TCT式并聯(lián)電抗器控制繞組匝間故障保護方案

張芬芬，鄭 濤，劉連光

（華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

采用并聯(lián)電抗器補償輸配電系統(tǒng)長線路的容性無功是常用方法。隨著全球能源互聯(lián)戰(zhàn)略的提出，一方面，采用超／特高壓技術(shù)建設(shè)遠距離、大功率輸電線路的需求越來越大［1-2］；另一方面，新能源發(fā)電的大規(guī)模集中接入會使得超／特高壓輸電線路上潮流變化更加頻繁，加劇了無功電壓控制的難度?，F(xiàn)有的固定電抗器已難以滿足大電網(wǎng)容性無功補償?shù)男枨?，而補償容量可控的電抗器將成為有效解決超／特高壓輸電系統(tǒng)中無功與電壓控制難題的關(guān)鍵技術(shù)之一［3-5］。其中，晶閘管控制變壓器 TCT（Thyristor-Controlled Transformer）式并聯(lián)電抗器是一種新型的可控電抗器，其兼具分級式可控電抗器響應(yīng)速度快［6］和磁控式可控電抗器容量平滑可調(diào)［7］的優(yōu)點，是未來超／特高壓電網(wǎng)并聯(lián)電抗器技術(shù)可能的發(fā)展方向［8］。

TCT式并聯(lián)電抗器本質(zhì)上屬于高漏抗變壓器，其漏抗可達100%額定阻抗，其鐵芯具有較大的過載能力，不易飽和。采用TCT式并聯(lián)電抗器來解決超／特高壓輸電系統(tǒng)的無功電壓問題比其他電抗器更具優(yōu)勢。匝間故障保護是可控電抗器保護的重點和難點。與固定電抗器、常規(guī)電力變壓器相比，TCT式并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其高漏抗的設(shè)計使控制繞組匝間故障時的故障特征不明顯，且運行中需根據(jù)系統(tǒng)無功需求調(diào)節(jié)工作容量，這些結(jié)構(gòu)和工作原理上的特殊性使得TCT式并聯(lián)電抗器控制繞組匝間故障在保護配置上面臨更多的難題。目前針對可控并聯(lián)電抗器保護方案的研究主要集中于磁控式［9-11］和分級式［12-14］電抗器，而對TCT式并聯(lián)電抗器的研究較少，其控制繞組匝間短路故障保護是尚未解決的難題之一，故有必要對其展開研究。文獻［14］針對分級式可控并聯(lián)電抗器，提出用控制繞組自產(chǎn)零序過流保護反映控制繞組匝間短路故障，但其存在靈敏性低、動作慢等缺點。固定電抗器匝間短路一般采用由電抗器首端自產(chǎn)零序電流、零序電壓組成的零序功率方向的保護方案［15］；而TCT式并聯(lián)電抗器發(fā)生控制繞組匝間故障時，因補償繞組采用三角形連接形式分流了大部分的零序電流，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)零序功率方向保護靈敏度不足。文獻［16］給出了TCT式并聯(lián)電抗器的整體保護配置方案，針對控制繞組匝間故障，指出其是因為高漏抗的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致基于磁平衡的縱聯(lián)電流差動保護靈敏度不足。

綜上所述，考慮到TCT式并聯(lián)電抗器的特殊結(jié)構(gòu)和運行方式，目前尚無針對其控制繞組匝間故障的有效保護方案，本文從不同工況下的電氣量出發(fā)，提出在控制繞組匝間故障情況下，綜合利用零序電壓、零序電流等電氣量特征，采取主、輔判據(jù)相結(jié)合的方式，能有效解決TCT式并聯(lián)電抗器控制繞組匝間故障保護靈敏度不足的問題。

1 TCT式并聯(lián)電抗器控制繞組匝間故障特征及其他工況影響分析

1.1 TCT式并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

典型的TCT式并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由網(wǎng)側(cè)繞組、控制繞組和補償繞組構(gòu)成。網(wǎng)側(cè)繞組連接高壓輸電系統(tǒng)，末端經(jīng)中性點直接接地（用作母線高抗）或經(jīng)小電抗接地（用作線路高抗）；控制繞組通過反并聯(lián)的晶閘管閥組構(gòu)成相控式交流調(diào)壓電路［17］，通過調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角α，改變一個周期內(nèi)控制繞組電流的平均值，從而平滑地調(diào)節(jié)電抗器的工作容量；補償繞組采用△連接，并配有濾波支路，以減小正常運行時注入網(wǎng)側(cè)的諧波。

圖1 TCT式并聯(lián)電抗器的本體結(jié)構(gòu)Fig.1 Body structure of TCT shunt reactor

基于35 kV TCT式并聯(lián)電抗器低壓物理模型，在MATLAB／Simulink中搭建了精確仿真模型，其參數(shù)如下：額定頻率為50 Hz，網(wǎng)側(cè)繞組、控制繞組、補償繞組額定相電壓分別為網(wǎng)側(cè)繞組、控制繞組、補償繞組單相額定容量分別為10、10、3 Mvar，網(wǎng)側(cè)繞組基波電流、控制繞組基波電流、補償繞組角內(nèi)基波電流分別為495、1667、500 A，網(wǎng)側(cè)繞組-控制繞組、網(wǎng)側(cè)繞組-補償繞組、控制繞組-補償繞組額定短路阻抗電壓分別為96%、60%、35%。

1.2 控制繞組匝間故障

TCT式并聯(lián)電抗器在滿容量運行方式下控制繞組某相發(fā)生匝間故障時的零序等效電路如圖2所示。圖中，Xs0為等值系統(tǒng)零序電抗；XⅠ、XⅡ、XⅢ分別為TCT式并聯(lián)電抗器網(wǎng)側(cè)繞組、控制繞組、補償繞組的漏抗；Xm為勵磁電抗；Xk為匝間故障等效附加繞組電抗；U0為故障后零序電壓相量。

圖2 控制繞組匝間故障零序等效電路Fig.2 Zero-sequence equivalent circuit of control winding inter-turn fault

控制繞組匝間短路故障狀態(tài)下，零序電源位于電抗器內(nèi)部故障相上，根據(jù)圖2可知，網(wǎng)側(cè)繞組、控制繞組、補償繞組、勵磁支路并聯(lián)，對總的零序電流形成分流。由35 kV TCT式并聯(lián)電抗器低壓物理模型參數(shù)設(shè)定可知，網(wǎng)側(cè)繞組、控制繞組、補償繞組的額定漏抗分別為 0.605、0.355、-0.005 p.u.。 忽略勵磁支路上的電流，網(wǎng)側(cè)繞組分流最小，控制繞組次之，補償繞組分流最大，宜采用補償繞組零序電流量來反映控制繞組匝間故障。另外，網(wǎng)側(cè)零序電流很小，且系統(tǒng)零序電抗不大，故電抗器安裝母線處電壓互感器檢測到的零序電壓（以下簡稱“網(wǎng)側(cè)零序電壓”）很小，這也是不能采用常規(guī)變壓器零序功率方向保護來反映控制繞組匝間故障的原因之一。概括而言，控制繞組匝間短路故障特征表現(xiàn)為：補償繞組零序電流明顯增大；網(wǎng)側(cè)零序電壓很?。痪W(wǎng)側(cè)繞組零序電流、控制繞組零序電流較小。

圖3給出了TCT式并聯(lián)電抗器工作在40%容量下，控制繞組A相發(fā)生50%匝間故障時各繞組電氣量仿真波形（故障時刻設(shè)置在3 s），各電氣量均采用標幺值，后同。由圖3可知，故障后網(wǎng)側(cè)零序電壓、零序電流以及控制繞組零序電流均很小，只有補償繞組電流較大，驗證了上述理論分析結(jié)果的正確性。由上述分析可得，可用補償繞組零序電流構(gòu)成控制繞組匝間短路故障保護的主判據(jù)。由于補償繞組正常工作時流過多次諧波電流，為提高保護靈敏度和可靠性，宜提取補償繞組零序電流工頻分量。

圖3 40%容量下控制繞組A相發(fā)生50%匝間故障時各電氣量波形Fig.3 Voltage and current waveforms during 50%inter-turn fault of phase-A control winding，with 40%capacity

1.3 系統(tǒng)非全相運行或發(fā)生不對稱接地故障

用作母線高抗的TCT式并聯(lián)電抗器在系統(tǒng)非全相運行或發(fā)生不對稱接地故障時，網(wǎng)側(cè)三相電壓的非對稱性可能導(dǎo)致控制繞組晶閘管閥組觸發(fā)紊亂，各繞組電氣量均會呈現(xiàn)非對稱的運行狀態(tài)。TCT式并聯(lián)電抗器在滿容量運行方式下，當系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地故障時的零序等效電路如圖4所示。此時零序電壓源位于電抗器外部，網(wǎng)側(cè)電壓互感器檢測到較大的零序電壓，電抗器網(wǎng)側(cè)繞組、控制繞組、補償繞組均產(chǎn)生較大的零序電流。與1.2節(jié)控制繞組匝間短路故障特性相比，其最明顯的區(qū)別在于網(wǎng)側(cè)零序電壓的大?。嚎刂评@組匝間短路故障對網(wǎng)側(cè)電壓的對稱性破壞很小，網(wǎng)側(cè)零序電壓很??；系統(tǒng)非全相運行或發(fā)生不對稱接地故障時網(wǎng)側(cè)繞組三相電壓將出現(xiàn)明顯的不對稱，網(wǎng)側(cè)零序電壓較大。故為了防止系統(tǒng)非全相運行及發(fā)生不對稱接地故障情況下保護主判據(jù)誤判，宜采用零序高電壓閉鎖元件作為輔助判據(jù)，實現(xiàn)上述工況下零序電流保護的閉鎖。

圖5給出了TCT式并聯(lián)電抗器工作在40%容量下，系統(tǒng)近端線路A相發(fā)生接地故障情況下網(wǎng)側(cè)零序電壓的波形圖（故障時刻設(shè)置在3 s）。由圖5可見，此時零序電壓數(shù)值比控制繞組匝間故障時大很多，進一步驗證了所提零序高電壓閉鎖的可行性。

圖4 區(qū)外不對稱接地故障零序等效電路Fig.4 Zero-sequence equivalent circuit of out-zone asymmetric grounding fault

圖5 40%容量下區(qū)外A相接地故障時網(wǎng)側(cè)零序電壓波形Fig.5 Grid-side zero-sequence voltage during out-zone phase-A grounding fault，with 40%capacity

1.4 電抗器空投

TCT式并聯(lián)電抗器投入運行時，網(wǎng)側(cè)電壓突變有可能產(chǎn)生勵磁涌流，從而在補償繞組中產(chǎn)生幅值較大的零序電流，易引起主判據(jù)誤判。若通過抬高保護定值來躲過勵磁涌流，則很可能會導(dǎo)致控制繞組匝間故障時保護拒動，降低了保護的靈敏度，且由于此時網(wǎng)側(cè)零序電壓很小，零序高電壓閉鎖的輔助判據(jù)也失效，因此必須增加電抗器空投閉鎖判據(jù)。通常在進行TCT式并聯(lián)電抗器空投操作時，首先將控制繞組晶閘管閉鎖，其次斷開補償繞組的5次、7次濾波支路，最后在TCT式并聯(lián)電抗器網(wǎng)側(cè)進行合閘操作。由此可見，TCT式并聯(lián)電抗器空投時，其結(jié)構(gòu)已與常規(guī)Y-△電力變壓器相類似，故其空投操作引起的暫態(tài)過程與常規(guī)電力變壓器空載合閘過程相似。因此TCT式并聯(lián)電抗器空投判據(jù)可借鑒傳統(tǒng)變壓器涌流閉鎖判據(jù)［18-20］，如二次諧波制動、間斷角原理等，本文不再贅述。

1.5 容量調(diào)節(jié)

為限制系統(tǒng)工頻過電壓、操作過電壓以及抑制故障后潛供電流，TCT式并聯(lián)電抗器需要頻繁地進行容量調(diào)節(jié)?？紤]到容量調(diào)節(jié)過程中三相控制系統(tǒng)的誤差以及晶閘管觸發(fā)脈沖的延時，各繞組運行狀態(tài)可能會出現(xiàn)暫態(tài)不對稱，導(dǎo)致基于補償繞組零序電流的主判據(jù)誤動，故TCT式并聯(lián)電抗器的保護配置必須考慮到其容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程的影響，這是傳統(tǒng)固定電抗器或者變壓器保護不曾面臨的新問題，也是TCT式并聯(lián)電抗器保護研究的難點。

在電抗器閥控系統(tǒng)接收到容量調(diào)節(jié)指令的瞬間，處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管仍將按照原觸發(fā)角觸發(fā)狀態(tài)導(dǎo)通；而處在關(guān)斷狀態(tài)的晶閘管則將在收到觸發(fā)信號之后，以新的觸發(fā)角觸發(fā)狀態(tài)導(dǎo)通。換言之，在閥控系統(tǒng)改變觸發(fā)角設(shè)定值后的一段時間內(nèi)，6個晶閘管的觸發(fā)角不再相同，導(dǎo)致控制繞組三相電流不再對稱，這種不對稱通過磁通耦合傳遞到網(wǎng)側(cè)繞組和補償繞組電流中，所以網(wǎng)側(cè)繞組、補償繞組也會出現(xiàn)較大的零序電流，進而造成主判據(jù)誤判。此外，容量調(diào)節(jié)過程中網(wǎng)側(cè)零序電壓很小會導(dǎo)致零序高電壓閉鎖輔助判據(jù)也失效。

圖6給出了容量10%至90%階躍調(diào)節(jié)以及90%至10%階躍調(diào)節(jié)時補償繞組零序電流工頻分量的波形，容量調(diào)節(jié)發(fā)生在1.5 s時刻。仿真結(jié)果顯示容量調(diào)節(jié)的暫態(tài)過程中補償繞組零序電流工頻分量數(shù)值較大，甚至超過控制繞組匝間故障情況下的電流水平（見圖3），必然會導(dǎo)致主判據(jù)失效。

圖6 容量調(diào)節(jié)時電流波形Fig.6 Current waveforms during capacity adjustment

為防止工作容量調(diào)節(jié)過程中保護誤動，同時兼顧匝間故障情況下保護的靈敏度，建議主判據(jù)采用兩段式整定方法。固定容量運行方式下采用低定值的靈敏Ⅰ段保護，保護定值Iset1按躲過正常工作下補償繞組的不平衡電流整定，保證保護的靈敏度；在閥控系統(tǒng)收到容量調(diào)節(jié)指令的瞬間，啟用定值較高的不靈敏Ⅱ段保護，避免保護誤動；經(jīng)一定延時后再自動切換到靈敏I段零序過電流保護。不靈敏Ⅱ段保護定值Iset2按照躲過容量調(diào)節(jié)工況下補償繞組出現(xiàn)的最大不平衡電流整定，Ⅱ段保護投入時間按照躲過容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程最大持續(xù)時間整定。

2 控制繞組匝間保護方案及其整定方法

綜合1.2至1.5節(jié)的分析，提出TCT式并聯(lián)電抗器控制繞組匝間故障保護的新方案，新方案采用主判據(jù)和輔助判據(jù)配合的形式：主判據(jù)采用零序過電流保護元件，檢測補償繞組零序電流工頻分量的有效值，當容量不變時將之與靈敏Ⅰ段保護的整定值比較，若超過整定值則輸出動作指令，在容量調(diào)節(jié)過程中將之與不靈敏Ⅱ段保護的整定值比較，若超過整定值則輸出動作指令；輔助判據(jù)由區(qū)外異常閉鎖判據(jù)和空投閉鎖判據(jù)組成，其中區(qū)外異常閉鎖判據(jù)用來檢測零序電壓并將之與整定值比較，若超過整定值則輸出閉鎖指令。當主判據(jù)輸出動作指令，且輔助判據(jù)無閉鎖指令輸出時，延時跳開電抗器網(wǎng)側(cè)開關(guān)。

考慮到TCT式并聯(lián)電抗器安裝處三相電壓可能存在的不平衡，以及由設(shè)備制造誤差造成的電抗器三相漏抗參數(shù)的差異均會導(dǎo)致正常運行時補償繞組產(chǎn)生不平衡電流，故在主判據(jù)靈敏Ⅰ段保護整定時需考慮上述工況的影響。為了防止容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程對保護造成影響，不靈敏Ⅱ段保護整定時需躲過容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程中補償繞組最大不平衡電流，不靈敏Ⅱ段保護投入時間整定需躲過容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程最長持續(xù)時間。

考慮到5%的設(shè)備制造誤差，表1給出了35 kV TCT式并聯(lián)電抗器仿真模型在不同工作容量下補償繞組零序電流工頻分量的有效值（標幺值，后同），其中最大不平衡電流I0max1=0.0804 p.u.。為了躲過其影響，靈敏Ⅰ段保護定值設(shè)定為Iset1=Krel1I0max1，靈敏Ⅰ段保護可靠系數(shù)Krel1取為1.2，則Iset1=1.2×0.0804≈0.1 In3，其中In3為補償繞組額定電流。表2給出了電抗器容量調(diào)節(jié)工況下補償繞組零序電流工頻分量的有效值及暫態(tài)過程持續(xù)時間，其中最大不平衡電流I0max2=0.7583 p.u.。為了躲過其影響，不靈敏Ⅱ段保護定值設(shè)定為Iset2=Krel2I0max2，不靈敏Ⅱ段保護可靠系數(shù)Krel2取為 1.2，則 Iset2=1.2×0.7583≈0.9In3，投入不靈敏Ⅱ段保護可靠系數(shù)時間可設(shè)定為tS=200 ms。

表1 電抗器參數(shù)5%不平衡時補償繞組不平衡電流Table 1 Unbalanced current of compensation windings，with 5%unbalance of reactor parameter

表2 容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程中補償繞組零序電流Table 2 Zero-sequence current of compensation winding during capacity adjustment

至此，可給出主判據(jù)的動作方程。電抗器固定容量運行時Ⅰ段保護投入，動作方程為：

其中，3I0Ⅲ為補償繞組零序電流工頻分量有效值。電抗器容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程中Ⅱ段保護投入，動作方程為：

對于區(qū)外異常閉鎖判據(jù)，零序高電壓閉鎖判據(jù)定值按照躲過正常工況下線路電壓互感器最大不平衡電壓整定，根據(jù)經(jīng)驗，取Uset=0.01Un1，其中Un1為電抗器網(wǎng)側(cè)額定電壓，閉鎖方程為：

其中，3U0Ⅰ為網(wǎng)側(cè)零序電壓。

綜上所述，本文設(shè)計的保護方案動作邏輯圖如圖7所示。

圖7 控制繞組匝間保護邏輯圖Fig.7 Protection logic of control winding inter-turn fault

3 匝間保護方案靈敏度分析

3.1 不同運行容量下匝間保護的靈敏度

基于35 kV TCT式并聯(lián)電抗器仿真模型，對容量固定運行方式下電抗器發(fā)生控制繞組匝間故障進行了多組仿真測試，仿真結(jié)果如表3所示。其中，靈敏度計算方法為：Ksen1=3I0Ⅲ／Iset1。仿真結(jié)果表明，在控制繞組發(fā)生20%及以上匝間故障時，本文所提方案有一定靈敏性；在小容量工作方式下保護靈敏度較高，5%及以上匝間故障均能被保護檢測到，而大容量工作方式下發(fā)生小匝比短路故障時保護靈敏度稍顯不足。這是因為工作容量越大，控制繞組匝間故障對三相電流對稱性的破壞性相對而言越小，故障特征越不明顯。

表3 不同容量下匝間保護靈敏度Table 3 Sensitivity of inter-turn fault protection for different capacities

3.2 容量調(diào)節(jié)方式下匝間保護靈敏度

在容量調(diào)節(jié)過程中控制繞組也有發(fā)生匝間故障的可能性，為驗證所提方案在此情況下的靈敏性，對容量調(diào)節(jié)期間控制繞組發(fā)生匝間故障的工況進行了仿真測試，仿真結(jié)果如表4所示。其中，靈敏度計算方法為：Ksen2=3I0Ⅲ／Iset2。仿真結(jié)果表明，本文所提匝間故障保護方案在容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程中仍具有一定的靈敏性，但目標容量較大時會出現(xiàn)保護靈敏度不足的情況。例如，40%至90%和70%至90%容量調(diào)節(jié)過程中發(fā)生50%及以下的匝間故障時，所提方案靈敏度不足，這與表3中反映出的電抗器在大容量工作方式下發(fā)生匝間短路時保護靈敏度會降低的規(guī)律相一致。另外，目標容量均為90%而調(diào)節(jié)過程不同時，保護靈敏度也會呈現(xiàn)出一定差異。例如，10%至90%和40%至90%容量調(diào)節(jié)過程中控制繞組均發(fā)生50%匝間故障時，10%至90%容量調(diào)節(jié)工況下保護能可靠動作，但40%至90%容量調(diào)節(jié)工況下保護靈敏度不足。筆者認為，這與電抗器容量調(diào)節(jié)暫態(tài)特性有一定聯(lián)系，起始容量和目標容量的不同都會影響其暫態(tài)特性，保護靈敏度并不簡單取決于短路匝比這一因素，同時與容量調(diào)節(jié)的具體暫態(tài)過程密切相關(guān)，詳盡的物理解釋有待更深入地分析。

表4 容量調(diào)節(jié)過程中保護靈敏度Table 4 Protection sensitivity during capacity adjustment

4 結(jié)論

a.本文結(jié)合TCT式并聯(lián)電抗器的特點，分析了控制繞組匝間故障下的電氣量特征，并對比分析了系統(tǒng)非全相運行及區(qū)外線路發(fā)生不對稱故障、電抗器空投、容量調(diào)節(jié)暫態(tài)過程中電氣量的異同，綜合利用網(wǎng)側(cè)零序電壓以及補償繞組零序電流工頻分量，采用主判據(jù)和輔助判據(jù)結(jié)合的方式，兼顧保護的靈敏度和可靠性，提出了TCT式并聯(lián)電抗器控制繞組匝間故障保護的新方案。

b.為防止容量調(diào)節(jié)過程中保護誤動，主判據(jù)采取兩段式的整定方式以兼顧匝間故障下保護的靈敏度和容量調(diào)節(jié)過程中的可靠性，電抗器固定容量運行方式下投入低定值高靈敏Ⅰ段保護，容量調(diào)節(jié)的暫態(tài)過程中啟用高定值低靈敏Ⅱ段保護。

c.輔助判據(jù)是利用網(wǎng)側(cè)零序電壓構(gòu)成區(qū)外異常閉鎖判據(jù)，并增加空投閉鎖判據(jù)，保證在系統(tǒng)非全相運行或發(fā)生不對稱故障、電抗器空投等過程中保護可靠、不誤動。

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