并联电容器过电压保护计算

并联电容器过电压保护计算

1谐波电压的增加随着电子系统中非线性负荷的增加，电网中的波形数量和振幅也会增加。由于有很多波形，连接电网的电动汽车也会增加产生声波过载的可能性。传统过电压保护算法是通过采样母线电压计算出电压峰值Um,电压有效值通过U=Um/2√U=Um/2式计算得到。谐波条件下的并联电容器保护在算法和保护启动电压值整定上都有别于工频(基波)条件下的保护,因为电压峰值和有效值之间的关系不再是固定不变的。2电容器电压的行为电容器故障的一个主要原因是由于过电压引起电容器材料绝缘水平的降低,最后导致绝缘击穿而使电容器受损。电容器过电压保护时的电压启动定值和保护跳闸时间是根据相关的国家标准进行设置的。《高电压并联电容器》(GB3983.2-1989)(以下简称国家标准)给出电容器保护的相关条款。(1) 电容器可承受长期过电压的最高值不超过1.10UN,表1给出了电容器工频过电压-时间关系。(2) 在计入稳态过电压、稳态过电流和电容正偏差各因素的作用下,电容器总的容量不超过1.35倍额定容量。(3)如果电容器在不高于1.10Un下长期运行,则包括所有谐波分量在内的电压峰值应不超过1.22√Un(1.697UN)1.22Un(1.697UΝ)。IEEE标准18-1992和IEEE标准1036-1992对于并联电容器过电压时间给出了较为详细的规定,如下:(1) 2.2Un持续时间为0.12s(6个基波周期)。(2) 2.0Un持续时间为0.30s(15个基波周期)。(3) 1.7Un持续时间为1s。(4) 1.4Un持续时间为15s。(5) 1.3Un持续时间为1min。(6) 1.25Un持续时间为30min。根据国家标准和IEEE标准规定绘制电容器的过电压的反时限曲线(如图1),过电压保护跳闸时间的整定可以将图1的曲线描绘成分段函数t=f(U/Un),然后进行反时限的自动整定,也可以设置几个典型电压启动值来整定保护跳闸时间。并联电容器过电压保护算法通常是对采样电压序列值应用某种算法(如傅氏算法、最小二乘法等)算出电压最大值,然后由电压最大值得出电压有效值,最后与过电压保护定值比较,判断是否进行保护跳闸。保护跳闸时间基于标准和电容器过电压的反时限曲线进行整定。过电压返回值整定为0.95倍过电压定值。上述的算法是基于电压波形为标准正弦波的情况下进行的,不适用于谐波条件下的畸变电压波形。谐波条件下并联电容器过电压时,电压峰值和有效值的计算和整定将在下面论述。3在波形条件下，过载保护3.1实验结果与分析稳态运行时并联电容器实际所承受的电压包括基波和各次谐波在内的电压总和。由于谐波存在以及电容器对某些次谐波的放大从而造成电压波形的畸变,畸变的电压波形中电压峰值和电压有效值没有对应的2√2倍关系,Um＞2√UUm＞2U、Um＜2√UUm＜2U和Um=2√UUm=2U这三种情况都有可能出现。首先定义两个概念:等效有效值电压Ueq=Um/2√Ueq=Um/2;等效峰值电压Umeq=2√UUmeq=2U。在标准正弦电压波形下有U=Ueq和Um=Umeq。在谐波条件下,电压有效值和峰值还会出现下面两种情况。图2所示,将实际电压波形(实线)和正弦波形(虚线)比较可以发现U>Ueq。图3为U<Ueq的波形。图2、图3中实线为畸变电压波形,三个参数都是来表述畸变波形的。其中,实际峰值电压Um是畸变波形的峰值,等效有效值电压Ueq是按照Ueq=Um/2√Ueq=Um/2计算得到,(标准正弦波形的计算方法,是一种误算);畸变波形的实际有效值电压U=1T∫T0u2dt−−−−−−−−−√U=1Τ∫0Τu2dt,有时Ueq>U,有时Ueq<U。由图2和图3可知,对于畸变的电压波形,如按照传统算法来获得电压有效值作为过压保护的判断依据将产生很大的误差,导致保护误动或拒动,从而不能够对电容器进行有效的保护。对谐波条件下的畸变电压波形,我们要分别计算出峰值和有效值,即对离散采样的电压序列分别计算实测的峰值和有效值。可以采用最大值算法来计算电压峰值,将一个周期中采样值的最大值作为电压峰值。Um=Max[|Ui|](1)式(1)中Um为实际电压峰值,Ui为采样值。由于采样时间不一定刚好落在最大值时刻,因此,所取的值与实际最大值存在一个误差。幅值的误差大小与采样频率有关,采样频率越高,则误差越小,精度越高。如同前面所说,电压有效值不能够根据峰值来计算,谐波条件下电压的峰值和有效值没有对应的关系。根据电压有效值定义U=1T∫T0u2dt−−−−−−−−−√1Τ∫0Τu2dt,对离散的采样电压序列值可由式(2)来计算电压有效值。U=1N∑i=1NU2i−−−−−−−ue001⎷ue000ue000(2)U=1Ν∑i=1ΝUi2(2)式中U—电压有效值;Ui—采样值;N—一个周期内的采样次数。3.2保护跳闸时间的确定基于计算出的电压峰值和电压有效值,就可以根据国家标准和IEEE标准规定的过电压保护定值判断启动和计算跳闸时间。值得注意的是,过电压保护启动定值和跳闸时间都是按照电压有效值来进行的。谐波条件下过电压保护跳闸时间及其选取的有效电压值按照下面原则选取:(1) 当Um＜1.22√UnUm＜1.22Un时,用实际有效电压值U来判断保护是否启动及计算保护跳闸时间t=f(U/Un)。这是基于峰值电压没有越限,无需考虑峰值电压的影响。(2) 当Um＞1.22√UnUm＞1.22Un时,要考虑峰值电压对电容器的影响,分下面两种情况讨论:A.当Ueq>U时,用等效电压有效值来计算保护跳闸时间t=f(Ueq/Un)。这是基于将电压波形按照实测峰值电压等效的正弦波来考虑电容器的耐压时间。如果按照实测有效电压来计算跳闸时间就没有考虑峰值电压的影响,跳闸时间过长,会造成电容器损坏。B.当Ueq<U时,用实际有效值来计算保护跳闸时间t=f(U/Un)。这是基于将电压波形按照实际的有效值等效的正弦波考虑,等效的正弦电压峰值比实测的峰值大。如果按照实测的电压峰值计算出的等效电压Ueq来计算跳闸时间,就会造成跳闸时间过长,电容器会在实际的有效电压下损坏。图4为谐波条件下过电压保护算法流程图,其中Ut为中间变量,Relay为启动标志。4时域中各次谐波分量的计算并联电容器过电压保护启动电压和跳闸时间是基于电压有效值的,但在谐波条件下由于电压有效值