(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司,天津 300110)

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一種新的TSC靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置保護(hù)方案

劉 楠，王云昊，吳 杰

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司,天津 300110)

靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。提出了一種針對(duì)橋型電容器接法的無(wú)功補(bǔ)償裝置保護(hù)方法，新的保護(hù)方案不僅僅對(duì)簡(jiǎn)單的電容器故障有效，而且對(duì)橋臂同側(cè)電容器同時(shí)擊穿故障也起到保護(hù)作用。基于PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置；過(guò)流保護(hù)；晶閘管投切電容器；平衡電流

0 引 言

全球能源互聯(lián)網(wǎng)力求解決全球環(huán)境問(wèn)題，需要在全球范圍內(nèi)合理分布清潔能源，因此需要特高壓技術(shù)在洲際之間傳輸清潔能源。為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，特高壓技術(shù)需要大量的無(wú)功補(bǔ)償裝置維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方法是利用機(jī)械開(kāi)關(guān)對(duì)電力電容器進(jìn)行投切以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償目的，但傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法不能實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，可能會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。

靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(static var compensator,SVC)反應(yīng)快速，補(bǔ)償效果好，主要有晶閘管控制電抗器型(thyristor control reactor,TCR)、晶閘管投切電容器型(thyristor switched compensator,TSC)以及兩者的混合裝置[10]。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)維護(hù)系統(tǒng)的無(wú)功需求，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定具有重要意義，因此確保無(wú)功補(bǔ)償裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

SVC裝置中含有大量的電抗器與電容器等裝置，對(duì)于電抗器可以通過(guò)電流差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的目的。但電容器故障形式較為復(fù)雜，同時(shí)連接方式也不盡相同，因此對(duì)電容器的保護(hù)尤為重要[3-9]。針對(duì)TSC中橋型接線的電容器組的保護(hù)展開(kāi)研究，提出了一種新的過(guò)電流保護(hù)方案。新的保護(hù)方案不僅僅利用橋臂中心平衡電流的變化，也對(duì)同側(cè)橋臂同時(shí)被擊穿的故障提出了解決措施。利用PSCAD/EMTDC搭建的仿真模型驗(yàn)證了新保護(hù)方案的正確性。

結(jié)構(gòu)主要包括3部分：1)主要介紹了SVC的具體結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)單的保護(hù)配置；2)針對(duì)橋型電容器組接線提出了新的過(guò)電流保護(hù)方案；3)利用PSCAD仿真驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

1 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)分析

圖1給出了靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)示意圖。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置主要依靠晶閘管控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定的目的?？紤]到高電壓等級(jí)的晶閘管造價(jià)很高，因此靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置一般需要通過(guò)一個(gè)降壓變壓器與系統(tǒng)相連[10]。當(dāng)與晶閘管相連接的元件為電感時(shí)，此時(shí)SVC為晶閘管控制電抗器型(TCR)；如果是電容，則SVC為晶閘管投切電容器型(TSC)。

圖1 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)單系統(tǒng)圖

現(xiàn)階段，工程中一般混合使用TCR和TSC兩種補(bǔ)償裝置[1]。圖2給出了SVC典型的無(wú)功補(bǔ)償裝置配置圖。顯然，要實(shí)現(xiàn)對(duì)SVC的保護(hù)配置，就要求對(duì)SVC每個(gè)器件都實(shí)現(xiàn)保護(hù)。通過(guò)圖2可以看出，TCR以電抗器為主，基于電流差動(dòng)保護(hù)就可以很好地實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的，對(duì)TSC中的電抗器也是一樣的。但TSC中有電容器組(C1～C4)，并且構(gòu)成了雙橋臂形式；如果其中某一個(gè)電容器出現(xiàn)故障，比如被擊穿，此時(shí)電流I和I2仍然相同，利用電流差動(dòng)保護(hù)不能起到任何的保護(hù)作用。因此針對(duì)橋型電容器接線方式提出了一種新的過(guò)電流保護(hù)方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SVC的全面保護(hù)目的。

圖2 典型靜止無(wú)功補(bǔ)償器配置圖

2 一種新的過(guò)電流保護(hù)方案

2.1 保護(hù)原理的研究

通過(guò)圖2可以看出，如果電容器組穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)流過(guò)橋臂間的電流幅值為0；如果任何一個(gè)橋臂或者同旁橋臂發(fā)生了擊穿等故障，如C1、C3或者C2、C4同時(shí)故障，此時(shí)橋臂不再平衡，電流I1的幅值將會(huì)增大，因此依靠電流I1的幅值可以識(shí)別大部分電容器內(nèi)部故障。但如果同側(cè)橋臂同時(shí)發(fā)生擊穿等故障，此時(shí)對(duì)于電流I1而言，橋臂仍然平衡，如C1與C2同時(shí)被擊穿，電流I1仍然為0。因此僅僅依靠電流I1是不能完全識(shí)別電容器組故障。

假設(shè)C1=C2=C3=C4=C，則存在電流I的幅值為

I=ωC(Ua-Ub)

(1)

式中:ω=2πf，表示系統(tǒng)角頻率，f為系統(tǒng)頻率。

當(dāng)同一側(cè)橋臂同時(shí)發(fā)生擊穿故障時(shí)，存在

I′=2ωC(Ua-Ub)

(2)

當(dāng)同側(cè)橋臂同時(shí)被擊穿時(shí)，電壓Ua、Ub會(huì)同時(shí)降低，但差值(Ua-Ub)不會(huì)變化太大。顯然同一側(cè)電容器擊穿時(shí)，電流I的幅值會(huì)大約增加1倍，此特征可以作為識(shí)別同一側(cè)電容器是否同時(shí)被擊穿。顯然，如果4個(gè)電容器同時(shí)被擊穿，此時(shí)存在Ua=Ub的顯著特征變化，但此種情形一般不常見(jiàn)，在此不做討論。

2.2 新的保護(hù)邏輯方案提出

通過(guò)2.1節(jié)的分析可以得出如下結(jié)論：

1)如果電流I1由0突然增大，則表示電容器組肯定存在故障，要及時(shí)隔離SVC，重新對(duì)SVC的器件進(jìn)行檢查或更換；

2)如果電流I1幅值保持為0，并且電流I幅值不變，則表示電容器組并無(wú)故障；如果電流I幅值增加，則表示同側(cè)橋臂的電容器同時(shí)擊穿，需要迅速隔離SVC，重新對(duì)SVC器件進(jìn)行檢查或更換。

圖3給出了具體的保護(hù)邏輯框圖，其中ε和ε1分別表示2個(gè)門(mén)檻值, ΔI、ΔI1表示電流I和I1幅值的變化。其中由于正常運(yùn)行時(shí) ΔI≈0，因此ε可取較低的數(shù)值；由于 ΔI1在同側(cè)電容器同時(shí)擊穿時(shí)可達(dá)到正常電流I的2倍，同時(shí)為了避免其他因素的影響，因此ε1可取一個(gè)相對(duì)較大的數(shù)值。

圖3 保護(hù)邏輯框圖

3 仿真算例

基于PSCAD/EMTDC搭建了如圖2所示的TSC模型，其中低壓母線電壓為20 kV, 電感L=0.02 H，電容C=0.01 uF，故障時(shí)刻為0.5 s。

3.1 C1被擊穿仿真算例

圖4給出了電容器C1被擊穿時(shí)電流I1的變化曲線。通過(guò)圖4可以看出，在電容器組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電流I1幅值幾乎為0。當(dāng)C1被擊穿時(shí)，不平衡電流顯著增大，根據(jù)保護(hù)邏輯，需要及時(shí)將SVC切除，對(duì)損壞的電容器進(jìn)行更換。

圖4 C1被擊穿仿真結(jié)果

3.2 C1、C2同時(shí)被擊穿仿真算例

圖5給出了同側(cè)橋臂C1、C2同時(shí)被擊穿時(shí)電流I1和I的變化曲線。通過(guò)圖5可以看出，雖然電流I1一直為0，但電流I在0.5 s時(shí)幾乎增加了1倍左右，顯然根據(jù)新的保護(hù)邏輯，電容器組發(fā)生了故障，需要及時(shí)將SVC與電網(wǎng)隔離，對(duì)器件進(jìn)行檢查與更換。

圖5 C1、C2同時(shí)被擊穿仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

針對(duì)SVC的保護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并提出了一種新的過(guò)電流保護(hù)方案：電流I1出現(xiàn)了不平衡電流，則表示TSC發(fā)生了故障；I1電流為0，但如果電流I幅值增加，表示同一側(cè)橋臂同時(shí)發(fā)生故障，同樣需要將TSC與電網(wǎng)隔離。新的過(guò)流保護(hù)方案較為簡(jiǎn)單，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳珩. 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2] 李勇剛, 王曉梅，李鵬，等. 基于逆變調(diào)壓型雙向動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2014,30(2): 17-21.

[3] 韋德重, 童鈺. 一起串聯(lián)補(bǔ)償電容器故障原因分析及防范措施[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償, 2014,35(4):70-77.

[4] 劉冰，郗力強(qiáng). 一起并聯(lián)電容器的故障分析及應(yīng)對(duì)措施[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償, 2014,35(5):81-85.

[5] 潘臻，安立. 一起35kV并聯(lián)電容器組事故爆炸原因分析[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償, 2015,36(3):17-20.

[6] 王智勇，肖鋒，趙曉鋒，等. 特高壓站低壓側(cè)保護(hù)設(shè)備大電流閉鎖方案設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014,38(7):123-126.

[7] 鄔乾晉，楊光源，張楠，等. 高肇直流工程直流濾波器C1不平衡保護(hù)分析及改進(jìn)措施[J]. 水電能源科學(xué)，2015，33(12):181-184.

[8] 逍遙，張晉寅，黎建平，等.H型接線高壓濾波器電容器組不平衡電流保護(hù)判據(jù)及定值[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015,43(18):120-128.

[9] 張建軍，孫紅華，王鈺，等. 高壓并聯(lián)電容器組保護(hù)裝置及整定值問(wèn)題探討[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2014,35(6):42-46.

[10]StanleyH.Horowitz,ArunG.Phadke.PowerSystemRelaying[M].Chichester:JohnWiley&SonsLtd, 2008:225-240.

The static var compensator plays a key role in keeping the stable operation of power system. A novel protection method for capacitor with bridge connection is proposed. This novel method does not only work for simple capacitor fault, but also for the simultaneous breakdown fault of the capacitors located in the same side of the bridge. The simulation results based on PSCAD/EMTDC prove the conclusion to be correct.

static var compensation (SVC); overcurrent protection; thyristor switched compensator (TSC); balanced current

TM531 <文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-6954(2016)06-0051-03文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a

1003-6954(2016)06-0051-03

A 文章編號(hào)：1003-6954(2016)06-0051-03

2016-06-11)

劉 楠(1982)，碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)電力調(diào)度、監(jiān)控運(yùn)行等工作；

王云昊(1986)，碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行等工作；

吳 杰(1981)，碩士、工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行等工作。