基于諧波分析的高壓并聯(lián)電容器組保護(hù)研究

摘要：隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的快速增長和電力電子化裝置的大量應(yīng)用，電力系統(tǒng)中產(chǎn)生了大量的高次諧波，干擾了電網(wǎng)的正常運(yùn)行。與此同時，諧波對并聯(lián)電容器組中的電容器及串聯(lián)電抗器也會造成過熱故障頻發(fā)的現(xiàn)象?，F(xiàn)通過分析電力系統(tǒng)中諧波對電容器及串聯(lián)電抗器溫升的影響，提出了新型的諧波超溫保護(hù)策略，并研發(fā)了諧波保護(hù)裝置，保障了高壓并聯(lián)電容器組及電抗器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：諧波;電容器;電抗器;電容器組諧波保護(hù)測控裝置

0 引言

隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的不斷增長以及電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大量非線性負(fù)荷的投運(yùn)導(dǎo)致諧波大量流入電力系統(tǒng)，使得電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，因諧波損毀的電力設(shè)備中，高壓并聯(lián)電容器組占有很大比重[3-4]。理論上，在高壓并聯(lián)的電容器回路中，配置串聯(lián)電抗率為10%的電抗器時，可以有效抑制3次以上的諧波產(chǎn)生。而在現(xiàn)場實際運(yùn)行中，電抗值越大，電容器的端電壓升高越大，極易形成過電壓，因此在運(yùn)行現(xiàn)場一般采用4.5%～6%的電抗率，無法消除因電容器組引起的諧波電流放大問題[5]。

電容器組和電抗器過熱故障的發(fā)生，主要由產(chǎn)品質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行條件兩方面原因造成。有的廠家將絕緣和溫升的設(shè)計裕度取得很小，制造工藝不過關(guān)，導(dǎo)致繞制線圈松緊度不合適，繞組電阻發(fā)生變化，這些內(nèi)部因素都會導(dǎo)致過熱現(xiàn)象的出現(xiàn)[6-7]。而在現(xiàn)場運(yùn)行中，通風(fēng)效果不佳，電容器組投切操作頻繁所引起的涌流，操作過電壓形成的絕緣損壞積累效應(yīng)以及電網(wǎng)中的諧波含量也會造成電容器組及其電抗器過熱。

當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時，電容器的容抗值會伴隨頻率增長而降低，使得電容器成為諧波的吸收點。諧波電流會導(dǎo)致電容器工作電流的有效值迅速上升，使電容器及電抗器介質(zhì)損耗增加，溫升增高，電容器熔絲熔斷，引起過熱故障而降低電容器、電抗器的使用壽命[8]。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《標(biāo)稱電壓1 kV以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器 第3部分：并聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器組的保護(hù)》（GB/Z 11024.3—2001），目前常規(guī)電容器保護(hù)一般設(shè)置過流/過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)和不平衡電壓/電流等保護(hù)，但這些保護(hù)都是以電壓/電流的基波為判據(jù)，不能反映并動作于電網(wǎng)諧波污染情況，且無法反映串聯(lián)電抗器故障，往往在諧波引起電抗器長期過熱，絕緣老化直至燒毀時，電容器保護(hù)也未能動作切開斷路器，對絕緣性能損害的積累效應(yīng)最終損壞電容器、電抗器。

本文通過理論和試驗分析電網(wǎng)運(yùn)行因素對電容器組及其電抗器的影響，尋求電容器組故障頻發(fā)的解決辦法，研究電容器諧波保護(hù)裝置，以便在系統(tǒng)諧波引起電容器或電抗器內(nèi)部故障之前切斷電力系統(tǒng)與電容器組之間的電氣聯(lián)系。

1 電容器諧波檢測及分析方法

1.1 ? ?諧波采樣

電容器諧波保護(hù)裝置需提供單次諧波電流、單次諧波電壓、全電流、全電壓等諧波保護(hù)功能，因此測量值除計算基波外，還需計算2～13次諧波。由于常規(guī)保護(hù)一般只要測量基波值，而諧波保護(hù)需采集高次諧波，因此需要對采樣回路的濾波器進(jìn)行重新設(shè)計。根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須大于被采樣信號帶寬的兩倍，為了能正確測量至13次諧波，要求微機(jī)保護(hù)每周諧波采樣點數(shù)不能少于32點，在進(jìn)行諧波電流、電壓計算時，需修改保護(hù)的采樣速率。

電容器諧波保護(hù)裝置AD轉(zhuǎn)換電路采用二階巴特沃斯濾波器，并配置有16位、16路的高速同步采樣AD芯片，構(gòu)成模擬數(shù)字量轉(zhuǎn)換采集系統(tǒng)。該裝置共提供有14路的交流采集通道。為了提升該裝置采樣的可靠性，第13～14路用作重復(fù)采樣的通道，并在電路上使用了AD芯片到CPU之間的串聯(lián)數(shù)據(jù)通道的校驗機(jī)制，進(jìn)一步提升采集系統(tǒng)的可靠性。該裝置每周諧波采樣48點，可快速準(zhǔn)確計算出2～13次諧波分量。

1.2 ? ?諧波分量的計算新策略

諧波保護(hù)采用離散傅立葉算法（DFT）計算電壓和電流的各次諧波分量有效值。依據(jù)電容器過電壓保護(hù)的國家標(biāo)準(zhǔn)生成反時限曲線，將實測電流電壓與基波電流電壓進(jìn)行比較后得到相應(yīng)的比值，將該比值與反時限曲線進(jìn)行對照，即對電流真有效值的計算，經(jīng)過諧波損耗等值電阻系數(shù)修正，從而服務(wù)于高精度測量諧波電流的真有效值計算方法和判據(jù)，實現(xiàn)各次諧波電流、電壓及全電流、電壓保護(hù)功能[6]。

諧波分量的快速正確計算取決于主控模件CPU的強(qiáng)大浮點計算能力和高主頻以及正確的諧波算法。

電壓和電流的諧波分量有效值計算方法可采用傅立葉算法，公式為：

式中，N為每基頻周期內(nèi)的采樣點數(shù)，當(dāng)n取值不同時，可求出各次諧波量的實部和虛部。

一般認(rèn)為，電容器組的電流有效值計算公式為：。通過實際試驗發(fā)現(xiàn)，該計算值低于實測電流有效值，從而會使得保護(hù)不能快速動作，故障擴(kuò)大。

課題組委托北京電力工業(yè)組濾波器及變電設(shè)備質(zhì)量檢驗測試中心對35/66 kV電容器進(jìn)行了2～13次諧波試驗（試驗報告編號：201036），試驗數(shù)據(jù)表明：在19.6 ℃下，電容器功耗等值電阻隨著諧波次數(shù)的增加呈減小趨勢;電容器的電容量值隨著諧波次數(shù)的增加，變化幅度保持在0.1%以內(nèi)，基本不變。

根據(jù)不同諧波下等值電阻的不同以及公式I2R=I12R1+In2Rn，因此提出經(jīng)試驗確定的在不同次諧波的情況下，電抗器功耗的等值電阻呈現(xiàn)的變化規(guī)律。將此理念引入至當(dāng)系統(tǒng)具有各次諧波分量下的電容器、電抗器組功耗計算，進(jìn)而根據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50227—1995）中的要求“采樣電流超過額定值1.3倍后，保護(hù)設(shè)備切除電容器開關(guān)”，包含諧波分量的電容器組電流真有效值計算公式如下：

式中，kn=（kn為n次諧波系數(shù)，n為諧波次數(shù)，范圍為2～∞次，rn為不同諧波下功耗的等值電阻，r1為基波頻率下功耗的等值電阻）;I1為基波電流有效值;In為n次諧波電流有效值;IN為電容器組的額定電流。

k值實測表如表1所示。

通過電容器諧波過載試驗，我們可以發(fā)現(xiàn)，諧波系數(shù)k隨著頻率的增加而增加。35 kV電容器組在3次諧波時，k值上升為1.22;13次諧波k值高達(dá)3.15，可見常規(guī)的有效值計算方法對于含諧波電流的情況誤差很大，需采用新型含諧波分量的電容器電流有效值算法。

2 電容器組諧波保護(hù)測控裝置

本文研制的電容器諧波保護(hù)裝置基于電力系統(tǒng)保護(hù)軟硬件技術(shù)。電容器組諧波保護(hù)測控裝置通過可視化組態(tài)軟件搭建電容器諧波保護(hù)邏輯，采用DFT算法實時計算電容器組中電壓和電流的各次諧波分量，從而有效監(jiān)視和保護(hù)電力電容器組。

該裝置由以下幾個模塊組成：

（1）組態(tài)軟件：對保護(hù)測控裝置軟硬件資源進(jìn)行配置，通過可視化組態(tài)軟件對定制的功能模塊進(jìn)行組態(tài)，實現(xiàn)整個保護(hù)測控裝置的邏輯控制;

（2）采樣模塊：對電容器組的模擬量輸入以固定采樣頻率進(jìn)行電流、電壓采樣;

（3）開入量輸入模塊：用于檢測斷路器、隔離刀閘等位置狀態(tài)信息;

（4）主控模塊：通過外部采集的交流量和開關(guān)量，執(zhí)行組態(tài)軟件生成保護(hù)、測控功能邏輯;

（5）開出模塊：通過繼電器操作斷路器及隔離刀閘，發(fā)送動作、告警信號。

各模塊之間的關(guān)系如圖1所示。

此裝置需要接入電容器電流、電壓、不平衡電流、不平衡電壓等，輸出到斷路器的分合閘信號量接口等。

所研發(fā)的裝置經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和改進(jìn)，已投入運(yùn)行，目前已在常州地區(qū)多個變電所完成了新型電容器諧波保護(hù)裝置的掛網(wǎng)運(yùn)行。

3 結(jié)語

本文研發(fā)了基于諧波分析的電容器諧波保護(hù)裝置，通過掛網(wǎng)運(yùn)行，驗證了該裝置的可行性和有效性。由于其首次投入實際使用，結(jié)合常規(guī)電容器組及其電抗器相關(guān)常規(guī)保護(hù)裝置運(yùn)行情況，確定和編制了相關(guān)的運(yùn)行、檢修規(guī)程，并得到以下結(jié)論：

（1）針對電力系統(tǒng)中諧波的特點，本文優(yōu)化了采樣濾波回路，提高了采樣頻率和采樣精度，采用組態(tài)軟件和DFT算法在常規(guī)電容器保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，增加了諧波保護(hù)功能模塊，不僅能完成常規(guī)電容器保護(hù)功能，而且可以實現(xiàn)電容器組的諧波監(jiān)視和保護(hù)功能。

（2）本文提出了經(jīng)諧波損耗等值電阻系數(shù)修正的含諧波分量的電容器實際電流的有效值保護(hù)新算法。

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收稿日期：2020-02-09

作者簡介：曹良（1963—），男，江蘇丹陽人，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。