用于检测H桥连接的电容器组中的内部故障的方法和装置

摘要

本发明涉及一种用于检测分别以一相或多相连接至电力系统的电容器组中的内部故障的方法。电容器组包括多个电容器单元。每个电容器单元包括并联和/或串联连接的多个电容器元件。电容器单元进一步被划分为两个串，并且将电流互感器布置在两个串的中点以使得电容器单元进一步被划分为四个象限，并且内部故障(多个)可能在一个或多个电容器元件或单元中发生并且涉及一个或多个电容器象限。该方法包括测量电容器组的每个个体相位的相电流(100)；持续计算所测量的相电流的均方根值(110)，由RMS所表示；测量不平衡电流(120)；持续计算所测量的不平衡电流的RMS值(130)；检测所测量的相电流与及其相对应的所测量的不平衡电流之间的相位角(140)；基于所计算的所测量的相电流的RMS值和所计算的所测量的不平衡电流的RMS值持续计算不平衡电流的标幺值(145)；追踪并检测当前所计算的不平衡电流的标幺值和之前所计算的不平衡电流的标幺值之间的所计算的不平衡电流的变化(160)；确定不平衡电流的标幺值的阶跃变化(170)；基于所确定的不平衡电流的标幺值的阶跃变化和所检测的相位角确定内部故障的数量以及它们的对应位置(200)；以及在所确定的内部元件故障的总数超过第一或第二阈值时发起警报和/或跳闸信号(210)。

说明书

技术领域

本发明涉及检测分别以一相或多相连接至电力系统的电容器组中的内部故障的领域。其尤其涉及检测H桥电容器组中的内部故障，其中该电容器组包括多个电容器单元并且每个电容器单元包括并联和/或串联连接的多个电容器元件，并且其中电容器单元进一步被划分为两个串。两个串的中点通过电流互感器而接合在一起。因此，电容器单元进一步被划分为四个象限，并且内部故障可能在一个或多个电容器元件或单元中并且涉及电容器组中的一个或多个电容器象限。

背景技术

安装电容器组以通过在电力系统中提供无功功率补偿和功率因数校正来提高电力供应的质量。电容器组的使用已经由于其相对廉价、安装便利且快捷、并且几乎能够部署在电力系统网中的任何地方而有所增加。电容器组安装对于系统具有其它有益影响，诸如电压分布改善、更好的电压调整、损耗减少、功率传输容量增加以及传输和发电容量的投资降低或延期。

电容器组由多个个体电容器单元装配而成。每个个体电容器单元是电容器组的基本构建模块并且包括在金属外壳内以并联/串联连接的组进行布置的多个个体电容器元件。根据组的应用，单元可以是外部或内部熔断、无熔断或非熔断的。元件可以连接至熔断器并且元件组在通常由内部放电电阻器所分流以便在从电力系统断开连接之后降低单元剩余电压。每个电容器元件由通过缠绕两片铝箔电极而得以构建，这两片铝箔电极由若干层纸、或者塑料绝缘薄膜、或者纸和塑料薄膜的混合电介质间隔。

电容器组通常还使用串联和/或并联连接的个体电容器单元来构建以获得所需额定电压。

然而，由于例如所设计额定电压的不当选择而发生在一个或多个象限中的关于所操作熔断器、故障元件和/或故障单元的内部故障，这可能会导致所选择的电容器组的连续高压应力，并最终可能导致电容器元件的电介质故障。内部故障的其它原因可以是过电流、过电压、短路、热故障和内部应力。其还可能包括由于不良熔断器配对所导致的熔断器误操作。

现有的不平衡保护方案通常可用于检测这样的内部故障。例如，不平衡保护可以用在各种电容器组连接中：接地Y形、非接地Y形、星形、和单相。H桥的现有内部故障保护是基于电流测量，通常通过在两个电容器串的中点处将该两个串连接在一起的链路中使用电流互感器进行。任何电容器的任意电容变化将导致也被称作不平衡电流的H电流的变化。

然而，基于H桥方案的现有不平衡保护很容易不正确地检测内部故障的数量，原因在于内部故障不平衡信号能够通过任意两个或更多相邻象限中的内部故障的组合而被抵消。这继而导致检测内部故障数量方面的不准确。此外，这样导致的不准确可能使得电容器组中的未检测到的故障，其可能会导致在采取早期防护措施之前发生伴随整个电容器组严重损坏的起火或爆炸的风险。

此外，由于电容器组包括多个单元，每个单元包含多个元件，无法识别内部故障的位置导致了高成本的维护，这是因为整个电容器组都必须被停机且必须执行排除性搜索。更重要地，这会影响到电容器组的可用性。

US4956739描述了一种用于具有双重H桥布置的电容器组的保护系统，其中使用两个电流互感器来测量不平衡电流，并且其中通过相位角计算来定位故障。然而，没有针对抵消效应而采取措施，该抵消效应是经历H桥电容器组中任意两个相邻象限中的内部故障组合的结果。因此，该系统不能确定组中内部故障的准确数量，这会影响系统的可靠性和灵敏度。此外，其可能仅当存在使用双H连接组而不是使用具有一个电流互感器的典型H连接组，将每个相划分为6个相等的电容器单元电池的两个电流互感器时才可应用。

因此，期望一种用于H桥布置的更为灵敏且准确的内部故障检测和保护方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于基于H桥不平衡电流阶跃变化计算来检测电容器组中的内部故障的改进方法，其中该内部故障可能在一个或多个电容器元件/单元中发生和/或涉及电容器组中的一个或多个电容器象限。

该目的通过如权利要求1的前序部分中所限定的不平衡电流检测方法而实现，其特征在于该方法进一步包括：基于所计算的所测量的相电流的RMS值和所计算的所测量的不平衡电流的RMS值持续计算不平衡电流的标幺值(per unit value)，追踪并检测当前所计算的不平衡电流的标幺值和之前所计算的不平衡电流的标幺值之间的所计算的不平衡电流的变化，确定不平衡电流的标幺值的阶跃变化，基于所确定的不平衡电流的标幺值的阶跃变化和所检测的相位角，确定内部故障的数量及其对应位置，以及在所确定的内部元件故障的总数超过第一或第二阈值时，发起警报和/或跳闸信号。

当电容器组中发生故障时，其将导致H桥上的不平衡电流的变化。该故障可能涉及到一个或多个内部故障。该故障能够通过检测在对缺陷电容器进行电弧放电期间发生的故障事件时出现的不平衡电流峰值而加以区分。然而，在两个连续内部故障涉及两个相邻象限的情况下，来自一个象限的内部故障会抵消另一个象限所生成的不平衡电流信号，这导致检测不到不平衡电流或者检测不到不平衡电流的变化。结果，不能正确确定内部故障的准确数量。根据本发明，这样的抵消效应通过基于不平衡电流的阶跃变化表现以及对应的相电流的不平衡电流标幺值的该阶跃变化符号与所检测的相位角之间的关系，确定内部故障的准确数量而被排除。因此，本发明使得能够确定内部故障的准确数量。

由于本发明使得能够确定内部故障的准确数量这一事实，本发明使得能够基于该更准确的信息，通过发送适当警报和/或跳闸信号而采取正确的措施，这进一步提供了更为灵敏且可靠的不平衡H桥保护机制和解决方案。

此外，基于不平衡电流标幺值的阶跃变化符号和所检测相位角之间的关系，能够依据检测经历过故障事件的可能的两个象限来确定内部故障的位置，同时对这两个象限进行对角地定位。有利的是，内部故障的位置得以被识别以更为有效地进行电容器组的维护。理论上，所发明方法节省了50％用于检测错误的时间。

本发明进一步的优势在于，能够在没有检测到内部故障或每相的内部故障数量小于某个限制的情况下避免调度维护。

使用不平衡电流的标幺值是有利的，原因在于其独立于系统暂态变化并且对电容器组的温度和频率变化依赖较少。因此，无需由于这样的变化而补偿不平衡信号或者为了避免暂态变化而考虑延时。该标幺值可以进一步被缩放至预定的阈值以使得对应于该特定不平衡电流的内部故障的数量能够得以确定。

本发明的另一个优势在于，无需对自然的不平衡电流进行补偿以便获得准确的不平衡信号。这是因为检测是基于不平衡电流的阶跃变化。

根据本发明的一个实施例，通过检测不平衡电流的变化，追踪不平衡电流的变化并且持续将该变化与预定阈值进行比较，来确定阶跃变化。这是通过在短暂延迟之后开始对不平衡电流的变化进行追踪，以避免在随后有不平衡电流衰减的电弧放电期间的突变效应并且在不平衡电流达到稳定状态时停止追踪来实现的。

根据本发明的另一个实施例，所检测的相位角被标准化，例如被标准化至0°或180°，并且基于所确定的不平衡电流的标幺值的阶跃变化以及所标准化的相位角来确定内部故障的数量。

根据本发明的一个实施例，当任意象限中内部故障的数量超过第一阈值时，确定警报信号。

根据本发明的一个实施例，当任意象限中内部故障的数量超过第二阈值时，确定跳闸信号。

根据本发明的一个实施例，该第一和第二阈值分别对应于警报和跳闸等级。因此，该警报等级等同于故障的元件、单元的数量，或者任意象限中取决于配置的如下运行的熔断器的数量，该运行的熔断器超过了跨健康的熔断器的预定过电压限制，该限制可以被设置为在于自然错误之上以在内部故障之后可靠地工作。跳闸等级是取决于导致健康电容器上的额外电压的配置的，故障的元件、运行的熔断器或短路单元的最大数量，其并不超过这些电容器的偶然过电压容量。然而，也可以引入新的阈值。

本发明的目的还通过如权利要求7中所限定的装置来实现。这样的装置针对每个个体相包括第一电流互感器、第二电流互感器、计算单元和检测单元。第一电流互感器被布置为测量相电流。第二电流互感器被布置在两个串的中点用于测量不平衡电流。计算单元被配置为持续计算所测量的相电流的RMS值，持续计算所测量的不平衡电流的RMS值，并且基于所计算的所测量的相电流的RMS值和所计算的所测量的不平衡电流的RMS值来持续计算不平衡电流的标幺值。检测单元被配置为检测所测量的相电流及相对应的所测量不平衡电流之间的相位角，追踪并检测当前所计算的不平衡电流的标幺值和之前所计算的不平衡电流的标幺值之间的所计算的不平衡电流的变化，确定不平衡电流的标幺值的阶跃变化，基于所确定的不平衡电流的标幺值的阶跃变化以及所检测的相位角，确定内部故障的数量及其对应位置，以及当所确定的元件故障数量超过第一或第二阈值时，发起警报和/或跳闸信号。

此外，保护单元进一步被配置为追踪不平衡电流的变化，并且将该变化与预定阈值持续进行比较，以确定不平衡电流的标幺值的阶跃变化。

另外，保护单元经一步被配置为将所检测的相位角进行标准化，并且基于所确定的不平衡电流标幺值的阶跃变化与所标准化的相位角，确定内部故障的数量及其对应位置。

根据本发明的实施例，该方法由权利要求10所限定的计算机程序产品来实施。

这样的计算机程序产品包括接收所测量的相电流，计算所测量的相电流的RMS值，接收所测量的不平衡电流，计算所测量的不平衡电流的RMS值，检测所测量的相电流与其对应的所测量不平衡电流之间的相位角，基于所计算的所测量的相电流的RMS值和所计算的所测量的不平衡电流的RMS值，计算不平衡电流的标幺值，追踪并检测当前所计算的不平衡电流的标幺值和之前所计算的不平衡电流的标幺值之间的所计算不平衡电流的变化，确定不平衡电流的标幺值的阶跃变化，基于所确定的不平衡电流标幺值阶跃变化和所检测的相位角，确定内部故障的数量和内部故障中的每个故障的位置，并且在所确定的内部故障的总数超过第一或第二阈值时发起警报和/或跳闸信号。

该计算机程序产品可以进一步包括对所检测的相位角进行标准化，并且基于所确定的不平衡电流的标幺值的阶跃变化和标准化的相位角，来确定内部故障的数量及其相对应的位置。

这样的计算机程序能够从可读介质被加载到计算处理器的存储器中，例如电气设备的计算处理器，以向H桥电容器组提供该改进的不平衡电流保护。

附图说明

现在通过对本发明不同实施例的描述以及参考附图对本发明进行更为详细地解释，其中：

图1是图示根据本发明的一个实施例的用于检测H桥电容器组中的内部故障的发明方法的流程图。

图2a-c分别图示在检测到六个故障事件的示例中的仿真测试中的瞬时不平衡电流波形、对应的不平衡电流的标幺值、以及不平衡电流和相电流之间的相位角。

图3a-b分别示出与图2a所示的瞬时故障事件相对应的两个对角布置的象限组中的每个象限组的内部故障数量。

图4示出每个瞬时故障事件的信息如何被保存并记录在表格中以便决定发送警报或跳闸信号的示例。

图5a-b图示其中均可能出现模糊检测的两种情形。

图6示意性图示根据本发明实施例的用于检测电容器组中的内部故障的装置，其中该电容器组连接至三相电力系统并且每相包括一个H桥保护机制。

图6a-b示例性地图示布置在每个象限中的电容器单元的示意性配置以及图6所示的电容器组的每个电容器单元中的电容器元件的示意性配置。

图7示出了示出描绘出与基于图6a-b所示装置的不平衡电流标幺值的阶跃变化相对应的内部故障数量的查找表的示例。

具体实施方式

参考图6和图1，用于检测电容器组的内部故障的装置1在其端子的一端连接至三相A、B和C电力系统并且在端子的另一端接地。H桥电容器组3A、3B和3C连接至A、B和C相中的每个。每个H桥包括被布置用于在步骤100测量每个相应相电流I_pha、I_phb、I_phc的第一电流互感器CT_1A、CT_1B、CT_1C，被布置用于在步骤120测量每个相应不平衡电流I_una、I_unb、I_unc的第二电流互感器CT_2A、CT_2B、CT_2C，计算单元4和保护单元6。

第二电流互感器CT_2A、CT_2B、CT_2C被布置在两个串的中点，从而电容器单元被划分为四个象限Q1a、Q2a、Q3a和Q4a；Q1b、Q2b、Q3b和Q4b以及Q1c、Q2c、Q3c和Q4a。每个象限中的电容器单元可以并联和/或串联连接，其均包括并联和/或串联连接的多个电容器元件。

在该示例中，在每相中，电容器组3A、3B、3C被划分为4个同样的象限；每个象限具有分布在三个串上的14个电容器单元。如图6a所示，两个串具有两个串联的两个并联连接的电容器单元的组，而第三个串则具有两个串联的三个并联连接的电容器单元的组。如图6b所示，每个电容器单元具有两个串联的19个并联连接的电容器元件的组。

然而，应当理解的是，本发明并不局限于该具体配置。应当理解的是，虽然电容器在该特定示例中具有内部熔断配置，但是本发明也可应用于任意类型的熔断、无熔断或非熔断电容器组。此外，电容器组可以是非接地的。

计算单元4连接至每个个体相位A、B和C的第一和第二电流互感器CT_1A和CT_2A，CT_1B和CT_2B，CT_1C和CT_2C。此外，计算单元4被配置为从第一和第二电流互感器接收测量结果并且分别在步骤110和130计算所测量的相电流和不平衡电流的RMS值。所有测量都基于对瞬时电流进行采样。样本可以被保存在存储器中的缓冲器中以提供输入信号的动态快照(moving snapshot)并且应用递归RMS电流计算。

此外，基于所计算的所测量的不平衡电流的RMS值与所测量的或所计算的相电流的RMS值之间的比率，能够计算不平衡电流的标幺值，如以下在步骤145：

$>I_{\mathrm{unpu}}=\frac{I_{\mathrm{unrms}}}{I_{\mathrm{phrms}}}$>

此外，该标幺值可以进一步被缩放至查找表中所包含的预先指定值，参见作为示例的图7，其中对于每个不平衡电流值，提供对应于该值的内部故障的数量。在该示例中，内部故障的数量作为熔断的熔断器或故障元件的数量而给出。

保护单元6被配置为与计算单元4进行通信，并且其主要功能是确定内部故障的数量以及故障位置，并且基于内部故障的数量发送警报信号和/或跳闸信号。该警报或跳闸信号可以被发送至处于变电站的操作人员监控显示器，以及该跳闸信号可以进一步被发送至电路断路器以便断开与电力系统的电气连接。在该实施例中，计算单元4和保护单元6被配置为作为两个单独模块。然而，它们可以被整合为像智能电子设备(IED)那样的一个单元。计算单元4和保护单元6例如可以是微计算处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或标准计算机。

基于所计算的所测量的相电流和所测量的不平衡电流的RMS值，保护单元6进一步被配置为在步骤140检测相位角。所计算的相位角可以进一步被标准化为0°或180°，以便检测经历故障事件的可能的两个象限。

在图6b所示出的配置中，在象限Q2a或Q3a正在经历故障事件的情况下，不平衡电流与相电流同相，这意味着所计算的相位角等于0°。在象限Q1a或Q4a正在经历故障事件的情况下，不平衡电流与相电流反相，这意味着所计算的相位角等于180°。然而，对于无熔断和非熔断电容器组而言，与象限中的元件故障等同的不平衡电流角度与该示例相反，即180°等同于象限Q2a或Q3a中的元件故障，而0°则等同于Q1a或Q4a中的元件故障。

参考图2a-c所示的示例，对本发明进一步进行解释。在该实验中，从时刻0.9秒开始，连接至A相的电容器组3A已经经历了A相中的6次故障事件，该故障事件由如图2a所示出现的6个电流峰值区分出。这些峰值在熔融链路断裂之前在电容器元件之上进行电弧放电的期间出现。每个故障事件在步骤160中被识别为当前所计算的不平衡电流幅度和之前所计算的不平衡电流幅度之间的不平衡电流变化。这样的变化能够通过将该变化与预定阈值进行比较来确定，并且如果该变化大于阈值，则该变化将被追踪。图2b图示了单位相电流的相应的不平衡电流波形，并且设置的用于警报和跳闸信号两者的典型电流限制对应于一个或十个内部故障。图2c示出了对应于故障事件的相电流和不平衡电流之间的相位角。通过追踪变化直至其达到其稳定状态，在步骤170确定不平衡电流的阶跃变化。

基于不平衡电流的阶跃变化以及所检测的不平衡电流和相电流之间的相位角，在步骤200可以确定内部故障的数量以及每个故障的位置。

图5a和5b对均会导致模糊检测的情形的两个示例进行了解释。图5a所示的第一示例是其中发生完全抵消效应的情形。第一故障事件是在1.15秒处象限Q1a中的两个熔断的熔断器，而2.05秒处的第二故障事件是象限Q2a或Q3a中的两个其它熔断的熔断器。由于不平衡电流与之前故障的电流方向相反，所以其使得将为零的不平衡信号被取消，并且由于没有检测到不平衡电流而导致了模糊检测。图5b所示的第二示例为其中发生部分抵消效应的第二情形。单个元件在1.0秒处在Q1a中发生单个元件故障。0.8秒之后，两个元件同时发生故障，但是处于相邻象限(Q2a或Q3a)中。第二故障事件所导致的不平衡电流几乎是第一故障事件所导致的不平衡电流的两倍但是方向相反，这使得不平衡电流看上去没有变化。

这些模糊性通过所发明方法的实施例得以解决。在检测到不平衡电流的阶跃变化的情况下，能够基于如图7所示例的查找表而获得内部故障的数量。随后，通过计算内部故障的数量来确定内部故障的位置，该数量能够被处于象限Q1a或Q4a的任意一个之中或者处于象限Q2a或Q3a的任意一个之中的内部故障计数器所记录。该计数器继而被相应的更新。该分支解决了完全抵消效应的问题。

在检测到没有不平衡电流阶跃变化并且至少一个故障事件的情况下，这意味着检测到了部分抵消效应并且继而确定内部故障的数量。

图3a和3b共同示出了对应于每个瞬时故障事件的两个对角地布置的象限组中的每一个中所记录的内部故障数量的示例，其中引入了新的警报和跳闸限制。新的限制最初基于剩余健康电容器上的电压超过这些电容器的偶然过电压容量之前所允许的内部故障的最大数量进行设置。在该示例中，警报限制被设置在两次内部故障之后，并且跳闸信号被设置在十次内部故障之后。

在以上所描述的两种情形中，过程以更新如图4所示表格中的内部故障信息而结束，其中与内部故障数量和故障位置相关的信息被相应更新，用于在步骤210进行有关发送警报和/或跳闸信号的决策。

本发明克服了由错误检测所导致的模糊性问题。该错误检测由于抵消效应而发生，如图2b中所论证的示例中所解释的，抵消效应导致不发送适当的跳闸信号。如图3a和3b所解释的，本发明通过发送适当警报和跳闸信号而克服了这一问题。基于新引入的限制，诸如警报和跳闸信号的动作信号得以发送。不同于取决于最近所测量不平衡电流的现有方法，新的限制是基于实际故障数量。