反復(fù)擬合、對(duì)比和排除，最終選用如下的反時(shí)限擬合方程：

需要說明的是：由于表1中數(shù)據(jù)過少，擬合出的反時(shí)限特性方程不一定完全合適，有賴于通過在不同過電壓倍數(shù)下的試驗(yàn)提供大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多則擬合出的過電壓反時(shí)限特性方程越精確，越接近實(shí)際情況。對(duì)式（1）考慮一定的可靠系數(shù)并適當(dāng)簡(jiǎn)化，可以得到如下所示的反時(shí)限特性方程。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)電容器組反映過電壓的動(dòng)作時(shí)間和設(shè)備裕度的利用有不同的要求。但必須滿足表1中相關(guān)規(guī)定[3，4]。標(biāo)準(zhǔn)允許時(shí)間和通過式（2）計(jì)算得到的時(shí)間的比值如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)允許時(shí)間和計(jì)算時(shí)間的比值

參考常用的反時(shí)限保護(hù)方程式的表達(dá)方式，同時(shí)保證過電壓反時(shí)限特性方程能滿足表2中最小時(shí)間比值，實(shí)際采用如下所示的方程來(lái)在微機(jī)保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)反時(shí)限過電壓保護(hù)。

式（3）中：Ue為電容器組額定電壓；Tp為時(shí)間系數(shù)，取值范圍為0.01～1.15（已考慮保留一定的裕度）；t為動(dòng)作時(shí)間，s。

反時(shí)限過電壓保護(hù)的特性曲線如圖1所示。從圖中可以看到，通過設(shè)定時(shí)間系數(shù)Tp可以滿足實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)電容器組設(shè)備裕度利用的不同要求。

3 反時(shí)限過電壓保護(hù)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

按照上述擬合的特性方程式（3）在微機(jī)保護(hù)裝置中采用查表法來(lái)實(shí)現(xiàn)反時(shí)限過電壓保護(hù)，即在微機(jī)保護(hù)裝置初始化時(shí)，按照特性方程式（3）在內(nèi)存中生成一個(gè)查詢表，在反時(shí)限過電壓保護(hù)啟動(dòng)后，按照電壓比值來(lái)查表，進(jìn)行時(shí)間累加。當(dāng)累加的時(shí)間大于等于預(yù)定數(shù)值時(shí)，裝置出口跳閘來(lái)切除電容器組。反時(shí)限過電壓保護(hù)的相關(guān)定值如表3所示。

表3 反時(shí)限過電壓保護(hù)的相關(guān)定值

表3中，定值“額定電壓二次值”按照相電壓來(lái)整定。對(duì)于定值“電壓輸入方式”：為“0”時(shí)表示用相電壓引入微機(jī)保護(hù)裝置；為“1”時(shí)表示用相間電壓引入微機(jī)保護(hù)裝置，微機(jī)保護(hù)裝置可以根據(jù)相間電壓自動(dòng)算出相電壓。反時(shí)限過電壓保護(hù)的邏輯如圖2所示。

圖2中，U2e為定值“二次額定電壓值”。根據(jù)上述方法，在RCS-9631C電容器保護(hù)測(cè)控裝置中實(shí)現(xiàn)反時(shí)限過電壓保護(hù)。在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)做了如下處理：（1）考慮系統(tǒng)中實(shí)際存在的諧波，相電壓計(jì)算是考慮到10次諧波；（2）對(duì)于電壓變比大于2.20的情況，都使用在變比為2.20時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)累加時(shí)間；（3）在任何情況下，只要時(shí)間累加值大于等于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的1.1倍持續(xù)時(shí)間8 h所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

以表3中定值默認(rèn)值情況，借助OMICRON保護(hù)測(cè)試儀，對(duì)RCS-9631C電容器保護(hù)測(cè)控裝置中的反時(shí)限過電壓保護(hù)在各種過電壓水平情況下的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

由表4可以看到，實(shí)際動(dòng)作時(shí)間的誤差在可接受的范圍之內(nèi)，同時(shí)可以看到在過電壓比值較小時(shí)，由于反時(shí)限曲線的切線斜率較大，所以引起的相對(duì)誤差比較大。

基于該方法實(shí)現(xiàn)的反時(shí)限過電壓保護(hù)目前已經(jīng)在馬來(lái)西亞國(guó)家電網(wǎng)公司的相關(guān)項(xiàng)目中得到應(yīng)用。該反時(shí)限過電壓保護(hù)能夠很好地解決過電壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和電容器組設(shè)備裕度利用這兩者之間的合理協(xié)調(diào)問題，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中取得了較好的效果，得到了用戶的認(rèn)可。

表4 反時(shí)限過電壓保護(hù)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析了電容器組定時(shí)限過電壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和電容器組設(shè)備裕度利用兩者之間存在的矛盾，同時(shí)基于電容器組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)，借助Matlab數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行曲線方程擬合，在擬合出方程上考慮一定的裕度，得到可應(yīng)用于實(shí)際的反時(shí)限過電壓保護(hù)的特性方程。在RCS-9631C電容器保護(hù)測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)了基于該特性方程的反時(shí)限過電壓保護(hù)，并且應(yīng)用到實(shí)際工程中，很好地解決了過電壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和電容器組設(shè)備裕度利用這兩者之間的合理協(xié)調(diào)問題，取得了較好的效果。

[1]DL/T 584—2007，3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程[S].

[2]GB 50227—2008，并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]DL/T 840—2003，高壓并聯(lián)電容器使用技術(shù)條件[S].

[4]GB/T 11024—2001，標(biāo)稱電壓1 kV以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器[S].