一种用于防止滤波器中的高压电容器被击穿的保护方法

摘要

本发明提供了一种用于防止滤波器中的高压电容器被击穿的保护方法，在无法直接获得高压电容器承受电压的情况下，通过可以测量到的各次谐波电流之和，精确计算出高压电容器上的周期性峰值电压；在承受电压峰值超过允许范围的情况下，及时发出告警或跳闸信息，防止高压电容器被击穿损坏。本发明的突出优点是可以在原有的保护装置平台上增加独立的回路实现，不需要大幅度提高保护装置的采样频率和CPU计算负担，避免了过高的硬件成本。与原有的过流保护方案相比，新方案抓住了高压电容器损坏的根本原因，保护判据更明确、更直接，具有更高的精度，保护效果也更好，具有极高的推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及电学领域，尤其涉及直流输电中滤波器的一种用于防止滤波器中的高压电容器被击穿的保护方法。本发明主要适用于直流输电中高电压等级的滤波器、并联电容器等设备。

背景技术

直流输电是国内最近几年迅速发展起来的电力传输方式，核心原理就是通过换流器把交流电整流为直流电进行输送，再通过换流器把直流电逆变为交流电送入交流电网。由于换流器工作的非线性特点，在运行的同时会产生较大的谐波成分，影响交流电网的电能质量；此外，整流器会从交流电网中吸收容性无功。因此，各种类型的滤波器设备(含并联电容器)被广泛地应用于换流变电站中，用于吸收谐波和提供容性无功；

高压电容器是滤波器设备的核心部件，造价较高，运行中承受了滤波器的大部分系统电压；其运行状况直接决定了滤波器的幅频特性。现在的高压电容器都是通过多个电容器元件串、并后构成，系统电压均匀地分散到每个电容器元件上。

电容器元件的损坏，基本上是由于所承受的电压峰值超过本身所允许的范围后，发生击穿(或熔断)而损坏；同时，损坏后的电容器元件会把自身承受的电压分散到其它电容元件上，使其它元件承受更高的电压，更容易被击穿，最后形成雪崩效应。

为防止电容器的损坏，最为有效的方法是直接测量高压电容器上所承受的电压峰值，如果超出允许范围则及时报警或跳闸；由于高压电容器是整个滤波器的一个组成部分，其构成形式决定了无法直接测量其承受的电压量。

为防止高压电容器的损坏，目前的保护方案均为过电流保护方案，即测量流过高压电容器的各次谐波电流之和的有效值，当电流值达到一定的整定值后，发出告警或跳闸信号，如下面公式所示；

I_sum＝I₁sin ωt+I₂sin 2ωt+…+I₅₀sin 50ωt

$>I_{\mathrm{sum}.\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\int }_0^T{I}_{\mathrm{sum}}^2\mathrm{dt}}>I_{\mathrm{set}}$>

这种过电流方案存在的主要问题是，该方案没有直接针对电容器损坏的主要原因—承受电压过高造成击穿进行保护，并且流过电容器的各次谐波电流之和与电容器承受电压之间有较大的差异，该方案不能从根本上解决高压电容器被击穿损坏的问题。

另外，为消除换流器工作中产生的特征次谐波(常规12脉动换流单元的特征次谐波为12K±1，K为正整数)，滤波器的谐振频率点一般都与换流器的特征次谐波相吻合；这样，正常流过滤波器的电流中，特征次谐波电流占了很大的比例。目前的保护装置由于硬件成本的限制，一般设计的采样频率较低(24点/周波或48点/周波)，要精确计算高次谐波量值是非常困难的。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种用于防止滤波器中的高压电容器被击穿的保护方法，以在不提高采样频率和增加CPU处理负担的基础上，精确地计算出高压电容器所承受的电压峰值，防止电容器被高电压击穿而损坏。

本发明的技术方案在于提供一种用于防止滤波器中的高压电容器被击穿的保护方法，通过测量流过高压电容器的各次谐波电流之和，准确计算出高压电容器上承受的电压的峰值，当电压超出允许范围后，可以发出告警或跳闸信号。

具体步骤如下：

(1)把流过高压电容器的各次谐波电流之和变换成内部可以处理的弱电信号，即$>I_{\mathrm{sum}.2}=\frac{I_{\mathrm{sum}}}{M_1*M_2},$>本步骤与常规保护方案相同；

(2)把弱电信号在装置内部的单位电容器C_i上进行积分变换，取得积分电压值U_ci，即：

$>U_{\mathrm{Ci}}=\frac{1}{C_i}{\int I}_{\mathrm{sum}.2}\mathrm{dt}=\frac{1}{M_1{M}_2{C}_i}\int (I_1\sin \mathrm{\omega t}+I_2\sin 2\mathrm{\omega t}+···+I_{50}\sin 50\mathrm{\omega t})\mathrm{dt}$>

$>=-\underset{k=1}{\overset{50}{\Sigma }}\frac{I_k\cos \mathrm{k\omega t}}{\mathrm{k\omega }{M}_1{M}_2{C}_i}$>

本步骤是取得高压电容器上电压的关键步骤；如果采用常规的傅氏算法进行实时积分运算，就需要对50次以下各次谐波进行分别处理，要求保护装置具有极高的采样频率(200点/周波以上)和强大的运算能力，这将大大提高保护装置的硬件成本。

(3)取得电容器上周期性积分电压的峰值。由于电压峰值是造成电容击穿的主要因素，并且各次谐波均为周期性变化，需要对周期性产生的电压峰值进行测量。为防止较低的采样频率带来的测量误差，需要采用峰值测量回路进行周期性的锁定、展宽并释放，即：

U_p＝MAX{abs[U_Ci]}

本步骤是取得高压电容器上周期性电压峰值的关键步骤；如果不进行此步骤的处理，为减小测量误差，也必须提高保护装置的采样频率。

(4)为防止非周期性的干扰信号对周期性电压峰值的影响，需要对取得的电压数据进行优化处理，消除干扰信号带来的测量误差；

(5)对测量数据进行折算，计算出高压电容器上的周期性峰值电压，与电容器的电压允许值进行比较；如果大于允许值，则发出报警或跳闸信号。折算公式为：

$>U_{\mathrm{Ch}}=\frac{M_1*M_2*C_i}{C_h}{U}_p$>

综上所述，新的保护方案可以通过测量流过高压电容器的各次谐波电流量，精确计算出被保护对象所承受的峰值电压；当电压超出允许范围后，可以发出告警或跳闸信号。对原来的保护方案相比，新的保护方案判断的对象更直接、更明确，计算精度也更高；其次，新的保护方案的实现也不会对原有的保护平台提出更高的要求，实现门槛较低，便于推广使用。

附图说明

图1为滤波器的构成示意图；

图2为本发明的信号处理流程示意图；

图3以流入单位幅值的12次和24次谐波电流的合成电流示意图；

图4输入电流与积分电压的关系示意图；

图5积分电压与峰值电压的关系示意图。

具体实施方式

下面结合图1～图5，对本发明的原理及工作步骤予以详细说明和论证。

1、信号处理过程的介绍：

图1为滤波器的构成示意图(左为双调谐滤波器，右为三调谐滤波器)，高压电容器C₁位于滤波器的顶部，承受了大部分的系统电压；通常与电感L₁形成谐振，成为滤波器的一个谐振频率点；图2为本发明的整个信号处理过程：流过高压电容器的各次谐波电流和经过电流变换器T₁变换后成为I_sum流入保护装置；经过保护装置的TA变换后形成弱电流信号I_sum.2；积分电路将弱电流信号积分成为电压值U_ci后送入峰值检测单元；峰值检测单元负责周期性地检测积分电压的最大值U_p并送入CPU进行数据处理及保护动作判断。

2、以双调谐滤波器为例进行方案的计算对比说明

目前经常使用的滤波器有单调谐、双调谐和三调谐滤波器(谐振点分别有1个、两个和三个)；以最常用的12/24双调谐滤波器为例(谐振频率点为12倍和24倍基频)，假如流过高压电容器的电流为单位幅值的12次谐波电流和24次谐波电流，如图3所示，即I_sum.2＝sin12ωt+sin24ωt；按照以前的过电流保护方案进行计算，总电流的有效值为：

$>I_{\mathrm{sum}.2.\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\int }_0^T{I}_{\mathrm{sum}.2}^2\mathrm{dt}}=1$>

按照新的保护方案进行积分运算，在不考虑电流变换器变比的情况下，得到的积分电压U_ci为：

$>U_{\mathrm{Ci}}=\frac{1}{C_i}{\int I}_{\mathrm{sum}.2}\mathrm{dt}=\frac{1}{C_i}\int (\sin 12\mathrm{\omega t}+\sin 24\mathrm{\omega t})\mathrm{dt}$>

$>=-\frac{\cos 12\mathrm{\omega t}}{12\omega C_i}-\frac{\cos 24\mathrm{\omega t}}{24\omega C_i}$>

积分电压U_ci与输入电流I_sum.2的关系参照图4；

为了在采样频率较低的情况下能准确捕捉积分电压U_ci的峰值，需要对U_ci进行峰值检测。整个过程包括三个阶段：数据跟踪段、数据保持段和数据释放段，相当于把数据的最大值进行展宽；如图5所示。

从以上计算的结果可以看到，不同的方法得出的结果相差很大：从电流有效值的计算结果来看，和电流的有效值相当于单位基波电流有效值的倍；从积分电压的计算结果来看，12次、24次谐波电流的积分电压结果只相当于单位基波电流的积分电压的1/12和1/24；从以上分析可以看到，原来的过流保护方案并没有考虑不同频率的电流对电容器的影响，也没有考虑电流中各次谐波所占的比例，仅单纯考虑电流有效值的大小，对于电容器损坏的根本原因--承受过高电压造成击穿，原保护方案没有过多的考虑；

新的保护方案对电流的有效值大小、积分电压有效值、各次谐波所占比例等方面等均不考虑，只针对电容器上的周期性峰值电压进行计算，抓住了电容器损坏的本质特征，保护判据更加明确、直接，也具有更好的效果。