并聯(lián)電容器過(guò)電壓保護(hù)計(jì)算

并聯(lián)電容器過(guò)電壓保護(hù)計(jì)算

1諧波電壓的增加隨著電子系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的增加，電網(wǎng)中的波形數(shù)量和振幅也會(huì)增加。由于有很多波形，連接電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)也會(huì)增加產(chǎn)生聲波過(guò)載的可能性。傳統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)算法是通過(guò)采樣母線電壓計(jì)算出電壓峰值Um,電壓有效值通過(guò)U=Um/2√U=Um/2式計(jì)算得到。諧波條件下的并聯(lián)電容器保護(hù)在算法和保護(hù)啟動(dòng)電壓值整定上都有別于工頻(基波)條件下的保護(hù),因?yàn)殡妷悍逯岛陀行е抵g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(gè)主要原因是由于過(guò)電壓引起電容器材料絕緣水平的降低,最后導(dǎo)致絕緣擊穿而使電容器受損。電容器過(guò)電壓保護(hù)時(shí)的電壓?jiǎn)?dòng)定值和保護(hù)跳閘時(shí)間是根據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置的?！陡唠妷翰⒙?lián)電容器》(GB3983.2-1989)(以下簡(jiǎn)稱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))給出電容器保護(hù)的相關(guān)條款。(1) 電容器可承受長(zhǎng)期過(guò)電壓的最高值不超過(guò)1.10UN,表1給出了電容器工頻過(guò)電壓-時(shí)間關(guān)系。(2) 在計(jì)入穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓、穩(wěn)態(tài)過(guò)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(guò)1.35倍額定容量。(3)如果電容器在不高于1.10Un下長(zhǎng)期運(yùn)行,則包括所有諧波分量在內(nèi)的電壓峰值應(yīng)不超過(guò)1.22√Un(1.697UN)1.22Un(1.697UΝ)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)18-1992和IEEE標(biāo)準(zhǔn)1036-1992對(duì)于并聯(lián)電容器過(guò)電壓時(shí)間給出了較為詳細(xì)的規(guī)定,如下:(1) 2.2Un持續(xù)時(shí)間為0.12s(6個(gè)基波周期)。(2) 2.0Un持續(xù)時(shí)間為0.30s(15個(gè)基波周期)。(3) 1.7Un持續(xù)時(shí)間為1s。(4) 1.4Un持續(xù)時(shí)間為15s。(5) 1.3Un持續(xù)時(shí)間為1min。(6) 1.25Un持續(xù)時(shí)間為30min。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定繪制電容器的過(guò)電壓的反時(shí)限曲線(如圖1),過(guò)電壓保護(hù)跳閘時(shí)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(jìn)行反時(shí)限的自動(dòng)整定,也可以設(shè)置幾個(gè)典型電壓?jiǎn)?dòng)值來(lái)整定保護(hù)跳閘時(shí)間。并聯(lián)電容器過(guò)電壓保護(hù)算法通常是對(duì)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(guò)電壓保護(hù)定值比較,判斷是否進(jìn)行保護(hù)跳閘。保護(hù)跳閘時(shí)間基于標(biāo)準(zhǔn)和電容器過(guò)電壓的反時(shí)限曲線進(jìn)行整定。過(guò)電壓返回值整定為0.95倍過(guò)電壓定值。上述的算法是基于電壓波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的情況下進(jìn)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(guò)電壓時(shí),電壓峰值和有效值的計(jì)算和整定將在下面論述。3在波形條件下，過(guò)載保護(hù)3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)并聯(lián)電容器實(shí)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(duì)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(méi)有對(duì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)出現(xiàn)下面兩種情況。圖2所示,將實(shí)際電壓波形(實(shí)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(shí)線為畸變電壓波形,三個(gè)參數(shù)都是來(lái)表述畸變波形的。其中,實(shí)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(jì)算得到,(標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的計(jì)算方法,是一種誤算);畸變波形的實(shí)際有效值電壓U=1T∫T0u2dt?????????√U=1Τ∫0Τu2dt,有時(shí)Ueq>U,有時(shí)Ueq<U。由圖2和圖3可知,對(duì)于畸變的電壓波形,如按照傳統(tǒng)算法來(lái)獲得電壓有效值作為過(guò)壓保護(hù)的判斷依據(jù)將產(chǎn)生很大的誤差,導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng),從而不能夠?qū)﹄娙萜鬟M(jìn)行有效的保護(hù)。對(duì)諧波條件下的畸變電壓波形,我們要分別計(jì)算出峰值和有效值,即對(duì)離散采樣的電壓序列分別計(jì)算實(shí)測(cè)的峰值和有效值?？梢圆捎米畲笾邓惴▉?lái)計(jì)算電壓峰值,將一個(gè)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(shí)際電壓峰值,Ui為采樣值。由于采樣時(shí)間不一定剛好落在最大值時(shí)刻,因此,所取的值與實(shí)際最大值存在一個(gè)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(shuō),電壓有效值不能夠根據(jù)峰值來(lái)計(jì)算,諧波條件下電壓的峰值和有效值沒(méi)有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)電壓有效值定義U=1T∫T0u2dt?????????√1Τ∫0Τu2dt,對(duì)離散的采樣電壓序列值可由式(2)來(lái)計(jì)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(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù)。3.2保護(hù)跳閘時(shí)間的確定基于計(jì)算出的電壓峰值和電壓有效值,就可以根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過(guò)電壓保護(hù)定值判斷啟動(dòng)和計(jì)算跳閘時(shí)間。值得注意的是,過(guò)電壓保護(hù)啟動(dòng)定值和跳閘時(shí)間都是按照電壓有效值來(lái)進(jìn)行的。諧波條件下過(guò)電壓保護(hù)跳閘時(shí)間及其選取的有效電壓值按照下面原則選取:(1) 當(dāng)Um＜1.22√UnUm＜1.22Un時(shí),用實(shí)際有效電壓值U來(lái)判斷保護(hù)是否啟動(dòng)及計(jì)算保護(hù)跳閘時(shí)間t=f(U/Un)。這是基于峰值電壓沒(méi)有越限,無(wú)需考慮峰值電壓的影響。(2) 當(dāng)Um＞1.22√UnUm＞1.22Un時(shí),要考慮峰值電壓對(duì)電容器的影響,分下面兩種情況討論:A.當(dāng)Ueq>U時(shí),用等效電壓有效值來(lái)計(jì)算保護(hù)跳閘時(shí)間t=f(Ueq/Un)。這是基于將電壓波形按照實(shí)測(cè)峰值電壓等效的正弦波來(lái)考慮電容器的耐壓時(shí)間。如果按照實(shí)測(cè)有效電壓來(lái)計(jì)算跳閘時(shí)間就沒(méi)有考慮峰值電壓的影響,跳閘時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)造成電容器損壞。B.當(dāng)Ueq<U時(shí),用實(shí)際有效值來(lái)計(jì)算保護(hù)跳閘時(shí)間t=f(U/Un)。這是基于將電壓波形按照實(shí)際的有效值等效的正弦波考慮,等效的正弦電壓峰值比實(shí)測(cè)的峰值大。如果按照實(shí)測(cè)的電壓峰值計(jì)算出的等效電壓Ueq來(lái)計(jì)算跳閘時(shí)間,就會(huì)造成跳閘時(shí)間過(guò)長(zhǎng),電容器會(huì)在實(shí)際的有效電壓下?lián)p壞。圖4為諧波條件下過(guò)電壓保護(hù)算法流程圖,其中Ut為中間變量,Relay為啟動(dòng)標(biāo)志。4時(shí)域中各次諧波分量的計(jì)算并聯(lián)電容器過(guò)電壓保護(hù)啟動(dòng)電壓和跳閘時(shí)間是基于電壓有效值的,但在諧波條件下由于電壓有效值