电容器组故障的分布式电流保护方法研究.pdf
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1、0引言随着我国新能源的快速发展及各类新型用电设备的广泛使用,电网规模迅速扩大,电力系统容量急剧增长,电网中无功功率需求持续上升1-9。电力电容器作为电力系统中最常见的无功补偿装备10-14,具有结构简单、使用灵活、性价比高、运行维护方便15-16等优点。在电网实际运行中,受诸多因素影响,往往会产生电力电容器故障17-19,不仅会影响电网的电网质量和安全,还会威胁其他设备的正常运行和DOI:10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2023.03.001 收稿日期:20221028基金项目:国网福建省电力有限公司泉州电公司项目(B31330220005)。电容器组故障的分布式电流保护
2、方法研究黄云程1,沈谢林1,张国灿1,庄奕挺1,林燕强1,彭炜文1,贺清锋2,兰生2,曹腾宇2(1.国网福建省电力有限公司泉州供电公司,福建 泉州362000;2.福州大学电气工程与自动化学院,福州350108)摘要:针对电容器组三相不平衡保护存在使用范围有限和无法识别对称故障的问题,提出一种电容器组故障的分布式技术保护方法。电容器组某台电容器内部发生短路故障后,若不及时切除,易发生外壳爆裂事故。本文研究利用短路故障发生时的电流暂态峰值与电容器标准中的整定值进行比较,实现各台电容器的分布式保护。本文研究过程中利用 PSCAD/EMTDC 软件,搭建了 18 台电容器组模型(单台电容器 4 串
3、13 并结构),对电容器内部元件发生短路故障的状态进行模拟仿真。研究结果表明,电容器内部一个或多个元件故障时,其故障电流峰值基本相同,且投切时系统最大峰值电流小于故障电流峰值,故障电流峰值对电容器组的分布式保护整定值提供了重要参考依据。关键词:电容器组;不平衡保护;分布式保护;短路故障Research on Distributed Current Protection Method for the Faults of Capacitor BankHUANG Yuncheng1,SHEN Xielin1,ZHANG Guocan1,ZHUANG Yiting1,LIN Yanqiang1,PEN
4、G Weiwen1,HE Qingfeng2,LAN Sheng2,CAO Tengyu2(1.State Grid Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Quanzhou Power Supply Company,Fujian Quanzhou 362000,China;2.School of Electric Engineering and Automation Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)Abstract:Inviewofsuchproblemaslimitedscopeofapplicationofthreepha
5、seimbalanceprotectionandnoidentification of of symmetrical fault of capacitor banks,a kind of distributed technical protection method forcapacitorbankfaultsisproposed.Afteroccurrenceofshortcircuitfaultinsideacapacitorinacapacitorbank,if it is not cleared in time,it is likely to have a shell burst.In
6、 this paper,the current transient peak at thetimeofashortcircuitfaultiscomparedwiththesetvalueinthecapacitorstandardtoachievedistributed protectionof each capacitor.In the process of research in this paper,PSCAD/EMTDC software is used to set up a modelof 18 capacitor banks of a single capacitor(four
7、 series and thirteen parallel structures),and the simulation ofthe shortcircuit fault state of the internal elements of the capacitor is simulated.The research results showthat,incaseoffaultofoneormultipleelementsinsidethecapacitor,itspeakfaultcurrentisbasicallyidentical,and the maximum peak current
8、 of the system,in case of switching,is less than the peak fault current,and thepeakfaultcurrentprovidesanimportantreferenceforthedistributedprotectionsetting of the capacitor bank.Keywords:capacitor;imbalanced protection;distributed protection;shortcircuit fault第44卷第3期:0001-00072023年6月电力电容器与无功补偿Powe
9、r Capacitor&Reactive Power CompensationVol.44,No.3:0001-0007Jun.2023无功补偿与滤波 12023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷电力系统的正常稳定运行20-22。因此研究电力电容器故障机理和相应的保护方案十分重要,关系到电力系统运行时的安全性和可靠性23-24。至今为止,国内外关于电容器组故障的保护的研究较少,多集中于故障原因的分析。文献25从电力电容器组不平衡电压保护的原理入手,深入剖析电力电容器组不平衡电压保护动作的原因,但对电力电容器的保护方案没有进一步研究。文献26对电力电容器常见故障的机理进行分析,明确故障特征及其
10、原因,但其缺少相应的仿真验证。文献27分析了电容器组桥差不平衡保护的结构和原理,并且提出一种基于相对电流检测的故障定位方法,解决桥差不平衡保护电容器组的故障定位问题,但缺少桥差不平衡保护的实例分析。文献28-30对10kV 并联电容器的故障原因、接线方式、保护整定计算进行深入详细的分析和探讨,但未对不平衡保护进行理论分析。文献31介绍了高压并联电容器的接线方式,并探究了相应的故障保护措施。机器学习在电容器故障研究的应用也越来越广泛,文献32-33分别利用概率神经网络和 MapReduce 提出了相应的故障定位方法,经过模型训练后验证了两种方法的精度。鉴于现有 10 kV 电容器组在运维检修中存
11、在的故障问题,本文提出一种电容器组故障的分布式电流保护方案,拟研究一种 10 kV 电容器组分布式电流保护装置即单台电容器电流保护装置,能在短路暂态过程检测到电流峰值,及时切除故障电容。通过搭建的电容器组模型采集电容器组不同故障类型时流过单台电容器的电流,再以单台电容器过电流限值为依据,设计相应保护监测算法。仿真结果表明:该方法可以很好地解决电容器组三相不平衡保护存在使用范围有限和无法识别对称故障的问题,且提高了电容器组运行时的灵敏性和可靠性。1电力电容器故障的保护电力电容器是一种全密封装置,其故障类型28-30见图 1 所示。在众多电力电容器故障中内部元件故障对电力电容器损害最为严重,一旦发
12、生无法对其进行现场维修,需要研究相应的保护方案。电力电容器元件出现内部击穿的主要原因为绝缘受潮、生产工艺不良、绝缘介质老化、运行环境恶劣等。当单个电力电容器出现击穿故障时,内部熔丝动作隔离故障元件,故障元件串联段电容量下降,那么故障串联段将承受更大的工作电压。当出现对称故障时,元件电压可能超过继电保护整定值对应的过压水平,造成整台电容器组出现群爆现象,造成极大安全隐患和经济损失,因此,如何避免对称故障造成保护失效对电力电容器安全运行起到非常重要的保护作用。图1电力电容器故障类型Fig.1Type of fault of power capacitor在电力电容器击穿中可以分为热击穿、电击穿和局
13、部放电击穿。热击穿为电力电容器元件内部发热量超过散热量,致使内部介质温度持续升高,使得介质劣化和分解,从而使得电力电容元件发生击穿,其特点为一般发生在稳态运行过程当中。电击穿一般为电力电容器受到过电压或者是高次谐波影响,使得两块极板间介质的电场场强过高,导致存在缺陷的电力电容器被击穿,其特点为电压作用时间短、极板之间场强高。局部放电击穿是由于电力电容器两块极板之间电场分布不均匀,在高电场区域达到了最低击穿场强,使得局部产生放电,绝缘介质老化,最终导致电力电容元件彻底击穿,其特点是持续发生,由局部击穿发展为贯穿性击穿故障。2不平衡保护常见的电容器组不平衡保护有开口三角不平衡保护、桥差保护、差压保
14、护、双星不平衡电流保护等。不平衡保护的目的是将内部元件击穿数量超过电容器允许值的电容器组从系统切除。这样做可以防止有害的过电压加到与熔断器动作电容器单元同一段上的剩余电容器单元上,从而保护可立即受损的电容器单元和其他相关设备。以差压保护为例,见图 2。当 C1或 C2发生元件击穿后,容抗发生变化引起 U 提高,超过一定阈值后保护动作跳闸,该保护不受系统接地故障和系统电压不平衡影响,动作灵敏,可以判断故障相别。该保护主要用于 35 kV 及以下电压等级容量不超过20 Mvar 的电容器组34-35。根据 DL/T 1415高压并联电容器装置保护导则规定保护阈值对应元件过压在 1.151.3 倍。
15、如果元件击穿分别发生在 C1与 C2,则差压保护无法检出内部故障,元件过压倍数可能超过 DL/T 1415 过 22023年第3期(总第207期)黄云程,等电容器组故障的分布式电流保护方法研究压要求,对电容器组运行产生风险。图2相电压差动保护接线示意图Fig.2Schematic diagram of phase voltage differentialprotection3电力电容器组分布式电流保护3.1电力电容器组分布式电流保护原理作为一种无功补偿装置,电容器组的不平衡保护方式均对于对称故障无法进行识别。为解决以上问题提出了电容器组分布式电流保护方法,在电容器组中,每相单台电容器都添加一个
16、设置好电流阈值的电流互感器,当有电容器元件发生击穿故障后,保护提供元件击穿信号,当达到规定数量的元件后,切除该台故障电容器,进行维护和检修。该方法在每台电容器线路上都接电流保护装置,相比不平衡保护适用其范围更广,保护范围无死角,可以对三相不平衡保护进行后备保护,也可以对其进行单独保护。分布式电流保护以电容器组型号TBB10-3600/200-AK 电容器为例,他由 18 台电容器组成,每相 6 台,电容器组额定电压为 10 kV,电容器组容量为 3 600 kvar,单台电容器容量为 200 kvar,单台电容器型号为 BAM-11/3-200-1W,其结构见图 3。图3电容器组和单台电容器内
17、部接线结构Fig.3Internal wiring structure of capacitor bank and single capacitor电容器正常运行时流过每相单台电容器的电流公式为I1=UAR1+2jL1+12jC1(1)式中:UA为电容器组所接三相电源的 A 相电压;R1为每相单台电容器正常运行时等效总电阻,约为0.030 8;为电流频率,为 50 Hz;L1为每相单台电容器正常运行时等效总电感,约为 0.38 H;C1为每相单台电容器正常运行时等效总电容,约为16.31 F。当电容器内部元件击穿时,内部元件向故障元件放电,同时外部并联电容器向故障电容器放电,放电电流路径见图
18、4。在图 3 中,通过检测并联电容器的放电电流峰值可以用以判断内部是否发生击穿。图4电容元件故障后的电流示意图Fig.4Schematic diagram of current after the fault ofcapacitor element单台电容器内部电容器元件故障图见图 5。在图 5 的仿真电路中模拟不同元件故障位置发生时 32023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷的情况,并记录流过单相单台电容器的电流在故障瞬间时所达到的最大峰值。图5单台电容器内部电容器元件故障图Fig.5Fault diagram of internal capacitor element ofsingle
19、 capacitor3.2仿真模型简化与仿真结果熔丝熔断过程包括熔丝定相加热、熔丝液化、熔丝气化等过程。由于单元内部电感远远小于外部电路,放电频率远高于外部回路放电频率,因此忽略熔丝熔断过程,即当元件发生击穿后,完好元件通过连接片对故障元件放电,熔丝吸收能量大于熔丝最小熔断能量时,熔丝开断。其中最小熔断能量36为Wmin=1k5.67LS(2)式中:L 为熔丝有效长度,取 125 mm;S 为熔丝截面积,其计算使用的直径一般取 0.25 mm0.35 mm;k为熔丝效率,取 60%。基于上述击穿故障模型,进行不对称故障仿真研究,为研究方便,对单台电容器内部 4 串 13 并结构编号,见图 6。
20、设置单相单台电容器号中不同数量的电容器元件发生击穿故障,分别记录其发生故障时流过单台电容器的电流暂态过程的最大峰值,得到的结果见表 1。图6单台电容器内部结构编号Fig.6Internal structure number of single set of capacitor表1电容器内号组元件故障时暂态电流峰值Table 1Peak value of transient current in case of elementfault of group I in capacitor电容器元件故障数量/个电流峰值/kA10.859 330.858 750.827 870.810 890.805
21、3图 7 为正常运行时与单台电容器号中不同数量的电容器元件发生短路故障时的单台电容器电流波形对比,可知发生短路故障后暂态过程会出现较大的电流峰值,且不同数量的电容器元件发生故障时该电流峰值几乎相同。图7电容器内号组元件发生短路故障电流波形Fig.7Waveform of short circuit fault current occurred inelement of group I of capacitor由表 1 可得不同数量的电容器元件短路故障对暂态电流峰值影响较小。接着对相同电容器元件不同时刻发生故障的情况进行研究,设置相同电容器元件在同一周期不同时刻发生短路故障,分别采集故障前后的单
22、台电容器电流波形,结果见图 8,可知相同电容器元件不同时刻发生短路故障时暂态过程有所不同,故故障发生时间对流过单台电容器的暂态电流波形有一定的影响,越接近过零点时发生短路故障产生的暂态电流峰值越大。图8不同时刻元件发生故障时暂态电流波形Fig.8Transient current waveform in case of elementfault at different times3.3电流保护阈值的整定在选取整定电流值时应当按照单台电容器或者单个电容器元件被击穿后,其他电容器所承受的长期电压小于额定电压的 1.3 倍的原则确定,确定允许击穿数量。42023年第3期(总第207期)黄云程,等电
23、容器组故障的分布式电流保护方法研究电流阈值取正常运行时稳态电流峰值的 1.3 倍和单串故障暂态峰值的中间值,再考虑生产工艺误差,防止出现误动作和切除不及时等状况,根据电气装置安装工程电气设备交接试验标准中所规定的情况:电力电容器电流整定值为两台电容器并联时相邻电容器放电电流峰值乘以可靠性系数 kp,kp在 0.50.8 之间,并且大于电容器投切时系统最大峰值电流,计算公式为Imax.pk=1 000ULL23CeqLeq(3)式中:ULL是额定最大线电压;Ceq是电容器组的等效电容;Leq是电容器组的等效电感。目前常用的电容器电抗率 KL为 5%、12%,由式(3)计算可知投切峰值电流为额定电
24、流的1/K倍,当K=5%时,峰值电流为额定电流峰值的 4.5 倍。额定电流峰值为0.025kA,故投切峰值电流为0.113 kA,小于表 1 中的电流峰值。因此,电流整定值计算如下I2=()Imax.pk+I32(4)式中:Imax.pk为投切时系统最大峰值电流;I3为发生内部击穿时放电电流幅值。3.4保护实现文中提出的分布式过电流保护方案的流程图见图 9。图9分布式过电流保护方案流程图Fig.9Flow chart of distributed overcurrent protectionscheme当电容器组运行出现故障时,将实际电流互感器实时采集到的每相单台电容器电流暂态数值与整定的电流
25、阈值比较,若采集值大于设定阈值,则及时打开此台电力电容器的保险开关,使此故障的电容器断开。4结语针对无功补偿装置电力电容器三相不平衡保护存在使用范围有限和无法识别对称故障的问题,提出一种电容器组故障的分布式电流保护方法。通过仿真与实验,得出以下结论:1)电容器组中单台电容器不同数量的电容器元件发生短路故障后,单台电容器暂态过程会出现一个较大的电流峰值且不同数量的电容器元件发生故障时暂态电流峰值几乎一样;2)单台电容器中相同元件在不同时刻发生短路故障后,其暂态过程有较大的变化,暂态电流峰值也会发生改变;3)本文所提方法的使用范围广,电容器组加装分布式电流保护装置后灵敏性、可靠性均得到了提高。参考
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- 电容器 故障 分布式 电流 保护 方法 研究
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