基于谐波分析的高压并联电容器组保护研究

摘要：随着电力系统负荷的快速增长和电力电子化装置的大量应用，电力系统中产生了大量的高次谐波，干扰了电网的正常运行。与此同时，谐波对并联电容器组中的电容器及串联电抗器也会造成过热故障频发的现象。现通过分析电力系统中谐波对电容器及串联电抗器温升的影响，提出了新型的谐波超温保护策略，并研发了谐波保护装置，保障了高压并联电容器组及电抗器的安全穩定运行。

关键词：谐波;电容器;电抗器;电容器组谐波保护测控装置

0 引言

随着电力系统负荷的不断增长以及电力电子技术的广泛应用，大量非线性负荷的投运导致谐波大量流入电力系统，使得电网电压发生畸变[1-2]。据统计，因谐波损毁的电力设备中，高压并联电容器组占有很大比重[3-4]。理论上，在高压并联的电容器回路中，配置串联电抗率为10%的电抗器时，可以有效抑制3次以上的谐波产生。而在现场实际运行中，电抗值越大，电容器的端电压升高越大，极易形成过电压，因此在运行现场一般采用4.5%～6%的电抗率，无法消除因电容器组引起的谐波电流放大问题[5]。

电容器组和电抗器过热故障的发生，主要由产品质量和电网运行条件两方面原因造成。有的厂家将绝缘和温升的设计裕度取得很小，制造工艺不过关，导致绕制线圈松紧度不合适，绕组电阻发生变化，这些内部因素都会导致过热现象的出现[6-7]。而在现场运行中，通风效果不佳，电容器组投切操作频繁所引起的涌流，操作过电压形成的绝缘损坏积累效应以及电网中的谐波含量也会造成电容器组及其电抗器过热。

当电网存在谐波时，电容器的容抗值会伴随频率增长而降低，使得电容器成为谐波的吸收点。谐波电流会导致电容器工作电流的有效值迅速上升，使电容器及电抗器介质损耗增加，温升增高，电容器熔丝熔断，引起过热故障而降低电容器、电抗器的使用寿命[8]。

根据国家标准《标称电压1 kV以上交流电力系统用并联电容器 第3部分：并联电容器和并联电容器组的保护》（GB/Z 11024.3—2001），目前常规电容器保护一般设置过流/过压保护、欠压保护和不平衡电压/电流等保护，但这些保护都是以电压/电流的基波为判据，不能反映并动作于电网谐波污染情况，且无法反映串联电抗器故障，往往在谐波引起电抗器长期过热，绝缘老化直至烧毁时，电容器保护也未能动作切开断路器，对绝缘性能损害的积累效应最终损坏电容器、电抗器。

本文通过理论和试验分析电网运行因素对电容器组及其电抗器的影响，寻求电容器组故障频发的解决办法，研究电容器谐波保护装置，以便在系统谐波引起电容器或电抗器内部故障之前切断电力系统与电容器组之间的电气联系。

1 电容器谐波检测及分析方法

1.1    谐波采样

电容器谐波保护装置需提供单次谐波电流、单次谐波电压、全电流、全电压等谐波保护功能，因此测量值除计算基波外，还需计算2～13次谐波。由于常规保护一般只要测量基波值，而谐波保护需采集高次谐波，因此需要对采样回路的滤波器进行重新设计。根据采样定理，采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍，为了能正确测量至13次谐波，要求微机保护每周谐波采样点数不能少于32点，在进行谐波电流、电压计算时，需修改保护的采样速率。

电容器谐波保护装置AD转换电路采用二阶巴特沃斯滤波器，并配置有16位、16路的高速同步采样AD芯片，构成模拟数字量转换采集系统。该装置共提供有14路的交流采集通道。为了提升该装置采样的可靠性，第13～14路用作重复采样的通道，并在电路上使用了AD芯片到CPU之间的串联数据通道的校验机制，进一步提升采集系统的可靠性。该装置每周谐波采样48点，可快速准确计算出2～13次谐波分量。

1.2    谐波分量的计算新策略

谐波保护采用离散傅立叶算法（DFT）计算电压和电流的各次谐波分量有效值。依据电容器过电压保护的国家标准生成反时限曲线，将实测电流电压与基波电流电压进行比较后得到相应的比值，将该比值与反时限曲线进行对照，即对电流真有效值的计算，经过谐波损耗等值电阻系数修正，从而服务于高精度测量谐波电流的真有效值计算方法和判据，实现各次谐波电流、电压及全电流、电压保护功能[6]。

谐波分量的快速正确计算取决于主控模件CPU的强大浮点计算能力和高主频以及正确的谐波算法。

电压和电流的谐波分量有效值计算方法可采用傅立叶算法，公式为：

式中，N为每基频周期内的采样点数，当n取值不同时，可求出各次谐波量的实部和虚部。

一般认为，电容器组的电流有效值计算公式为：。通过实际试验发现，该计算值低于实测电流有效值，从而会使得保护不能快速动作，故障扩大。

课题组委托北京电力工业组滤波器及变电设备质量检验测试中心对35/66 kV电容器进行了2～13次谐波试验（试验报告编号：201036），试验数据表明：在19.6 ℃下，电容器功耗等值电阻随着谐波次数的增加呈减小趋势;电容器的电容量值随着谐波次数的增加，变化幅度保持在0.1%以内，基本不变。

根据不同谐波下等值电阻的不同以及公式I2R=I12R1+In2Rn，因此提出经试验确定的在不同次谐波的情况下，电抗器功耗的等值电阻呈现的变化规律。将此理念引入至当系统具有各次谐波分量下的电容器、电抗器组功耗计算，进而根据《并联电容器装置设计规范》（GB 50227—1995）中的要求“采样电流超过额定值1.3倍后，保护设备切除电容器开关”，包含谐波分量的电容器组电流真有效值计算公式如下：

式中，kn=（kn为n次谐波系数，n为谐波次数，范围为2～∞次，rn为不同谐波下功耗的等值电阻，r1为基波频率下功耗的等值电阻）;I1为基波电流有效值;In为n次谐波电流有效值;IN为电容器组的额定电流。

k值实测表如表1所示。

通过电容器谐波过载试验，我们可以发现，谐波系数k随着频率的增加而增加。35 kV电容器组在3次谐波时，k值上升为1.22;13次谐波k值高达3.15，可见常规的有效值计算方法对于含谐波电流的情况误差很大，需采用新型含谐波分量的电容器电流有效值算法。

2 电容器组谐波保护测控装置

本文研制的电容器谐波保护装置基于电力系统保护软硬件技术。电容器组谐波保护测控装置通过可视化组态软件搭建电容器谐波保护逻辑，采用DFT算法实时计算电容器组中电压和电流的各次谐波分量，从而有效监视和保护电力电容器组。

该装置由以下几个模块组成：

（1）组态软件：对保护测控装置软硬件资源进行配置，通过可视化组态软件对定制的功能模块进行组态，实现整个保护测控装置的逻辑控制;

（2）采样模块：对电容器组的模拟量输入以固定采样频率进行电流、电压采样;

（3）开入量输入模块：用于检测断路器、隔离刀闸等位置状态信息;

（4）主控模块：通过外部采集的交流量和开关量，执行组态软件生成保护、测控功能逻辑;

（5）开出模块：通过继电器操作断路器及隔离刀闸，发送动作、告警信号。

各模块之间的关系如图1所示。

此装置需要接入电容器电流、电压、不平衡电流、不平衡电压等，输出到断路器的分合闸信号量接口等。

所研发的装置经过反复调试和改进，已投入运行，目前已在常州地区多个变电所完成了新型电容器谐波保护装置的挂网运行。

3 结语

本文研发了基于諧波分析的电容器谐波保护装置，通过挂网运行，验证了该装置的可行性和有效性。由于其首次投入实际使用，结合常规电容器组及其电抗器相关常规保护装置运行情况，确定和编制了相关的运行、检修规程，并得到以下结论：

（1）针对电力系统中谐波的特点，本文优化了采样滤波回路，提高了采样频率和采样精度，采用组态软件和DFT算法在常规电容器保护装置的基础上，增加了谐波保护功能模块，不仅能完成常规电容器保护功能，而且可以实现电容器组的谐波监视和保护功能。

（2）本文提出了经谐波损耗等值电阻系数修正的含谐波分量的电容器实际电流的有效值保护新算法。

[参考文献]

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[5] 翟运娟，韩本帅，于丽娜.并联电容器装置串联电抗器参数分析与选择[J].国网技术学院学报，2016，19（3）：17-20.

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[7] 王贵山，李应宏.断路器分合闸线圈的绝缘缺陷与改进措施分析[J].高压电器，2016，52（9）：196-199.

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收稿日期：2020-02-09

作者简介：曹良（1963—），男，江苏丹阳人，高级工程师，研究方向：电力系统自动化。