《電容器諧波及超溫保護裝置》是江蘇省電力公司常州供電公司於2010年4月20日申請的專利，該專利的申請號為201010151463X，公布號為CN101814723A，授權公布日為2010年8月25日，發明人是曹良、虞堅陽、羅皎虹。
《電容器諧波及超溫保護裝置》涉及一種既能完成常規電容器保護功能又可以完成電容器組的諧波監視和保護功能、溫度監視和保護功能的電容器諧波及超溫保護裝置，其包括：溫度測量裝置，用於吸附在電容器組的內壁或外壁，多點、實時測量電容器組的溫度並將測得的溫度信息以無線信號傳送；諧波及過熱保護器，用於對電容器組進行電流、電壓採樣，以實時計算電容器組是否處於諧波過電壓狀態；同時接收所述無線信號以判斷所述電容器組的溫度是否超限；當所述電容器組處於諧波過電壓時，按電容器過電壓的反時限曲線切斷所述電容器組；或，當所述電容器組溫度超限時，切斷所述電容器組。
2016年12月7日，《電容器諧波及超溫保護裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《電容器諧波及超溫保護裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：電容器諧波及超溫保護裝置
- 公布號：CN101814723A
- 授權日：2010年8月25日
- 申請號：201010151463X
- 申請日：2010年4月20日
- 申請人：江蘇省電力公司常州供電公司
- 地址：江蘇省常州市天寧區局前街27號
- 發明人：曹良、虞堅陽、羅皎虹
- Int.Cl.：H02H7/16(2006.01)I
- 代理機構：常州市江海陽光智慧財產權代理有限公司
- 代理人：蔣全強
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2010年4月，電力部門在電容器投運之後都是採用紅外測溫設備巡視檢查電容器的包封內部、引線接頭髮熱情況，防止因電容器溫度過高引發電網運行事故，但採用紅外測溫設備巡視檢查無法實現線上運行溫度的實時測量、工況預測，容易發生事故。
截至2010年4月，隨著電力系統的發展和電力電子技術的套用，用電負荷的結構發生了重大的變化。大量的非線性負荷如電弧爐、電氣化鐵路、晶閘管調壓及變頻調整裝置的運行，成為電網中主要諧波源，向電力系統注入大量諧波電流，導致電網的電壓波形畸變。諧波對電網中的各種電氣設備的正常運行產生了不同程度的影響，其中對電容器的影響尤其嚴重。主要表現在以下幾個方面：加大了電容器迴路的電能損耗；電容器迴路產生諧振；諧波電流放大；縮短電容器使用壽命。
運行經驗證明，電容器組及串聯電抗器受電網諧波危害的程度有快速上升的趨勢，變電所的電容器組及串聯電抗器著火事故頻繁發生。2010年4月前電容器保護一股設定差壓、差流、過電流保護及過壓、欠壓等保護，但這些保護均只測量電壓和電流的基波，不反應諧波，沒有諧波保護功能。如何實現諧波測量，並在諧波危害較嚴重時發出告警信號或跳開電容器開關，從而實現電容器諧波保護，以避免電容器組的損壞，防止事故蔓延或擴大，是該領域要解決的技術難題。
發明內容
專利目的
《電容器諧波及超溫保護裝置》所要解決的技術問題是提供一種實時測量電容器線上運行溫度且適於諧波保護的電容器諧波及超溫保護裝置。
技術方案
《電容器諧波及超溫保護裝置》包括：溫度測量裝置，用於吸附在電容器組的內壁或外壁，以實時測量電容器組的溫度並將測得的溫度信息以無線信號傳送；使用微功耗處理器定時自喚醒採集數字溫度感測器測量點的溫度數值，通過晶片天線實現裝置與安裝在低壓側數據接收裝置的數據交換；微功耗處理器自動通過無線傳輸單元與其它同類裝置進行時鐘同步，實現溫度數據的錯時無線傳送，避免裝置數據通信衝突紊亂；數字溫度感測器的輸出端設有限幅器，用於將工頻磁場、電暈干擾引起的溫度信號振幅變化削平，限制在0伏-1.8伏，避免了高壓工頻磁場對溫度採集精度的干擾、電暈對設備的損壞。
諧波及過熱保護器，用於對電容器組進行電流、電壓採樣，以實時計算電容器組是否處於諧波過電流、過電壓狀態；同時接收所述無線信號以判斷所述電容器組的溫度是否超限；當所述電容器組處於諧波過電流或過電壓時，按電容器過電壓的反時限曲線切斷所述電容器組；或，當所述電容器組溫度超限時，切斷所述電容器組；所述諧波及過熱保護器包括：CPU、與CPU相連的無線信號接收單元；CPU通過無線信號接收單元測量來自所述溫度測量裝置的無線信號的頻率，若測得的該無線信號的頻率與所述無線信號的載波頻率的誤差大於5％，則判定測得的無線信號為受干擾的無效信號，不進行信號處理；若測得的該無線信號的頻率與該無線信號的載波頻率的誤差不大於5％，則CPU將測得的無線信號送入一矢量方向信號檢波器，矢量方向信號檢波器的輸出值與所述載波頻率相乘並得到一乘積，然後採用一有源濾波器將所述乘積轉換為卷積，以消除寄生頻率分量；該有源濾波器輸出的頻率處於截止區以下的信號就是所述測得的該無線信號中的有效信號，然後將該有效信號通過一幅值斜率與頻率呈線性關係的頻率電壓轉換器，使該有效信號的頻率變化信息轉變成幅值變化信息，CPU對該幅值變化信息進行AD採樣，以獲取相應的用於表示所述電容器組的溫度信息的數位訊號，CPU根據該數位訊號判斷所述電容器組溫度超限。
進一步，所述諧波及過熱保護器還包括與CPU相連的電流電壓採樣單元，用於實時採樣電容器組上的電壓以獲取一工頻周期中的峰值電壓Um；當所述峰值電壓Um小於的所述電容器組上的無諧波時的電壓Un的1.7倍時，利用所述電容器組上的實際有效電壓U判斷是否啟動切斷保護並根據所述反時限曲線確定切斷時間；所述實際有效電壓
，式中：Ui為電壓採樣值，N為一個工頻周期中的採用次數；當所述峰值電壓Um不小於的所述電容器組上的無諧波時的電壓Un的1.7倍，且等效電壓Ue大於所述實際有效電壓U時，根據等效電壓Ue和所述反時限曲線確定切斷時間；所述等效電壓Ue＝2Um；當所述峰值電壓Um不小於的所述電容器組上的無諧波時的電壓Un的1.7倍，且等效電壓Ue不大於所述實際有效電壓U時，根據實際有效電壓U和所述反時限曲線確定切斷時間。
改善效果
（1）《電容器諧波及超溫保護裝置》的電容器諧波及超溫保護裝置使用時，諧波及過熱保護器實時計算電容器組是否處於諧波過電流、過電壓狀態，同時接收所述無線信號以判斷所述電容器組的溫度是否超限；當所述電容器組處於諧波過電壓時，按電容器過電壓的反時限曲線規定的過電壓持續時間切斷所述電容器組；或，當所述電容器組溫度超限時，切斷所述電容器組。
（2）該發明的溫度測量裝置可實現電容器溫度的多點同步，實時採樣，採用自設計無源硬體限幅器將工頻磁場、電暈干擾引起的溫度信號振幅變化削平，限制在0伏-1.8伏，避免了高壓工頻磁場對溫度採集精度的干擾、電暈對設備的損壞；
（3）該發明的諧波及過熱保護器採用的無線信號處理方法，可保證在無線信號基本被湮沒的情況下能進行正確解碼，提高《電容器諧波及超溫保護裝置》的無線接收的靈敏度，保證強磁場環境中無線數據傳輸的可靠性和正確性。
（4）微控制器由耐高溫紐扣電池供電，為提高所述紐扣電池的使用時間，在無無線數據傳輸信號時，微控制器休眠並定時自喚醒，採集溫度數值並與限值比較，採集的溫度值低於限值則微控制器休眠；採集的溫度值高於限定值，微控制器通過無線傳輸單元進行時鐘同步並進行無線組網，確定無衝突後將報警信息及溫度數值傳送給諧波及過熱保護器，諧波及過熱保護器依據接收到的報警信息及溫度數值判定是否開啟風冷裝置或進行報警通報值班人員進行現場勘察；有無線數據傳輸信號時，無線傳輸單元喚醒微控制器，並將收到的無線數據傳輸給微控制器，微控制器進行地址判別，若是該裝置地址則執行命令並應答然後休眠，如不是該裝置地址則不執行任何操作直接休眠。
附圖說明
圖1為實施例中的溫度測量裝置的電路結構示意圖；
圖2為實施例中的諧波及過熱保護器的電路結構示意圖；
圖3為實施例中的電容器過電壓的反時限曲線。
技術領域
《電容器諧波及超溫保護裝置》涉及電力系統中的電力電容器的保護裝置，具體是一種電容器諧波及超溫保護裝置。
權利要求
1.一種電容器諧波及超溫保護裝置，其特徵在於包括：
溫度測量裝置，用於吸附在電容器組的內壁或外壁，以實時測量電容器組的溫度並將測得的溫度信息以無線信號傳送；諧波及過熱保護器，用於對電容器組進行電流、電壓採樣，以實時計算電容器組是否處於諧波過電流或諧波過電壓狀態；同時接收所述無線信號以判斷所述電容器組的溫度是否超限；當所述電容器組處於諧波過電流或過電壓時，切斷所述電容器組；或，當所述電容器組溫度超限時，告警並啟動風冷，或切斷所述電容器組；
所述諧波及過熱保護器包括：CPU（20）、與CPU（20）相連的無線信號接收單元（23）；CPU（20）通過無線信號接收單元（23）測量來自所述溫度測量裝置的無線信號的頻率，若測得的該無線信號的頻率與所述無線信號的載波頻率的誤差大於5％，則判定測得的無線信號為受干擾的無效信號，不進行信號處理；若測得的該無線信號的頻率與該無線信號的載波頻率的誤差不大於5％，則CPU（20）將測得的無線信號送入一矢量方向信號檢波器，矢量方向信號檢波器的輸出值與所述載波頻率相乘並得到一乘積，然後採用一有源濾波器將所述乘積轉換為卷積，以消除寄生頻率分量；該有源濾波器輸出的頻率處於截止區以下的信號就是所述測得的該無線信號中的有效信號，然後將該有效信號通過一幅值斜率與頻率呈線性關係的頻率電壓轉換器，使該有效信號的頻率變化信息轉變成幅值變化信息，CPU（20）對該幅值變化信息進行AD採樣，以獲取相應的用於表示所述電容器組的溫度信息的數位訊號，CPU（20）根據該數位訊號判斷所述電容器組溫度是否超限。
2.根據權利要求1所述的電容器諧波及超溫保護裝置，其特徵在於：所述諧波及過熱保護器還包括與CPU（20）相連的電流電壓採樣單元（21），用於實時採樣電容器組上的電壓以獲取一工頻周期中的峰值電壓Um；
當所述峰值電壓Um小於的所述電容器組上的無諧波時的電壓Un的1.7倍時，利用所述電容器組上的實際有效電壓U判斷是否啟動切斷保護並根據所述反時限曲線確定切斷時間；
所述實際有效電壓，式中：Ui為電壓採樣值，N為一個工頻周期中的採用次數；
當所述峰值電壓Um不小於的所述電容器組上的無諧波時的電壓Un的1.7倍，且等效電壓Ue大於所述實際有效電壓U時，根據等效電壓Ue和所述反時限曲線確定切斷時間；所述等效電壓Ue＝2Um；當所述峰值電壓Um不小於的所述電容器組上的無諧波時的電壓Un的1.7倍，且等效電壓Ue不大於所述實際有效電壓U時，根據實際有效電壓U和所述反時限曲線確定切斷時間。
3.根據權利要求2所述的電容器諧波及超溫保護裝置，其特徵在於：所述溫度測量裝置包括：微控制器（10）、與微控制器（10）相連的無線信號傳送單元（11）和數字溫度感測器（12）；微控制器（10）將數字溫度感測器（12）測得的溫度信息通過無線信號傳送單元（11）調製在所述載波上並傳送。
4.根據權利要求3所述的電容器諧波及超溫保護裝置，其特徵在於：所述諧波及過熱保護器還包括：與CPU（20）相連的用於監測所述電容器組的斷路器、隔離刀閘的位置信息的開關量輸入單元（24）。
5.根據權利要求4所述的電容器諧波及超溫保護裝置，其特徵在於：所述諧波及過熱保護器還包括：與CPU（20）相連的用於切斷所述電容器組的斷路器、隔離刀閘的開關量輸出單元（25）。
6.根據權利要求3所述的電容器諧波及超溫保護裝置，其特徵在於：所述數字溫度感測器的輸出端設有限幅器，用於將工頻磁場、電暈干擾引起的溫度信號振幅變化削平，並限制在0伏-1.8伏。
實施方式
見圖1-3，該實施例的一種電容器諧波及超溫保護裝置，包括：諧波及過熱保護器和溫度測量裝置。
溫度測量裝置用於吸附在電容器組的內壁或外壁，以實時測量電容器組的溫度並將測得的溫度信息以無線信號傳送。溫度測量裝置使用微功耗處理器定時自喚醒採集數字溫度感測器測量點的溫度數值，通過晶片天線實現裝置與安裝在低壓側數據接收裝置的數據交換；微功耗處理器自動通過無線傳輸單元與其它同類裝置進行時鐘同步，實現溫度數據的錯時無線傳送，避免裝置數據通信衝突紊亂；自設計無源硬體限幅器將工頻磁場、電暈干擾引起的溫度信號振幅變化削平，限制在0伏-1.8伏，避免了高壓工頻磁場對溫度採集精度的干擾、電暈對設備的損壞。
諧波及過熱保護器用於對電容器組進行電流、電壓採樣，以實時計算電容器組是否處於諧波過電壓狀態；同時接收所述無線信號以判斷所述電容器組的溫度是否超限；當所述電容器組處於諧波過電壓時，按電容器過電壓的反時限曲線切斷所述電容器組；或，當所述電容器組溫度超限時（例如大於150℃時），切斷所述電容器組。
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國家標準《高電壓並聯電容器》（GB3983.2-1989）中規定的，其中：當電容器過電壓為2.2Un時，若該過電壓持續0.12秒鐘，就該切斷該電容器；電容器過電壓為2.0Un時，若該過電壓持續0.30秒鐘，就該切斷該電容器；電容器過電壓為1.7Un時，若該過電壓持續1秒鐘，就該切斷該電容器；電容器過電壓為1.4Un時，若該過電壓持續15秒鐘，就該切斷該電容器；電容器過電壓為1.3Un時，若該過電壓持續60秒鐘，就該切斷該電容器；電容器過電壓為1.25Un時，若該過電壓持續30分鐘，就該切斷該電容器。圖3中的所述反時限曲線是根據上述國家標準和IEEE標準中的規定而繪製出的。同時上述國家標準還規定：若電容器過電壓在不高於1.10Un下長期運行，則包括所有諧波分量在內的電容峰值應不超過1.7Um。
所述諧波及過熱保護器包括：CPU20、與CPU20相連的無線信號接收單元23、以及與CPU20相連的電流電壓採樣單元21，電流電壓採樣單元21用於實時採樣電容器組上的電壓以獲取一工頻周期中的峰值電壓Um。
CPU20通過無線信號接收單元23測量來自所述溫度測量裝置的無線信號的頻率，若測得的該無線信號的頻率與所述無線信號的載波頻率的誤差大於5％，則判定測得的無線信號為受干擾的無效信號，不進行信號處理。
若測得的該無線信號的頻率與該無線信號的載波頻率的誤差不大於5％，則CPU20將測得的無線信號送入一矢量方向信號檢波器，矢量方向信號檢波器的輸出值與所述載波頻率相乘並得到一乘積，然後採用一有源濾波器將所述乘積轉換為卷積，以消除寄生頻率分量；該有源濾波器輸出的頻率處於截止區以下的信號就是所述測得的該無線信號中的有效信號，然後將該有效信號通過一幅值斜率與頻率呈線性關係的頻率電壓轉換器，使該有效信號的頻率變化信息轉變成幅值變化信息，CPU20對該幅值變化信息進行AD採樣，以獲取相應的用於表示所述電容器組的溫度信息的數位訊號，CPU20根據該數位訊號判斷所述電容器組溫度超限。此方法可保證在無線信號基本被湮沒的情況下能進行正確解碼，提高《電容器諧波及超溫保護裝置》的無線接收的靈敏度，保證強磁場環境中無線數據傳輸的可靠性和正確性。
電容器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。由於諧波存在以及電容器對某些次諧波的放大，造成電壓波形的畸變，畸變的電壓波形中電壓峰值Um與實際有效電壓U之間就不一定是2的比例關係，即：Um與2U不一定相等。因此，按照傳統的算法即：Um＝2U來計算實際有效電壓值作為過壓保護的依據，將產生很大誤差，從而無法實現對電容器組的有效保護。
對諧波條件下的畸變電壓波形，需要分別計算出峰值和有效值，即對離散採樣的電壓序列分別計算實測的峰值（即電壓峰值Um）和有效值（即實際有效電壓U）。採樣頻率越高，實測的峰值就越準確。由於諧波條件下電壓的峰值與有效值沒有對應關係。因此，需要通過離散採樣的電壓序列計算有效值，即所述實際有效電壓U=1NΣi=1NUi2]]>式中：Ui為電壓採樣值，N為一個工頻周期中的採用次數。
根據計算出的電壓峰值Um和實際有效電壓U，就可以根據所述反時限曲線確定切斷時間。
當Um＜1.7Un的倍時，根據國家標準，此時的電壓峰值Um沒有超限，因此無需考慮電壓峰值的影響，故而可利用所述電容器組上的實際有效電壓U判斷是否啟動切斷保護並根據所述反時限曲線確定切斷時間。
當Um≥1.7Un，且Ue＞U時，根據等效電壓Ue和所述反時限曲線確定切斷時間；所述Ue為等效電壓，Ue＝2Um。這是基於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組的耐壓時間。若按照實測有效電壓來計算切斷（即跳閘）時間，即沒有考慮峰值電壓的影響，則跳閘時間過長，會造成電容器損壞。
當Um≥1.7Un，且Ue≤U時，根據實際有效電壓U和所述反時限曲線確定切斷時間T，即根據實際有效電壓U與無諧波時的電壓Un的比值和圖3中的反時限曲線確定切斷時間T。這是基於等效的正弦電壓峰值比實測的峰值大。若按照實測的電壓峰值計算出的等效電壓Ue來計算跳閘時間，會造成跳閘時間過長，並造成電容器損壞。
對於所述實際有效電壓U，也可以採用FFT算法先算出各次諧波分量，然後再計算出實際有效電壓U。
所述溫度測量裝置包括：微控制器10、與微控制器10相連的無線信號傳送單元11和數字溫度感測器12；微控制器10將數字溫度感測器12測得的溫度信息通過無線信號傳送單元11調製在所述載波上並傳送。
所述諧波及過熱保護器還包括：與CPU20相連的用於檢測用於切斷所述電容器組的斷路器、隔離刀閘器的位置信息的開關量輸入單元24、與CPU20相連的用於切斷所述電容器組的斷路器、隔離刀閘器的開關量輸出單元25、與CPU20相連的用於實現遠程監控的通訊接口22。
開關量輸入單元24由光耦隔離及濾波電路構成，220伏或110伏強電開關量輸入經光耦隔離輸出的電信號送入CPU20。
CPU20包括：模數轉換、微處理器模組、IO驅動、保護算法、定值事件管理、故障錄波、人機界面、後台通信和USBHOST接口等功能。模件提供實時時鐘和GPS對時輸入接口，作為整個裝置的時鐘源。
所述模數轉換模組採用二階RC無源抗混疊低通濾波加16bit、6路同步採樣A/D轉換器構成模擬量採集系統。共提供15路交流採集通道。在交流採樣通道路數允許情況下，第13-15通道作為復采通道。並設計有A/D晶片到CPU間數據通道的檢錯機制，防止因這部分數據通道故障導致的誤判。
所述的微處理器模組，採用Freescale公司的PowerQuiccII系列的MPC8247，CPU頻率最高達400MHz，低功耗（0.8Wat266MHz）。MPC8247採用雙核結構：一個PowerPC603e核和一個單獨的通信處理機模組（CPM）。核心（1.5伏）和I/O（3.3伏）分開供電。64位數據線和32位地址線的60xBUS支持64、32、16和8位的器件。
所述的保護算法，採用FFT快速傅立葉算法和積分算法，對電容器組的三相電壓和電流通道進行各次諧波和有效值的準確計算。
所述的定值事件管理和故障錄波模組，採用檔案系統對大容量的FLASH存儲器空間進行有效管理，對常規電容器保護功能和諧波保護功能動作事件和故障錄波分區存儲，分區之間不互相覆蓋。所述的USBHOST接口模組，可以通過外接隨身碟完成裝置程式升級和故障錄波數據的自動導出。
榮譽表彰
2016年12月7日，《電容器諧波及超溫保護裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
