并聯(lián)電容器過電壓保護計算

并聯(lián)電容器過電壓保護計算

1諧波電壓的增加隨著電子系統(tǒng)中非線性負荷的增加，電網(wǎng)中的波形數(shù)量和振幅也會增加。由于有很多波形，連接電網(wǎng)的電動汽車也會增加產(chǎn)生聲波過載的可能性。傳統(tǒng)過電壓保護算法是通過采樣母線電壓計算出電壓峰值Um,電壓有效值通過U=Um/2√U=Um/2式計算得到。諧波條件下的并聯(lián)電容器保護在算法和保護啟動電壓值整定上都有別于工頻(基波)條件下的保護,因為電壓峰值和有效值之間的關(guān)系不再是固定不變的。2電容器電壓的行為電容器故障的一個主要原因是由于過電壓引起電容器材料絕緣水平的降低,最后導致絕緣擊穿而使電容器受損。電容器過電壓保護時的電壓啟動定值和保護跳閘時間是根據(jù)相關(guān)的國家標準進行設(shè)置的。《高電壓并聯(lián)電容器》(GB3983.2-1989)(以下簡稱國家標準)給出電容器保護的相關(guān)條款。(1) 電容器可承受長期過電壓的最高值不超過1.10UN,表1給出了電容器工頻過電壓-時間關(guān)系。(2) 在計入穩(wěn)態(tài)過電壓、穩(wěn)態(tài)過電流和電容正偏差各因素的作用下,電容器總的容量不超過1.35倍額定容量。(3)如果電容器在不高于1.10Un下長期運行,則包括所有諧波分量在內(nèi)的電壓峰值應(yīng)不超過1.22√Un(1.697UN)1.22Un(1.697UΝ)。IEEE標準18-1992和IEEE標準1036-1992對于并聯(lián)電容器過電壓時間給出了較為詳細的規(guī)定,如下:(1) 2.2Un持續(xù)時間為0.12s(6個基波周期)。(2) 2.0Un持續(xù)時間為0.30s(15個基波周期)。(3) 1.7Un持續(xù)時間為1s。(4) 1.4Un持續(xù)時間為15s。(5) 1.3Un持續(xù)時間為1min。(6) 1.25Un持續(xù)時間為30min。根據(jù)國家標準和IEEE標準規(guī)定繪制電容器的過電壓的反時限曲線(如圖1),過電壓保護跳閘時間的整定可以將圖1的曲線描繪成分段函數(shù)t=f(U/Un),然后進行反時限的自動整定,也可以設(shè)置幾個典型電壓啟動值來整定保護跳閘時間。并聯(lián)電容器過電壓保護算法通常是對采樣電壓序列值應(yīng)用某種算法(如傅氏算法、最小二乘法等)算出電壓最大值,然后由電壓最大值得出電壓有效值,最后與過電壓保護定值比較,判斷是否進行保護跳閘。保護跳閘時間基于標準和電容器過電壓的反時限曲線進行整定。過電壓返回值整定為0.95倍過電壓定值。上述的算法是基于電壓波形為標準正弦波的情況下進行的,不適用于諧波條件下的畸變電壓波形。諧波條件下并聯(lián)電容器過電壓時,電壓峰值和有效值的計算和整定將在下面論述。3在波形條件下，過載保護3.1實驗結(jié)果與分析穩(wěn)態(tài)運行時并聯(lián)電容器實際所承受的電壓包括基波和各次諧波在內(nèi)的電壓總和。由于諧波存在以及電容器對某些次諧波的放大從而造成電壓波形的畸變,畸變的電壓波形中電壓峰值和電壓有效值沒有對應(yīng)的2√2倍關(guān)系,Um＞2√UUm＞2U、Um＜2√UUm＜2U和Um=2√UUm=2U這三種情況都有可能出現(xiàn)。首先定義兩個概念:等效有效值電壓Ueq=Um/2√Ueq=Um/2;等效峰值電壓Umeq=2√UUmeq=2U。在標準正弦電壓波形下有U=Ueq和Um=Umeq。在諧波條件下,電壓有效值和峰值還會出現(xiàn)下面兩種情況。圖2所示,將實際電壓波形(實線)和正弦波形(虛線)比較可以發(fā)現(xiàn)U>Ueq。圖3為U<Ueq的波形。圖2、圖3中實線為畸變電壓波形,三個參數(shù)都是來表述畸變波形的。其中,實際峰值電壓Um是畸變波形的峰值,等效有效值電壓Ueq是按照Ueq=Um/2√Ueq=Um/2計算得到,(標準正弦波形的計算方法,是一種誤算);畸變波形的實際有效值電壓U=1T∫T0u2dt?????????√U=1Τ∫0Τu2dt,有時Ueq>U,有時Ueq<U。由圖2和圖3可知,對于畸變的電壓波形,如按照傳統(tǒng)算法來獲得電壓有效值作為過壓保護的判斷依據(jù)將產(chǎn)生很大的誤差,導致保護誤動或拒動,從而不能夠?qū)﹄娙萜鬟M行有效的保護。對諧波條件下的畸變電壓波形,我們要分別計算出峰值和有效值,即對離散采樣的電壓序列分別計算實測的峰值和有效值。可以采用最大值算法來計算電壓峰值,將一個周期中采樣值的最大值作為電壓峰值。Um=Max[|Ui|](1)式(1)中Um為實際電壓峰值,Ui為采樣值。由于采樣時間不一定剛好落在最大值時刻,因此,所取的值與實際最大值存在一個誤差。幅值的誤差大小與采樣頻率有關(guān),采樣頻率越高,則誤差越小,精度越高。如同前面所說,電壓有效值不能夠根據(jù)峰值來計算,諧波條件下電壓的峰值和有效值沒有對應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)電壓有效值定義U=1T∫T0u2dt?????????√1Τ∫0Τu2dt,對離散的采樣電壓序列值可由式(2)來計算電壓有效值。U=1N∑i=1NU2i???????ue001?ue000ue000(2)U=1Ν∑i=1ΝUi2(2)式中U—電壓有效值;Ui—采樣值;N—一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)。3.2保護跳閘時間的確定基于計算出的電壓峰值和電壓有效值,就可以根據(jù)國家標準和IEEE標準規(guī)定的過電壓保護定值判斷啟動和計算跳閘時間。值得注意的是,過電壓保護啟動定值和跳閘時間都是按照電壓有效值來進行的。諧波條件下過電壓保護跳閘時間及其選取的有效電壓值按照下面原則選取:(1) 當Um＜1.22√UnUm＜1.22Un時,用實際有效電壓值U來判斷保護是否啟動及計算保護跳閘時間t=f(U/Un)。這是基于峰值電壓沒有越限,無需考慮峰值電壓的影響。(2) 當Um＞1.22√UnUm＞1.22Un時,要考慮峰值電壓對電容器的影響,分下面兩種情況討論:A.當Ueq>U時,用等效電壓有效值來計算保護跳閘時間t=f(Ueq/Un)。這是基于將電壓波形按照實測峰值電壓等效的正弦波來考慮電容器的耐壓時間。如果按照實測有效電壓來計算跳閘時間就沒有考慮峰值電壓的影響,跳閘時間過長,會造成電容器損壞。B.當Ueq<U時,用實際有效值來計算保護跳閘時間t=f(U/Un)。這是基于將電壓波形按照實際的有效值等效的正弦波考慮,等效的正弦電壓峰值比實測的峰值大。如果按照實測的電壓峰值計算出的等效電壓Ueq來計算跳閘時間,就會造成跳閘時間過長,電容器會在實際的有效電壓下?lián)p壞。圖4為諧波條件下過電壓保護算法流程圖,其中Ut為中間變量,Relay為啟動標志。4時域中各次諧波分量的計算并聯(lián)電容器過電壓保護啟動電壓和跳閘時間是基于電壓有效值的,但在諧波條件下由于電壓有效值