10kV配電網(wǎng)串聯(lián)補償電容內(nèi)部故障的診斷方法

陳 璞 ，任 勇 ，陳 可 ，江道灼* ，陳 峰 ，畢仁明

(1．南網(wǎng)貴州供電公司，貴州貴陽市550001;2．浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027;3．浙江桂容諧平科技有限責任公司，浙江杭州310030)

0 引 言

電壓質(zhì)量一直是衡量供電質(zhì)量是否符合標準的一項重要指標。而我國配電網(wǎng)建設相對滯后，局部地區(qū)存在網(wǎng)架薄弱、設施老化、線徑小、配電變壓器數(shù)量多問題［1］，尤其是較多線路帶有多臺大容量的電動機或變化迅速的工業(yè)負荷，往往導致線路末端電壓低、電壓跌落嚴重的問題。

一般采用隨用電器的分散式并聯(lián)無功補償?shù)姆椒ń鉀Q上述問題［2］。但該方法存在一條配電線路上的安裝數(shù)量多、維護量大、開關動作頻繁、噪聲大、響應速度慢的弊端，并且會造成重載時電壓低、輕載時電壓高。

串聯(lián)補償裝置的結構和控制相對簡單，既可以起到提高穩(wěn)定極限，增強輸送能力，和調(diào)節(jié)潮流分配等作用，并具有負荷“自適應”電壓調(diào)節(jié)和實時響應的特點［3-6］，相比之下有更好的經(jīng)濟性和發(fā)展前景。

固定串聯(lián)電容器(D-FSC)是其中最常見的串聯(lián)補償裝置，但是D-FSC 一旦出現(xiàn)電容元件的老化，不僅會造成高壓電容器損壞，甚至可能出現(xiàn)鼓肚、群爆等嚴重的設備事故，給電網(wǎng)安全運行造成影響［7］。

目前電力電容器裝置一般采用文獻［8］提出的電流(或電壓)差動保護等常規(guī)安全運行保護措施，需要額外配置電壓電流的檢測設備，增加了設備成本。文獻［9-11］提出的基于電容值的故障診斷判據(jù)，通過檢測電容器兩側(cè)的電壓和電流，直接計算電容值來判斷其損壞情況，此判據(jù)未考慮系統(tǒng)含有諧波的情況，導致在系統(tǒng)含有諧波時精度不高，甚至出現(xiàn)誤判。

本研究首先分析D-FSC 在輻射狀線路中改善電壓特性的基本原理，并通過對電力電容器及其所在系統(tǒng)的建模，提出一種判斷電容器內(nèi)部故障的判據(jù)方法，考慮系統(tǒng)存在諧波的情況，最后通過仿真驗證判據(jù)的有效性和可行性。

1 D-FSC 基本原理

輻射狀線路中感性負荷用電向量圖如圖1 所示。線路中當加入串聯(lián)電容器XC時，如圖1 所示。

圖1 加入D-FSC 時的向量圖

此時，由圖1 中的向量圖可得，線路首末端線電壓之差(一般只考慮縱分量):

由式(2)可知，D-FSC 在線路中相當于一個電壓調(diào)節(jié)器。它總能產(chǎn)生一個與線路電抗電壓相反的電壓，其值為:

該串聯(lián)電容器提供的無功補償容量為:

由式(3，4)可知，D-FSC 補償?shù)碾妷号c線路電流成正比，容量與電流的平方成正比。

當串補裝置下游負荷越重，即造成線路首末端電壓差越大時，串補補償?shù)碾妷壕鸵苍酱螅斬摵奢^輕或空載時，線路電流很小，其補償?shù)碾妷阂搽S之減小，這是D-FSC 能夠“自適應”電壓調(diào)節(jié)的基本原理，也是串補最大的特點和優(yōu)勢。

2 D-FSC 結構及補償電容內(nèi)部結構

D-FSC 裝置串于配電線路中兩個分接點(配變支路與主線的連接點)之間，結構如圖2 所示。

圖2 固定串聯(lián)補償裝置的結構圖

串聯(lián)補償電容結構如圖3 所示。電容器中電容由多個內(nèi)部小電容和內(nèi)部電阻的并聯(lián)，其中每個小電容都串聯(lián)一根內(nèi)熔絲，一旦內(nèi)部小電容發(fā)生故障時，與其串聯(lián)的內(nèi)熔絲迅速熔斷，從而隔離故障元件，而其余小電容則可以繼續(xù)運行。

圖3 電容器內(nèi)部結構

3 電容器故障建模分析

3．1 電力電容器建模

大容量電力電容器一般由數(shù)十個甚至上百個小電容串并聯(lián)構成。以常用型號BAM11/√3-334-1W 電容器為例，由36 個電容元件12 并3 串構成，結構圖如圖2 所示。并聯(lián)的電阻很大，電容器的有功損耗很小，其電阻值可以忽略。電容器容值為4C0=26．359 2 μF。對其進行簡化后的內(nèi)部結構如圖3 所示。則一個電容器的電容值C 可以通過下式計算:

式中:I—流過電容器的電流有效值，U—電容器電壓有效值，ω—角頻率。

若內(nèi)部小電容發(fā)生不同損壞，其電容值可以通過如下計算:

圖4 簡化后的電容器內(nèi)部結構圖

式中:C0—內(nèi)部單個小電容容值;x，y，z—電容器3 個并聯(lián)組中對應正常工作的小電容個數(shù)。

因此，電容器容值的相對變化百分比可以表示為:

例如，當一個電容器發(fā)生兩只小電容損壞時，有以下共2 種情況:

(1)兩只小電容分別損壞在2 個并聯(lián)組中，即x，y，z 中其中一個為12，其余兩個是11，例如(x，y，z)=(11，11，12)，則:

(2)兩只小電容損壞在同一個并聯(lián)組中，即x，y，z中其中一個為10，其他兩個是12，例如(x，y，z)=(10，12，12)，則:

因此，當發(fā)生兩只內(nèi)部小電容損壞時，電容器容值變化百分比通過兩者取平均可以近似為5．982 2%。同理可以分別求出損壞0、1、3 個小電容時的電容器值相對變化百分比，具體如表1 所示。

表1 電容器內(nèi)部故障時容值變化百分比

本研究通過監(jiān)測電容器電流電壓，利用式(5)求得電容器實時電容值，再根據(jù)式(6)和式(7)，計算電容器容值變化率，從而診斷電容器故障。由于表1 是理想情況下所得到的容值百分比，實際情況下由于誤差的存在，取一定范圍進行判斷，判據(jù)表如表2 所示。

3．2 提高精度的改進判據(jù)

一般情況下，系統(tǒng)中常常存在諧波，采用式(5)計算容值忽略了系統(tǒng)諧波的情況，可能出現(xiàn)誤診斷，如:

表2 判據(jù)表

電容器完好無損，容值4C0為26．359 2 μF。電容器上通過的基波電壓有效值為1 kV，假設系統(tǒng)中存在諧波且3、5、7、11 次諧波幅值分別為10%、5%、3%和2%。通過檢測電容電壓有效值U 和電容電流有效值I，經(jīng)過式(5)計算容值C 為29．266 μF，電容器容值的相對變化百分比為9．932%，判斷損壞3 個電容，出現(xiàn)誤診斷。操作人員根據(jù)原有判據(jù)切斷D-FSC，就會造成時間、資源上不必要的浪費。

因此，在考慮諧波特性的情況下，對檢測到的電壓和電流進行FFT 展開提取電壓和電流的基波和各次諧波分別為U(1)、U(3)、U(5)…I(1)、I(3)、I(5)…。因此各次諧波下電容器的容值C(i)為:

式中:i—諧波次數(shù)。

理論上，基波和各次諧波下計算得到的電容器容值相同，但是在實際中存在差別，因此電容器容值的估算值根據(jù)基波和各次諧波在電路中所含的比例可以通過式(10)進行估算:

得到電容器的估算之后，得到下式:

根據(jù)式(10～11)的值修正容值變化百分比，然后根據(jù)表2 進行故障判斷。

4 仿真分析

從電容器的模型構建中可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)判據(jù)和改進判據(jù)在無諧波影響情況下得出的結果一致(改進判據(jù)在無諧波影響下相當于只有基波分量)，但是在系統(tǒng)存在諧波時會得到不同結果，下面將從仿真中驗證新型判據(jù)。

4．1 內(nèi)部故障仿真

當系統(tǒng)存在諧波，電容器組沒有損壞時，電容上電壓電流諧波含量如圖5、圖6 所示。

圖5 無電容損壞時的電容電壓

圖6 無電容損壞時的電容電流

其基波電壓有效值U(1)為240．667 V，基波電流有效值I(1)為1．991 2 A，五次諧波U(5)為10．329 V，I(5)為0．438 1 A，七次諧波U(7)為4．616 V，I(7)為0．255 1 A，用常規(guī)判據(jù)得到電容C 為27．146 9 μF，容值變化百分比2．902%，改進判據(jù)容值C 為26．380 2 μF，容值變化百分比0．08%。根據(jù)判據(jù)表，在常規(guī)判據(jù)下，因為諧波影響判斷有1 個電容發(fā)生損壞，跟實際情況相違。而改進判據(jù)不會受其影響。

當兩只小電容損壞在同一個并聯(lián)組中，其他電容沒有損壞時，電容上電壓電流諧波含量如圖7、圖8 所示。

圖7 電容損壞時的電容電壓

圖8 電容損壞時的電容電壓

其基波電壓有效值U(1)為246．724 V，基波電流有效值I(1)為1．915 A，五次諧波U(5)為11．030 V，I(5)為0．438 A，七次諧波U(7)為4．065 V，I(7)為0．226 A，用常規(guī)判據(jù)得到電容C 為25．487 μF，容值變化百分比3．421%，判斷僅1 個電容發(fā)生故障，再次出現(xiàn)誤判斷。改進判據(jù)容值C 為24． 855 μF，容值變化百分比6．052%，2 個電容發(fā)生故障。

4．2 改進判據(jù)對比

當實際情況中電容器組小電容發(fā)生不同個數(shù)損壞時，得到兩種判據(jù)結果對比如表3 所示。

表3 判據(jù)對比

表3 中，損壞情況均發(fā)生在單個并聯(lián)組中。從表3 可以看到改進判據(jù)較理想，常規(guī)判據(jù)在沒有電容損壞時誤判斷有內(nèi)部故障發(fā)生，而當有故障發(fā)生時又誤判斷D-FSC 內(nèi)部電容全部正常，對系統(tǒng)中存在諧波情況下失去了準確性。改進判據(jù)則解決了這樣的問題，在系統(tǒng)有無諧波時都能很準確地判斷故障是否發(fā)生，以及電容損壞的個數(shù)。

5 結束語

本研究通過分析D-FSC 在輻射狀線路中改善電壓特性的基本原理，得出了串補裝置的“自適應”電壓調(diào)節(jié)特點，并在歸納原有D-FSC 補償電容診斷方法基礎上，提出了一種解決系統(tǒng)諧波影響下的電容器內(nèi)部故障診斷判據(jù)，將其與原有判據(jù)進行仿真分析對比。通過對D-FSC 內(nèi)部故障診斷判據(jù)的研究得出，新判據(jù)的提出可以有效解決系統(tǒng)諧波的影響，準確判斷電容內(nèi)部故障情況，相比原有判據(jù)更具優(yōu)越性。

［1］戴曉亮，無功補償技術在配電網(wǎng)中的應用［J］．電網(wǎng)技術，1999，23(6):1-7．

［2］麥敏堅． 探討改善配網(wǎng)的電壓質(zhì)量［J］． 電力建設，2008(185):139-141．

［3］卓谷穎，江道灼，梁一橋．改善配網(wǎng)電壓質(zhì)量的固定串補技術研究［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2013(8):66-72．

［4］梁一橋，呂佳銘．一種10 kV 配網(wǎng)智能串聯(lián)補償裝置及其工程應用［J］．電網(wǎng)技術增刊，2015．

［5］MAGOWAN J M． Voltage performance of series capacitors in transmission and distribution lines［J］．The Institution of Electrical Engineers，1957，104(18):505-516．

［6］ROSSO A D，CA?IZARES C A，DOA V M． A study of TCSC controller design for powersystem stability improvement［J］．IEEE Transactions on Power Systems，2003，18(4):1487-1496．

［7］MISKE S A． Considerations for the application of seriescapacitors to radial power distribution circuits［J］． IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16(2):306-318．

［8］黃旭東，電力電容器保護探討［J］．電力電容器與無功補償，2009，30(3):48-51．

［9］劉 艷，劉瑞云，陶維亮，等．電力電容器故障檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］．電氣應用，2011，30(12):78-82．

［10］陳福鋒，錢國明，宋國兵．串聯(lián)電容補償線路行波差動保護的研究［J］．中國電機工程學報，2009，29(28):89-94．

［11］QIAO Lei． Estimated means of reactive power for distributed small hydro stations based on optimal power flow［J］．Electric Power System and Its Automation Journal，2008，20(2):88-93．