張曉宇, 顧喬根, 文繼鋒, 莫品豪, 鄭 超

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102; 2. 南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院), 江蘇省南京市 211106)

統(tǒng)一潮流控制器系統(tǒng)串聯(lián)變壓器保護(hù)設(shè)計(jì)

張曉宇1,2, 顧喬根1,2, 文繼鋒1,2, 莫品豪1,2, 鄭 超1,2

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102; 2. 南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院), 江蘇省南京市 211106)

串聯(lián)變壓器是統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)系統(tǒng)的重要組成部分。其原邊繞組直接串入電力系統(tǒng),變壓器設(shè)備特性和運(yùn)行方式同常規(guī)電力變壓器有很大不同,需要提供專用的保護(hù)方案。文中從串聯(lián)變壓器的特性和運(yùn)行方式出發(fā),提出了串聯(lián)變壓器保護(hù)需要考慮的特殊問(wèn)題。針對(duì)其特殊性提出了完整的串聯(lián)變壓器保護(hù)配置方案,并給出了適用于串聯(lián)變壓器的專用保護(hù)判據(jù)。最后使用實(shí)際工程參數(shù)建立實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(RTDS)模型。仿真結(jié)果表明,文中理論分析正確,所提出的保護(hù)方案和判據(jù)可靠有效。

統(tǒng)一潮流控制器; 串聯(lián)變壓器; 變壓器磁飽和; 差動(dòng)保護(hù); 向量差過(guò)電壓保護(hù)

0 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展迅速,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。潮流不均、電壓支撐不足、短路電流過(guò)大等問(wèn)題相互交織,給電網(wǎng)運(yùn)行控制帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。同時(shí),依靠建設(shè)新輸電線路來(lái)增加輸送容量將會(huì)越來(lái)越困難,潮流分布不均已成為制約電網(wǎng)輸送能力的重要因素[1-2]。統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)作為功能最為全面的新一代柔性交流輸電設(shè)備,能夠?qū)涣鬏旊娤到y(tǒng)多個(gè)電氣量實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、快速、準(zhǔn)確的控制和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。既能夠?qū)崿F(xiàn)潮流的精確控制,提高線路輸送功率極限;又能通過(guò)快速無(wú)功吞吐動(dòng)態(tài)支撐相關(guān)變電站的電壓,提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性;同時(shí)還可提高系統(tǒng)阻尼,改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。合理裝設(shè)統(tǒng)一潮流控制器對(duì)中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展具有重要的意義[1-2]。

串聯(lián)變壓器是UPFC系統(tǒng)中非常重要的組成部分。但目前相關(guān)研究多集中在控制策略、輸出性能及系統(tǒng)應(yīng)用方式上[3-7]。對(duì)保護(hù)的研究也主要集中在整體方案、保護(hù)區(qū)域劃分以及換流器設(shè)備保護(hù)[8-9],缺少對(duì)串聯(lián)變壓器本體保護(hù)的研究。串聯(lián)變壓器特性和運(yùn)行方式?jīng)Q定了其保護(hù)同現(xiàn)有成熟的并聯(lián)變壓器保護(hù)有很大不同,不能直接使用現(xiàn)有變壓器保護(hù),需要根據(jù)其特性進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

本文從串聯(lián)變壓器的結(jié)構(gòu)和特性出發(fā),提出了串聯(lián)變壓器完整的保護(hù)配置方案及專用保護(hù)判據(jù),并在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(RTDS)系統(tǒng)上使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行建模,驗(yàn)證了保護(hù)方案和判據(jù)的正確性。本文提出的保護(hù)方案解決了現(xiàn)有變壓器保護(hù)不能直接應(yīng)用于UPFC系統(tǒng)串聯(lián)變的問(wèn)題,為UPFC系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了可靠保障。

1 UPFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及串聯(lián)變壓器特性

1.1 UPFC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

UPFC系統(tǒng)主要由并聯(lián)變壓器、串聯(lián)變壓器和換流器組成[2-3],其電氣原理圖如圖1所示。串聯(lián)側(cè)通過(guò)調(diào)節(jié)串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組電壓的幅值和相角,等效改變線路電氣距離,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制線路潮流的功能。并聯(lián)側(cè)通過(guò)調(diào)整注入的有功和無(wú)功功率,穩(wěn)定UPFC直流側(cè)電壓,還可調(diào)節(jié)交流接入點(diǎn)電壓。

圖1 UPFC電氣原理圖Fig.1 Electrical schematic diagram of UPFC

1.2 串聯(lián)變壓器特性及與普通變壓器的差異

串聯(lián)變壓器是UPFC的重要組成部分,其網(wǎng)側(cè)繞組是直接串入輸電線路的,其運(yùn)行方式的特殊性決定了變壓器結(jié)構(gòu)和特性與普通電力系統(tǒng)變壓器(并聯(lián)變壓器)有很大不同。

1)相對(duì)于同電壓等級(jí)的普通變壓器,串聯(lián)變壓器的額定電壓低,容量小。其網(wǎng)側(cè)額定電壓通常小于所在線路額定電壓的1/10。

2)由于工作電壓等級(jí)較高,為了應(yīng)對(duì)串聯(lián)變壓器可能的磁飽和和過(guò)電壓,要求串聯(lián)變壓器的工作磁密低,并具有抗短時(shí)過(guò)電壓和過(guò)激磁的能力。附錄A表A1為實(shí)際工程中串聯(lián)變壓器的過(guò)電壓能力。

3)其絕緣水平要求較高,整體結(jié)構(gòu)需要有特殊的絕緣設(shè)計(jì)。

4)由于網(wǎng)側(cè)繞組會(huì)流過(guò)較大的短路電流,基本和線路短路電流水平相當(dāng),對(duì)繞組抗短路能力要求比較高。

2 串聯(lián)變壓器保護(hù)需要考慮的特殊問(wèn)題

1)保護(hù)配合和整體思路

串聯(lián)變壓器保護(hù)同線路保護(hù),換流器保護(hù)配合使用,同并聯(lián)變壓器保護(hù)一起,共同完成整個(gè)UPFC系統(tǒng)的保護(hù)[9]。各保護(hù)的保護(hù)區(qū)有重疊,其配合關(guān)系比常規(guī)交流保護(hù)更加緊密。如串變網(wǎng)側(cè)的金屬性故障同時(shí)也是線路保護(hù)區(qū)內(nèi)的金屬性故障;網(wǎng)側(cè)嚴(yán)重故障會(huì)導(dǎo)致閥側(cè)過(guò)流,換流器保護(hù)也可以快速動(dòng)作隔離換流器和串聯(lián)變壓器。因此串聯(lián)變壓器保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該以整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的性能最優(yōu)為目標(biāo),而非單一保護(hù)裝置的性能最優(yōu)(各保護(hù)區(qū)域劃分見(jiàn)附錄A圖A1)。

2)串聯(lián)變壓器磁飽和和勵(lì)磁涌流

串聯(lián)變壓器本質(zhì)上仍然是變壓器,因此仍然選用基于磁通平衡的差動(dòng)保護(hù)作為其主保護(hù)。對(duì)于基于磁通平衡的差動(dòng)保護(hù),變壓器的磁飽和特性和勵(lì)磁涌流是必須要考慮的問(wèn)題。正常變壓器發(fā)生各種區(qū)內(nèi)外故障時(shí),繞組電壓一般是降低的,不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重磁飽和,短路時(shí)的勵(lì)磁電流同短路電流相比通?？梢院雎浴６?lián)變壓器由于是串入線路的,且額定電壓遠(yuǎn)小于線路電壓。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組兩端會(huì)突然產(chǎn)生較大電壓。雖然串聯(lián)變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)是特殊設(shè)計(jì)的,正常工作時(shí)磁密較低,但嚴(yán)重故障仍然可能導(dǎo)致串聯(lián)變壓器繞組磁飽和[10]。

針對(duì)這種情況,一方面需要在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)提出相應(yīng)要求，另一方面需要核算區(qū)外故障時(shí)產(chǎn)生的差流大小以及區(qū)內(nèi)故障時(shí)差流的諧波含量,評(píng)估其對(duì)保護(hù)判據(jù)及定值整定的影響。

同時(shí),由于其勵(lì)磁曲線的特殊性,空充時(shí)的勵(lì)磁涌流特征也會(huì)有所變化。

3)電流互感器安裝位置及縱差保護(hù)范圍

普通變壓器縱差用的保護(hù)電流互感器(TA)通常裝在繞組首端,接地的繞組末端通常不裝設(shè)TA。而串聯(lián)變壓器繞組兩端電壓等級(jí)相同,兩側(cè)均可裝設(shè)TA,但使用不同TA會(huì)造成保護(hù)范圍有所差異,故障時(shí)差流也會(huì)有所不同。需研究縱差保護(hù)使用的TA安裝位置及保護(hù)范圍。

4)繞組過(guò)電壓?jiǎn)栴}

串聯(lián)變壓器額定電壓較低,因此交流系統(tǒng)故障或控制系統(tǒng)異常均可能在其兩端產(chǎn)生過(guò)電壓,從保護(hù)設(shè)備角度來(lái)講,需要配置過(guò)電壓保護(hù)。繞組兩端電壓無(wú)法直接測(cè)量,因此需要設(shè)計(jì)專用的過(guò)壓保護(hù)及防誤動(dòng)邏輯。

5)特殊的故障切除方式

串聯(lián)變壓器故障切除方式比較特殊,其網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)各有一個(gè)旁路開(kāi)關(guān),可以用來(lái)旁路變壓器,同時(shí)也可以直接跳線路開(kāi)關(guān)。部分故障可以通過(guò)旁路變壓器隔離,如發(fā)生匝間故障,只需合上串聯(lián)變壓器兩側(cè)的旁路開(kāi)關(guān),此時(shí)串聯(lián)變被短接,線路仍然可以正常運(yùn)行;部分故障需要跳開(kāi)線路開(kāi)關(guān),如接地故障。因此需確定不同保護(hù)元件如何出口,保證整個(gè)系統(tǒng)的性能最優(yōu)。

6)開(kāi)關(guān)失靈問(wèn)題

高壓交流保護(hù)通常要考慮開(kāi)關(guān)失靈問(wèn)題。由于串聯(lián)變采用了合閘切除故障的方式,因此需特別考慮合閘時(shí)開(kāi)關(guān)失靈的情況。同時(shí)合閘和跳閘不同,傳統(tǒng)的失靈電流判據(jù)不再適用,需考慮專用的旁路開(kāi)關(guān)合閘失靈處理方法。

3 串聯(lián)變壓器保護(hù)配置方案

3.1 測(cè)點(diǎn)配置方案

串聯(lián)變壓器運(yùn)行方式和常規(guī)變壓器不同,因此模擬量采集位置也有所差異,具體測(cè)點(diǎn)配置如圖2所示。

圖2 串聯(lián)變壓器測(cè)點(diǎn)配置圖Fig.2 Measuring points arrangement of series transformer

圖中,K1,K2為線路兩端斷路器；P1為網(wǎng)側(cè)旁路開(kāi)關(guān)；P2為閥側(cè)旁路開(kāi)關(guān)；TBS為閥側(cè)快速晶閘管(可在2 ms內(nèi)快速導(dǎo)通,其對(duì)于保護(hù)的作用相當(dāng)于可快速合閘的開(kāi)關(guān))；TV1,TV2為串聯(lián)變壓器兩端電壓互感器(TV);TA1,TA2為串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)兩端TA;TA3為閥側(cè)TA。

其中TA1和TA2需裝在旁路開(kāi)關(guān)內(nèi)側(cè),避免由于變壓器被旁路后保護(hù)出現(xiàn)差流。

3.2 保護(hù)配置方案

串聯(lián)變保護(hù)配置如表1所示。

表1 串聯(lián)變壓器保護(hù)配置Table 1 Protection configuration of series transformer

其中差動(dòng)速斷、縱差保護(hù)、故障分量保護(hù)使用網(wǎng)側(cè)靠近母線的TA1和閥側(cè)的TA3,保護(hù)范圍和普通變壓器類似,網(wǎng)側(cè)保護(hù)范圍從TA1到變壓器網(wǎng)側(cè)繞組末端,反映變壓器本體及引線上各種故障。

繞組差動(dòng)基于基爾霍夫第一定律,保護(hù)TA1和TA2之間部分,反映除匝間故障外的各種故障。

過(guò)壓保護(hù)使用兩個(gè)TV間的向量差,反映繞組兩端過(guò)電壓。

網(wǎng)側(cè)繞組首端和尾端均配置過(guò)流保護(hù),兩者結(jié)合可反映流過(guò)繞組的電流。

旁路開(kāi)關(guān)位置異常告警是在旁路開(kāi)關(guān)位置異常時(shí)給出告警提示,保證開(kāi)關(guān)位置的可靠性。

主變跟合是主變保護(hù)收到跟合命令后主動(dòng)合P1,P2兩個(gè)開(kāi)關(guān)。

后文會(huì)具體說(shuō)明各保護(hù)元件的特殊之處和配置目的。

3.3 出口方式及配合關(guān)系

由于串聯(lián)變壓器是串入線路的,因此其出口除了本身的旁路開(kāi)關(guān)合閘操作外,還包括跳線路本側(cè)開(kāi)關(guān)和對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān),閉鎖線路重合閘,啟失靈和閉鎖閥。各保護(hù)元件動(dòng)作后,其出口方式可通過(guò)各種跳閘矩陣進(jìn)行整定,以適應(yīng)不同跳閘需求。具體接點(diǎn)輸出及與其他保護(hù)的配合關(guān)系如表2所示。

表2 串聯(lián)變保護(hù)輸出信號(hào)Table 2 Output signal of series transformer protection

4 串聯(lián)變壓器保護(hù)判據(jù)及定值整定

上文給出了串聯(lián)變壓器的完整保護(hù)配置方案。同以往普通變壓器保護(hù)相比,該方案提出了向量差過(guò)電壓保護(hù)、旁路開(kāi)關(guān)跟合功能以及包括主保護(hù)在內(nèi)的2時(shí)限跳閘功能等串聯(lián)變壓器專用功能配置。下面會(huì)結(jié)合串聯(lián)變的特殊問(wèn)題及具體工程的串變參數(shù),說(shuō)明特殊保護(hù)配置的必要性和作用,同時(shí)重點(diǎn)分析差動(dòng)保護(hù)特性并給出定值整定建議。

4.1 差動(dòng)保護(hù)

1)TA選擇和差動(dòng)保護(hù)范圍

縱差保護(hù)網(wǎng)側(cè)TA使用TA1和TA2均可。兩者區(qū)外故障時(shí)測(cè)量電流一致,區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)范圍和靈敏度會(huì)有所不同,兩者均只能保護(hù)本TA到另一側(cè)繞組末端。對(duì)于高壓聯(lián)絡(luò)線路,母線近端故障時(shí),本側(cè)系統(tǒng)提供的短路電流較大,因此縱差保護(hù)推薦使用靠近本側(cè)母線的TA1,其靈敏度更高。此外,有條件也可以TA1和TA2各自配置差動(dòng)功能,提供冗余主保護(hù)并擴(kuò)大保護(hù)范圍。

2)勵(lì)磁涌流

勵(lì)磁涌流的特性和變壓器的磁化曲線有密切聯(lián)系,現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)串聯(lián)變壓器勵(lì)磁電流峰值和勵(lì)磁電壓的關(guān)系如表3所示。

表3 串聯(lián)變勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓的關(guān)系Table 3 Relationship between excitation current and excitation voltage of series transformer

此臺(tái)串聯(lián)變網(wǎng)側(cè)一次額定電流峰值為2 156 A。不考慮變壓器剩磁,空載合閘時(shí)最大勵(lì)磁磁通瞬時(shí)值為2倍額定值,對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁涌流峰值近似為0.72Ie(Ie為變壓器額定電流峰值)?？紤]最惡劣情況,剩磁和合閘時(shí)的暫態(tài)分量同相,理論上最大勵(lì)磁磁通瞬時(shí)值為3倍額定值,對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁涌流峰值近似為2.15Ie,由于勵(lì)磁涌流偏于時(shí)間軸一側(cè),且存在一定間斷角,所以涌流有效值還要小很多,串聯(lián)變空充時(shí)勵(lì)磁涌流遠(yuǎn)小于普通變壓器。和普通變壓器相比,串聯(lián)變正常勵(lì)磁工作點(diǎn)較低,更加不容易飽和。

3)區(qū)外故障差流特性

再考慮裝置發(fā)生金屬性故障時(shí)的工況。通常串變遠(yuǎn)離母線側(cè)發(fā)生故障時(shí),變壓器繞組兩端電壓最大。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí),串變副邊的TBS會(huì)快速閉合,此時(shí)串變串入線路的等效阻抗和變壓器漏抗有關(guān),網(wǎng)側(cè)繞組兩端電壓可以結(jié)合系統(tǒng)阻抗進(jìn)行理論計(jì)算,進(jìn)而計(jì)算出串變的勵(lì)磁電壓,查表得出可能的勵(lì)磁電流。當(dāng)發(fā)生變壓器區(qū)外金屬性接地故障時(shí),如不計(jì)TA誤差,此勵(lì)磁電流即為區(qū)外故障下的差流。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算最嚴(yán)重故障下,繞組兩端穩(wěn)態(tài)電壓約為2.6倍額定電壓。暫態(tài)過(guò)程由于故障角度不同,故障時(shí)刻磁通瞬時(shí)值不同,實(shí)際勵(lì)磁電流也會(huì)有所不同,但故障時(shí)電壓非周期分量通常較小。綜合考慮磁通周期分量和非周期分量的影響,產(chǎn)生的差流有效值一般不超過(guò)2Ie,而此時(shí)的穿越電流在13Ie左右,可見(jiàn)依靠比率制動(dòng),可以比較好地防止區(qū)外故障誤動(dòng)作。另外,串聯(lián)變壓器區(qū)外故障產(chǎn)生的理論差流比傳統(tǒng)變壓器大,建議在整定比率制動(dòng)系數(shù)的時(shí)候適當(dāng)抬高定值。如常規(guī)整定為0.5,串聯(lián)變壓器可考慮整定為0.6.

4)區(qū)內(nèi)故障和諧波制動(dòng)

區(qū)內(nèi)故障同樣會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁電流,此勵(lì)磁電流會(huì)和故障電流疊加,形成最終的差流,導(dǎo)致差流中存在一定比例的諧波。但通常故障越嚴(yán)重,電壓跌落越大,繞組兩端電壓差越大,從而勵(lì)磁電流越大,因此最終差流中的諧波含量并不會(huì)太高。使用實(shí)際參數(shù)仿真分析,當(dāng)差動(dòng)TA選擇在靠近母線側(cè)時(shí),故障后繞組電壓升高不多,區(qū)內(nèi)故障諧波含量通常小于5%,對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為影響不大,因此諧波閉鎖定值無(wú)需調(diào)整。但不同工程短路電流及變壓器參數(shù),勵(lì)磁曲線均不相同,具體情況還需具體分析。

5)差動(dòng)速斷

差動(dòng)速斷定值通常是考慮躲過(guò)空充變壓器的勵(lì)磁涌流。但針對(duì)串聯(lián)變壓器,從分析可以看出,空投時(shí)涌流并不大,但區(qū)外故障時(shí)反而可以產(chǎn)生一定數(shù)值的差流。因此,差動(dòng)速斷定值需躲過(guò)此區(qū)外故障產(chǎn)生的差流。

6)過(guò)激磁閉鎖判據(jù)

串聯(lián)變壓器不容易飽和,因此正常運(yùn)行或輕微過(guò)電壓情況下勵(lì)磁電流很小,不會(huì)造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。而真正產(chǎn)生較大差流則主要是出現(xiàn)在區(qū)內(nèi)外故障。區(qū)內(nèi)故障無(wú)需閉鎖,區(qū)外故障靠比率制動(dòng)特性可以可靠閉鎖。因此串聯(lián)變壓器差動(dòng)保護(hù)無(wú)需經(jīng)過(guò)激磁判據(jù)閉鎖。

7)匝間故障的靈敏度

串聯(lián)變的工作電壓會(huì)隨著UPFC系統(tǒng)的工作狀態(tài)在0到額定電壓之間變化。當(dāng)其電壓低于額定電壓時(shí),相當(dāng)于普通變壓器的降壓運(yùn)行,此時(shí)匝間故障產(chǎn)生的差流也較小。此外,串聯(lián)變壓器是串入系統(tǒng)的,從系統(tǒng)角度看,匝間故障僅改變線路的等效阻抗,短路電流會(huì)受到限制。針對(duì)此種情況,建議配置比較靈敏的故障分量差動(dòng)保護(hù)來(lái)提高匝間故障的靈敏度。

8)繞組差動(dòng)保護(hù)

由于縱差TA安裝位置的問(wèn)題,其保護(hù)范圍只到繞組末端,無(wú)法對(duì)變壓器套管及引線上的故障作出反應(yīng),因此增加配置了繞組差動(dòng)保護(hù),可以保護(hù)兩端TA之間的范圍。繞組差動(dòng)保護(hù)直接用兩端TA做差,不經(jīng)涌流閉鎖。

4.2 過(guò)電壓保護(hù)

由于串聯(lián)變壓器自身額定電壓較低,但串聯(lián)在高壓線路中,系統(tǒng)故障或控制系統(tǒng)異常的情況下容易出現(xiàn)端電壓升高的情況。裝置需設(shè)置繞組過(guò)電壓保護(hù)。

繞組上的電壓無(wú)法直接測(cè)量,但繞組兩端電壓可以分別測(cè)量,兩者之差就是繞組電壓。因此需在繞組兩端分別裝設(shè)TV,使用兩個(gè)TV的電壓向量差做過(guò)電壓保護(hù)。其定值可按變壓器過(guò)壓能力(附錄A表A1)保留一定裕度整定。

由于采用兩個(gè)電壓做向量差,這就引入一個(gè)新的問(wèn)題,即TV斷線問(wèn)題。常規(guī)的過(guò)壓保護(hù),TV斷線后測(cè)量電壓降低,不會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng),報(bào)警即可。但串聯(lián)變壓器的過(guò)電壓比較特別,正常情況下兩個(gè)TV測(cè)量的電壓值是線路上的電壓,數(shù)值較高,兩者的電壓差為串聯(lián)變的工作電壓,比較低。當(dāng)其中任一TV發(fā)生斷線時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的電壓差,從而導(dǎo)致串聯(lián)變壓器過(guò)電壓保護(hù)誤動(dòng)作,因此在配置過(guò)電壓保護(hù)的同時(shí),需要提供TV斷線的防誤判據(jù)。下面提出兩種針對(duì)此種情況的保護(hù)防誤判據(jù)。

1)電壓越限判據(jù)

當(dāng)計(jì)算的電壓差超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，瞬時(shí)閉鎖過(guò)電壓保護(hù)。因?yàn)楣收蠒r(shí)閥側(cè)TBS的快速閉合作用,造成繞組兩端的電壓差并不會(huì)非常高,而TV完全斷線后的計(jì)算電壓基本為線路電壓。因此可在兩者之間取個(gè)定值,當(dāng)計(jì)算的繞組電壓超過(guò)該定值,則一定是TV斷線引起的，而非故障引起的。

2)電流啟動(dòng)判據(jù)

可參考現(xiàn)在成熟的阻抗保護(hù),設(shè)置獨(dú)立的電流啟動(dòng)判據(jù)。電流啟動(dòng)判據(jù)可包括電流突變判據(jù)、負(fù)序電流判據(jù)等。因?yàn)榘l(fā)生TV斷線時(shí),僅電壓有變化而電流通常不變,所以可以用電流判據(jù)把關(guān),當(dāng)電流異常時(shí)才開(kāi)放過(guò)電壓保護(hù)。

4.3 網(wǎng)側(cè)過(guò)流

串變由于串聯(lián)在線路中,外部故障的配合可由線路保護(hù)完成,因此設(shè)置過(guò)流保護(hù)的目的主要是防止短時(shí)大電流或長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載導(dǎo)致串變損壞。

串變過(guò)流和普通變壓器過(guò)流最大的區(qū)別是在串變繞組兩端分別配置TA,各自完成過(guò)流保護(hù)。正常情況下兩TA電流大小相同,僅在區(qū)內(nèi)故障時(shí)會(huì)有差異。當(dāng)故障發(fā)生在靠近母線側(cè),則TA2對(duì)流過(guò)變壓器的電流作出反應(yīng)；當(dāng)故障發(fā)生在遠(yuǎn)離母線側(cè),則TA1對(duì)流過(guò)串變繞組的電流作出反應(yīng)。從保護(hù)設(shè)備的角度出發(fā),串聯(lián)變兩端均配置了過(guò)流保護(hù)。

4.4 跟合功能

由于采用合閘方式切除故障,為保證合閘的可靠性,串聯(lián)變保護(hù)提供了跟合功能。當(dāng)其他裝置發(fā)合閘命令后,不論是否合閘成功,串聯(lián)變保護(hù)短時(shí)間內(nèi)均提供一次跟合。

該功能主要用于換流器保護(hù)和非電量保護(hù)動(dòng)作后的跟合。此兩類裝置動(dòng)作時(shí),串聯(lián)變采集的電壓電流不一定有明顯變化,因此考慮使用雙開(kāi)入防誤,不采用就地電量判據(jù)。

此外,為保證跟合信號(hào)的可靠性,提供相應(yīng)的雙開(kāi)入不一致告警功能。

4.5 保護(hù)2時(shí)限跳閘功能

加裝UPFC系統(tǒng)的線路通常比較重要,希望串變故障情況下優(yōu)先通過(guò)旁路的方式將串變從系統(tǒng)內(nèi)隔離,同時(shí)保證線路的正常運(yùn)行。但部分故障無(wú)法通過(guò)旁路串聯(lián)變壓器切除,如網(wǎng)側(cè)區(qū)內(nèi)接地故障、相間故障等。此外還需考慮開(kāi)關(guān)失靈、合閘失敗等異常情況。

針對(duì)這種情況,設(shè)計(jì)了分兩級(jí)切除故障的方式。第一級(jí)合旁路開(kāi)關(guān),第二級(jí)跳線路開(kāi)關(guān)。相對(duì)的,各保護(hù)也均設(shè)置兩個(gè)時(shí)限,先合旁路,當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后動(dòng)作元件仍然不返回(開(kāi)關(guān)失靈或合閘不能切除故障),此時(shí)2時(shí)限動(dòng)作跳開(kāi)線路開(kāi)關(guān)。

同時(shí)裝置接入旁路開(kāi)關(guān)位置,作為2時(shí)限動(dòng)作的輔助判據(jù)。

使用此方法可以在開(kāi)關(guān)合閘失靈時(shí),通過(guò)跳開(kāi)線路開(kāi)關(guān)切除故障。雖然串變區(qū)內(nèi)發(fā)生接地或相間故障時(shí),動(dòng)作速度會(huì)稍慢,但此類故障線路保護(hù)可以快速動(dòng)作,不影響UPFC系統(tǒng)整體保護(hù)性能。

4.6 旁路開(kāi)關(guān)位置異常告警

和普通變壓器不同,串聯(lián)變壓器保護(hù)需接入旁路開(kāi)關(guān)位置,且該位置參與保護(hù)邏輯運(yùn)算,因?yàn)閷?duì)開(kāi)關(guān)位置的可靠性提出了較高要求,同時(shí)裝置側(cè)也需提供比較完善的自檢,考慮如下方式。

1)開(kāi)關(guān)使用雙位置接入,雙位置不一致時(shí)告警。

2)開(kāi)關(guān)合位,串聯(lián)變從系統(tǒng)中旁路隔離,此時(shí)串變中不流過(guò)電流,因此可增設(shè)有流判據(jù),當(dāng)開(kāi)關(guān)合位且串變有流時(shí)提供報(bào)警。

3)旁路開(kāi)關(guān)P1和P2通常分合狀態(tài)一致,當(dāng)兩者位置不一致時(shí),延時(shí)發(fā)報(bào)警。

5 各種故障下的仿真驗(yàn)證

除了理論分析,本文還使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)建模,通過(guò)RTDS仿真研究串聯(lián)變壓器特性。將使用本文方案的實(shí)際保護(hù)裝置接入仿真系統(tǒng),對(duì)理論分析和保護(hù)方案進(jìn)行整體驗(yàn)證(仿真模型具體見(jiàn)附錄A表A2)。

仿真的工況有:①UPFC退出運(yùn)行;②UPFC投入運(yùn)行,不控制潮流;③UPFC投入運(yùn)行,同時(shí)進(jìn)行潮流控制;④UPFC串聯(lián)變壓器空投。

故障類型包括:串變兩側(cè)區(qū)內(nèi)外金屬性故障、高阻接地故障、匝間和匝地故障等。

仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),在不同工況下共模擬了200余次不同故障,保護(hù)裝置無(wú)故障或區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)作,區(qū)內(nèi)故障時(shí)可快速動(dòng)作,證明了本方案的合理性和可靠性。下面列舉一些典型故障的波形并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

5.1 網(wǎng)側(cè)區(qū)外故障

遠(yuǎn)離母線側(cè)A相區(qū)外接地故障,保護(hù)啟動(dòng)(見(jiàn)附錄A圖A2和圖A3，所有波形中三條曲線分別表示A，B，C三相)。

故障時(shí)最大差流有效值約為1.1Ie(因?yàn)椴盍饔?jì)算做了消零處理,所以單相故障三相均有差流),繞組兩端電壓約為15 V(繞組額定二次電壓為6.95 V)。

從數(shù)據(jù)上看,區(qū)外故障產(chǎn)生了較大差流,差流呈現(xiàn)比較明顯的涌流特征,此時(shí)制動(dòng)電流較大,同時(shí)差流滿足涌流的閉鎖條件,因此保護(hù)啟動(dòng)但未動(dòng)作。且故障時(shí)繞組兩端產(chǎn)生了較大電壓差,達(dá)到了額定電壓的2倍以上。

5.2 網(wǎng)側(cè)區(qū)內(nèi)故障

靠近母線側(cè)A相區(qū)內(nèi)接地故障,保護(hù)10 ms發(fā)跳令(見(jiàn)附錄A圖A4、圖A5和圖A6)。

故障時(shí)最大差流有效值約為20Ie,繞組兩端最大電壓有效值約為6 V,差流二次諧波含量約為2%。

從數(shù)據(jù)上看,區(qū)內(nèi)故障差流大,繞組端電壓不高,諧波含量低,故障特征明顯,保護(hù)動(dòng)作行為基本不受影響。

5.3 匝間故障

閥側(cè)A相20%匝間故障,保護(hù)30 ms發(fā)跳令(見(jiàn)附錄A圖A7)。

差流有效值約為0.6Ie?？梢?jiàn),匝間故障差流比普通變壓器要小很多。

5.4 匝地故障

串變網(wǎng)側(cè)50%匝地故障,保護(hù)19 ms發(fā)跳令(見(jiàn)附錄A圖A8)。

差流約為7.8Ie,比普通變壓器匝地故障差流大。主要原因是故障處電壓高,和線路電壓相近。而普通變壓器匝地故障時(shí),故障點(diǎn)電壓小于額定電壓。

5.5 空投波形

從閥側(cè)空充變壓器,保護(hù)啟動(dòng)(見(jiàn)附錄A圖A9。UFPC未運(yùn)行時(shí),網(wǎng)側(cè)繞組直接串于線路中,兩端電壓差很小。為驗(yàn)證涌流特性,提供閥側(cè)施加額定勵(lì)磁電壓的空充波形,此時(shí)網(wǎng)側(cè)為開(kāi)路狀態(tài))。

選擇B相電壓過(guò)零時(shí)空投,B相產(chǎn)生最大差流為0.6Ie,小于普通變壓器電壓過(guò)零時(shí)空投產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。

以上仿真結(jié)果均和本文理論分析結(jié)論一致,證明了理論分析及保護(hù)判據(jù)的正確性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從UPFC系統(tǒng)中串聯(lián)變壓器的特性和運(yùn)行方式出發(fā),對(duì)其保護(hù)的特殊之處做了重點(diǎn)分析,提出了完整的保護(hù)配置方案以及針對(duì)性的保護(hù)判據(jù)。通過(guò)RTDS仿真驗(yàn)證了保護(hù)配置及判據(jù)的正確性。目前使用該方案的保護(hù)裝置已經(jīng)成功在南京西環(huán)網(wǎng)投運(yùn),現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行良好。本文也為電力系統(tǒng)中其他串聯(lián)變壓器的保護(hù)設(shè)計(jì)提供了參考。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 祁萬(wàn)春,楊林,宋鵬程,等.南京西環(huán)網(wǎng)UPFC示范工程系統(tǒng)級(jí)控制策略研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(1):92-96.

QI Wanchun, YANG Lin, SONG Pengcheng, et al. UPFC system control strategy research in Nanjing western power grid[J]. Power System Technology, 2016, 40(1): 92-96.

[2] 趙淵,楊曉嵩,謝開(kāi)貴.UPFC對(duì)電網(wǎng)可靠性的靈敏度分析及優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(1):55-60.

ZHAO Yuan, YANG Xiaosong, XIE Kaigui. Parameter sensitivity and optimal allocation of UPFCs in bulk power systems reliability assessment[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(1): 55-60.

[3] 侯麗,劉琦,魯寶春.UPFC控制器設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(9):51-54.

HOU Li, LIU Qi, LU Baochun. Controller design for UPFC[J]. Electric Power Automation Equipment, 2010, 30(9): 51-54.

[4] 朱鵬程,劉黎明,劉小元,等.統(tǒng)一潮流控制器的分析與控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,30(1):45-51.

ZHU Pengcheng, LIU Liming, LIU Xiaoyuan, et al. Analysis and study on control strategy for UPFC[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(1): 45-51.

[5] 張曼,張春朋,姜齊榮,等.統(tǒng)一潮流控制器多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(4):1008-1013.

ZHANG Man, ZHANG Chunpeng, JIANG Qirong, et al. Study on multi-objective coordinated control strategy of unified power flow controller[J]. Power System Technology, 2014, 38(4): 1008-1013.

[6] 劉黎明,康勇,陳堅(jiān),等.統(tǒng)一潮流控制器控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(10):114-119.

LIU Liming, KANG Yong, CHEN Jian, et al. Control scheme and implement of a unified power flow controller[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(10): 114-119.

[7] YUAN Yubo, LI Peng, KONG Xiangping, et al. Harmonic influence analysis of unified power flow controller based on modular multilevel converter[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2016, 4(1): 10-18.

[8] 宋潔瑩,吳丹,陸振綱,等.MMC-UPFC本體保護(hù)系統(tǒng)研究[J].智能電網(wǎng),2015,3(10):948-955.

SONG Jieying, WU Dan, LU Zhengang, et al. Research on the control and protection system of MMC-UPFC[J]. Smart Grid, 2015, 3(10): 948-955.

[9] 林金嬌,李鵬,孔祥平,等.南京西環(huán)網(wǎng)UPFC保護(hù)系統(tǒng)及配合策略[J].江蘇電機(jī)工程,2015,34(6):56-60.

LIN Jinjiao, LI Peng, KONG Xiangping, et al. The UPFC protection system configuration and action strategy in Nanjing western power gird[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2015, 34(6): 56-60.

[10] 李曉明,曹冬明,田杰,等.統(tǒng)一潮流控制器用串聯(lián)變壓器設(shè)計(jì)[J].江蘇電機(jī)工程,2016,35(1):41-44.

LI Xiaoming, CAO Dongming, TIAN Jie, et al. The design of series transformer applied in the unified power-flow controller[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2016, 35(1): 41-44.

Series Transformer Protection Design in Unified Power Flow Controller System

ZHANGXiaoyu1,2,GUQiaogen1,2,WENJifeng1,2,MOPinhao1,2,ZHENGChao1,2

(1. NR Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China; 2. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute)), Nanjing 211106, China)

The series transformer is a very important part of the unified power flow controller (UPFC). The primary windings of the series transformer are connected in series with the power system. The characteristics and operation mode are different from those of the common transformer, and a special protection configuration is needed. In view of the particularity of the series transformer, this paper proposes a series of problems for its protection. And an integral configuration is presented along with appropriative criteria. Then, a real time digital simulator (RTDS) is performed of actual parameters to prove the validity of theoretical analysis and the effectiveness of the protection criteria.

united power flow controller (UPFC); series transformer; saturation of transformer; differential protection; overvoltage protection with vector difference

2017-02-08;

2017-04-11。

上網(wǎng)日期: 2017-07-25。

張曉宇(1981—),男,通信作者,碩士,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail：zhangxiaoyu@nari-relays.com

顧喬根(1986—),男,碩士,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail: guqg@nari-relays.com

文繼鋒(1978—),男,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail: wenjf@nari-relays.com

(編輯 代長(zhǎng)振)

( continuedonpage112)( continuedfrompage77)