并聯(lián)電容器保護(hù)與監(jiān)測(cè)一體化實(shí)施方案

甘景福, 王增平，林一峰

(1.唐山供電公司，河北 唐山 063000；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

并聯(lián)電容器保護(hù)與監(jiān)測(cè)一體化實(shí)施方案

甘景福1, 王增平2，林一峰2

(1.唐山供電公司，河北 唐山 063000；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

并聯(lián)電容器是重要的無(wú)功補(bǔ)償裝置，具有調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，改善電能質(zhì)量的作用。但經(jīng)常出現(xiàn)電容器損壞的現(xiàn)象，電容器裝置故障率偏高，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。并聯(lián)電容器故障一般是從內(nèi)部串并聯(lián)元件中個(gè)別元件的異常、故障開(kāi)始逐步演化的。為改善電容器運(yùn)行狀況，將電容器保護(hù)與監(jiān)測(cè)功能進(jìn)行整合，利用繼電保護(hù)裝置采集電壓電流信息計(jì)算電容值，在保護(hù)裝置中增加基于電容值變化的保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能。并增加記錄電容器諧波分布、瞬時(shí)過(guò)壓過(guò)流工況自動(dòng)錄波、電容容量變化記錄功能，為電容器故障診斷提供診斷依據(jù)。所提出利用電容器線(xiàn)路參數(shù)特征的電容值計(jì)算方法有很高的普適性，實(shí)際利用繼電保護(hù)裝置進(jìn)行電壓電流提取具有較高的精確度，并且計(jì)算電容值誤差很小，滿(mǎn)足保護(hù)與監(jiān)測(cè)要求。記錄的諧波含量、過(guò)壓過(guò)流、電容值變化信息對(duì)電容器故障的研究有較高的應(yīng)用價(jià)值。

并聯(lián)電容器；電容器保護(hù)；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；故障診斷

0 引言

高壓并聯(lián)電容器作為一種重要的無(wú)功電源，對(duì)于改善電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高電能質(zhì)量有著重要的作用[1]。高壓并聯(lián)電容器長(zhǎng)期在額定狀態(tài)運(yùn)行，諧波、過(guò)電壓等因素對(duì)其健康狀況有著明顯的損害。同時(shí)隨著無(wú)功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的使用，高壓并聯(lián)電容器的投切更趨頻繁。惡劣的運(yùn)行環(huán)境造成高壓并聯(lián)電容器故障率較高[2-3]。由于高壓并聯(lián)電容器一般布置在變壓器中低壓側(cè)母線(xiàn)，其故障時(shí)相當(dāng)于變壓器中低壓出口短路，對(duì)變壓器會(huì)造成較大影響，不利于變壓器的安全運(yùn)行。因此實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確把握高壓并聯(lián)電容器的健康狀況，避免事故發(fā)生十分必要。

為了提高并聯(lián)電容器運(yùn)行可靠性，諸多文獻(xiàn)對(duì)并聯(lián)電容器的監(jiān)測(cè)保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是針對(duì)并聯(lián)電容器進(jìn)行不同保護(hù)配置和整定研究[4-9]；另一類(lèi)是研究方法則借助于智能變電站的發(fā)展，建立并聯(lián)電容器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10-14]。并聯(lián)電容器的保護(hù)在不同電壓等級(jí)不同接線(xiàn)方式有多種保護(hù)配置方式，文獻(xiàn)[4]研究分析了內(nèi)外熔絲保護(hù)、單星形開(kāi)口三角電壓保護(hù)、雙星形中性線(xiàn)電流不平衡保護(hù)等多種保護(hù)方式。文獻(xiàn)[5-6]對(duì)500 kV和1 000 kV進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的配置整定研究。監(jiān)測(cè)方法多為建立在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[10-11]分別基于電容值變化和LC振蕩頻率變化實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)電容器的監(jiān)測(cè)，都需從放電PT提取電壓信息。文獻(xiàn)[12] 通過(guò)附加裝置提取電壓電流信息，提出了一種基于SCADA系統(tǒng)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前針對(duì)并聯(lián)電容器保護(hù)多為不同形式的不平衡保護(hù)，不能針對(duì)各相單個(gè)電容器元件進(jìn)行保護(hù)。在針對(duì)不同電壓等級(jí)不同接線(xiàn)需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的保護(hù)配置研究。電容器組故障初期多為單一元件異常、故障引起，無(wú)法在故障初期進(jìn)行預(yù)警，保護(hù)靈敏性較差，動(dòng)作時(shí)損失已經(jīng)較為嚴(yán)重。而監(jiān)測(cè)方法對(duì)并聯(lián)電容器提取信息，多依賴(lài)一次設(shè)備或需附加設(shè)備進(jìn)行提取，僅作為智能變電站系統(tǒng)中的參考[13-15]。并聯(lián)電容器的保護(hù)與監(jiān)測(cè)兩者基本是分開(kāi)考慮的，將兩者相結(jié)合，可以繼電保護(hù)裝置為基礎(chǔ)，在不改變一次設(shè)備、二次設(shè)備改變較小的情況下，增加對(duì)并聯(lián)電容器的監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)具備繼電保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)可靠性，具有較高的靈敏性，降低故障發(fā)生概率，提升并聯(lián)電容器運(yùn)行狀況[16-18]。

本文在繼電保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，提出一種并聯(lián)電容器保護(hù)與監(jiān)測(cè)一體化實(shí)施方案研究。首先利用保護(hù)裝置，不依賴(lài)附加設(shè)備提取電容器電壓電流信息，利用電容器每相參數(shù)中電抗為主要成分的特征，提出一種適用于各種接線(xiàn)形式計(jì)算電容器電容值的方法，在現(xiàn)有保護(hù)裝置中，增加在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)電容器電容值的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，并利用裝置可拓展性，在裝置中增加對(duì)電容器異常故障進(jìn)行錄波，記錄諧波含量、電容量變化，為電容器損壞提供診斷依據(jù)。

1 保護(hù)原理

高壓并聯(lián)電容器的故障一般是從內(nèi)部串并聯(lián)元件中個(gè)別元件的異常、故障開(kāi)始逐步演化的。當(dāng)高壓并聯(lián)電容器內(nèi)部單一元件發(fā)生異常、故障時(shí)，其外部電氣量的變化往往不大，只是其內(nèi)部健康的其它元件承受的電壓會(huì)有所增高。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，其它健康的串并聯(lián)元件由于不良運(yùn)行條件的影響可能陸續(xù)發(fā)生異常和故障，最后引發(fā)高壓并聯(lián)電容器的故障。

在故障初期，單一元件發(fā)生故障或異常能夠通過(guò)并聯(lián)電容器組的電容值變化反映出來(lái)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，利用繼電保護(hù)裝置獲得并聯(lián)電容器的電壓電流，不增加附加設(shè)備，計(jì)算出電容值，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)電容器的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。并聯(lián)電容器接線(xiàn)形式可以分為兩類(lèi)，一是中性點(diǎn)接地，該接線(xiàn)形式下，電路等效圖如圖1所示。已知串聯(lián)電抗器等參數(shù)，可由式(1)計(jì)算出三相阻抗值從而得出電容值。

(1)

圖1 中性點(diǎn)接地等效電路

二是中性點(diǎn)不接地，該接線(xiàn)形式等效電路如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)不接地等效電路

(2)

其中U0未知，三個(gè)方程4個(gè)未知量無(wú)法進(jìn)行求解。由于每項(xiàng)支路阻抗主要成分是容抗，由并聯(lián)電容器標(biāo)準(zhǔn)知，電容器阻值很小，忽略每相阻抗，即為純?nèi)菪噪娐?，增加條件

三相向量圖如圖3所示。

圖3 電壓電流向量圖

2 保護(hù)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)方案

保留傳統(tǒng)電容器保護(hù)：限時(shí)電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)。在繼電保護(hù)裝置中增加針對(duì)并聯(lián)電容器電容值的判據(jù)，電容量預(yù)設(shè)整定值一般采用停電試驗(yàn)時(shí)的電容量測(cè)量值，保護(hù)可靠系數(shù)為1.2，保護(hù)整定值為0.8CO

電容量值監(jiān)測(cè)原理，電容值偏差允許值需綜合考慮繼電保護(hù)裝置的測(cè)量精度等因素的影響并保留適當(dāng)?shù)脑６?，根?jù)并聯(lián)電容器組狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定[19]，當(dāng)計(jì)算電容值Ck與額定值CO，不滿(mǎn)足0.95CO

圖4 保護(hù)監(jiān)測(cè)一體化流程圖

第一步，利用現(xiàn)有互感器采集電壓、電流信息。第二步，利用所采集的電壓電流在保護(hù)裝置中完成各相電容器電容值的計(jì)算。第三步，根據(jù)所提出基于電容值變化的保護(hù)判據(jù)，當(dāng)電容值變化超出整定值時(shí)，由保護(hù)出口發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，并對(duì)電容器進(jìn)行故障錄波并向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警告信號(hào)。第四步，同時(shí)完成對(duì)電容器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，當(dāng)電容值變化超出規(guī)程時(shí)，向變電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出電容警告信號(hào)；實(shí)時(shí)記錄諧波含量、過(guò)壓過(guò)流、電容值變化信息。

3 并聯(lián)電容器監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)

微機(jī)保護(hù)裝置硬件平臺(tái)具有開(kāi)放性，能夠容易地對(duì)硬件進(jìn)行局部或整體升級(jí)，而不影響保護(hù)對(duì)外接口。擴(kuò)展性是指對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的不同保護(hù)應(yīng)用和對(duì)資源的不同需求可方便地增減相應(yīng)的模塊，不必對(duì)硬件軟件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。利用微機(jī)保護(hù)裝置的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，在微機(jī)保護(hù)裝置中可增加并聯(lián)電容器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。

表1 諧波列表顯示

如圖5，其中電壓/電流互感器利用保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)配置無(wú)需再增加設(shè)備，繼電保護(hù)裝置中電流、電壓采集計(jì)算模塊，繼電保護(hù)模塊，人機(jī)交互模塊，通信模塊都為微機(jī)保護(hù)裝置已經(jīng)具有的配置。其中對(duì)繼電保護(hù)模塊進(jìn)行功能拓展，利用電壓電流計(jì)算電容值，并增加電容值變化的保護(hù)判據(jù)；增加在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊，其中所需數(shù)據(jù)直接從電壓、電流模塊獲取，計(jì)算出電容值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器電容值的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，當(dāng)電容值超出規(guī)程之后，通過(guò)通信模塊向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警告信號(hào)，并記錄的諧波含量、過(guò)壓過(guò)流、電容值變化信息。

圖5 并聯(lián)電容器監(jiān)測(cè)裝置功能示意圖

以微機(jī)保護(hù)裝置為基礎(chǔ)，樣機(jī)研制成功，對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試，其中電壓的測(cè)量精度：幅值精度≤±0.1%，角度偏差≤±0.1°；電流測(cè)量精度：幅值精度≤ ± 0.4%，偏差角度≤ ± 0.1°。

裝置在電容器容量在偏差±20%范圍內(nèi)(當(dāng)超出該范圍保護(hù)已動(dòng)作)，且三相阻抗偏差任意組合情況下，不考慮PT/CT誤差影響條件下，阻抗計(jì)算精度可達(dá)到0.2%，電容值計(jì)算精度可達(dá)到0.5%;電壓不平衡條件下，不影響測(cè)量精度。證明算法實(shí)踐可行，具有較高的精度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)電容器的保護(hù)監(jiān)測(cè)功能。

圖6～8和表1為裝置在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，其中圖6為裝置查看電容器狀態(tài)主界面，圖7為模擬半年內(nèi)電容值變化記錄功能，圖8為對(duì)電容器三相電壓的錄波，表1顯示的為某一時(shí)刻各諧波含量。裝置具有存儲(chǔ)功能，該數(shù)據(jù)可為電容器故障提供研究基礎(chǔ)。

圖6 電容器監(jiān)測(cè)主界面

圖7 電容值變化曲線(xiàn)

圖8 錄波記錄

4 結(jié)論

本文所提出并聯(lián)電容器保護(hù)與監(jiān)測(cè)一體化實(shí)施方案，在繼電保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，不依賴(lài)附加設(shè)備提取電容器狀態(tài)量，有很高的普適性，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高；能保留原有保護(hù)功能，提高保護(hù)可靠性；并增加并聯(lián)電容器的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，在并聯(lián)電容器故障初期，發(fā)出預(yù)警，減少損失；對(duì)諧波、過(guò)壓過(guò)流、電容值變化進(jìn)行記錄，為電容器故障診斷提供診斷依據(jù)。

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Research on the Implementation Scheme of Shunt Capacitor Protection and Monitoring

GAN Jingfu1，WANG Zengping2， LIN Yifeng2

(1.Tangshan Power Supply Company， Tangshan 063000， China;2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Shunt capacitor is used as a reactive power supply device, which has the function of regulating the system voltage and improving the quality of the power supply. However, damages often occur in shunt capacitor and cause the failure. The high failure rate of the capacitor and the occurrence of multiple burst and group of injury problems could result in significant grid-voltage fluctuation as well as active power and reactive power loss, and meanwhile, it could reduce the capacitor service life, and then eventually affects the safe operation of the power grid. In order to improve the operation reliability of the shunt capacitor, the capacitor protection and monitoring function are integrated, and the capacitance value is calculated by the voltage and current information collected by a relay protection device. And the functions such as recording the capacitor harmonic distribution, instantaneous overvoltage and over-current condition automatically, and capacitance capacity change, are provided which lay a basis for the fault diagnosis of the capacitor. The proposed method by using capacitor line parameters for capacitance calculation has extensive applicability, and the actual use of the relay protection device for voltage and current extraction is of high accuracy with small error in calculating the capacitance value, which meets the requirements of protection and monitoring. The recorded harmonic consist of the information of over-voltages, over-currents, and change of the capacitance value, so it also has great value for the research of capacitor fault.

shunt capacitor； capacitor protection； online monitoring； fault diagnosis

楊成順(1984-)，男，博士，講師，研究方向?yàn)檩旊娋€(xiàn)路裝備與電網(wǎng)安全，三維虛擬仿真技術(shù)。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.003

2016-11-09。

國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51637005)。

TM73

A

1672-0792(2017)05-0011-05