基于諧波分析的高壓并聯電容器組保護研究

摘要：隨著電力系統負荷的快速增長和電力電子化裝置的大量應用，電力系統中產生了大量的高次諧波，干擾了電網的正常運行。與此同時，諧波對并聯電容器組中的電容器及串聯電抗器也會造成過熱故障頻發的現象。現通過分析電力系統中諧波對電容器及串聯電抗器溫升的影響，提出了新型的諧波超溫保護策略，并研發了諧波保護裝置，保障了高壓并聯電容器組及電抗器的安全穩定運行。

關鍵詞：諧波;電容器;電抗器;電容器組諧波保護測控裝置

0 引言

隨著電力系統負荷的不斷增長以及電力電子技術的廣泛應用，大量非線性負荷的投運導致諧波大量流入電力系統，使得電網電壓發生畸變[1-2]。據統計，因諧波損毀的電力設備中，高壓并聯電容器組占有很大比重[3-4]。理論上，在高壓并聯的電容器回路中，配置串聯電抗率為10%的電抗器時，可以有效抑制3次以上的諧波產生。而在現場實際運行中，電抗值越大，電容器的端電壓升高越大，極易形成過電壓，因此在運行現場一般采用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生，主要由產品質量和電網運行條件兩方面原因造成。有的廠家將絕緣和溫升的設計裕度取得很小，制造工藝不過關，導致繞制線圈松緊度不合適，繞組電阻發生變化，這些內部因素都會導致過熱現象的出現[6-7]。而在現場運行中，通風效果不佳，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以及電網中的諧波含量也會造成電容器組及其電抗器過熱。

當電網存在諧波時，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]。

根據國家標準《標稱電壓1 kV以上交流電力系統用并聯電容器 第3部分：并聯電容器和并聯電容器組的保護》（GB/Z 11024.3—2001），目前常規電容器保護一般設置過流/過壓保護、欠壓保護和不平衡電壓/電流等保護，但這些保護都是以電壓/電流的基波為判據，不能反映并動作于電網諧波污染情況，且無法反映串聯電抗器故障，往往在諧波引起電抗器長期過熱，絕緣老化直至燒毀時，電容器保護也未能動作切開斷路器，對絕緣性能損害的積累效應最終損壞電容器、電抗器。

本文通過理論和試驗分析電網運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的解決辦法，研究電容器諧波保護裝置，以便在系統諧波引起電容器或電抗器內部故障之前切斷電力系統與電容器組之間的電氣聯系。

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。由于常規保護一般只要測量基波值，而諧波保護需采集高次諧波，因此需要對采樣回路的濾波器進行重新設計。根據采樣定理，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，要求微機保護每周諧波采樣點數不能少于32點，在進行諧波電流、電壓計算時，需修改保護的采樣速率。

電容器諧波保護裝置AD轉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，構成模擬數字量轉換采集系統。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路用作重復采樣的通道，并在電路上使用了AD芯片到CPU之間的串聯數據通道的校驗機制，進一步提升采集系統的可靠性。該裝置每周諧波采樣48點，可快速準確計算出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。依據電容器過電壓保護的國家標準生成反時限曲線，將實測電流電壓與基波電流電壓進行比較后得到相應的比值，將該比值與反時限曲線進行對照，即對電流真有效值的計算，經過諧波損耗等值電阻系數修正，從而服務于高精度測量諧波電流的真有效值計算方法和判據，實現各次諧波電流、電壓及全電流、電壓保護功能[6]。

諧波分量的快速正確計算取決于主控模件CPU的強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為每基頻周期內的采樣點數，當n取值不同時，可求出各次諧波量的實部和虛部。

一般認為，電容器組的電流有效值計算公式為：。通過實際試驗發現，該計算值低于實測電流有效值，從而會使得保護不能快速動作，故障擴大。

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

根據不同諧波下等值電阻的不同以及公式I2R=I12R1+In2Rn，因此提出經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的變化規律。將此理念引入至當系統具有各次諧波分量下的電容器、電抗器組功耗計算，進而根據《并聯電容器裝置設計規范》（GB 50227—1995）中的要求“采樣電流超過額定值1.3倍后，保護設備切除電容器開關”，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，n為諧波次數，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，我們可以發現，諧波系數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3.15，可見常規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 電容器組諧波保護測控裝置

本文研制的電容器諧波保護裝置基于電力系統保護軟硬件技術。電容器組諧波保護測控裝置通過可視化組態軟件搭建電容器諧波保護邏輯，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，從而有效監視和保護電力電容器組。

該裝置由以下幾個模塊組成：

（1）組態軟件：對保護測控裝置軟硬件資源進行配置，通過可視化組態軟件對定制的功能模塊進行組態，實現整個保護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信息;

（4）主控模塊：通過外部采集的交流量和開關量，執行組態軟件生成保護、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，發送動作、告警信號。

各模塊之間的關系如圖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。

所研發的裝置經過反復調試和改進，已投入運行，目前已在常州地區多個變電所完成了新型電容器諧波保護裝置的掛網運行。

3 結語

本文研發了基于諧波分析的電容器諧波保護裝置，通過掛網運行，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，結合常規電容器組及其電抗器相關常規保護裝置運行情況，確定和編制了相關的運行、檢修規程，并得到以下結論：

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

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

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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：電力系統自動化。