曹文斌，潘武略，戚宣威，陳水耀，方 芳，陳 旭

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司超高壓分公司，杭州 310007）

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭及其伴隨的環(huán)境惡化問題突出，發(fā)展新能源已成為了世界各國的普遍共識［1-2］。得益于新材料的發(fā)展和新技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用［3-4］。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電因風(fēng)速高且較為穩(wěn)定而更為優(yōu)質(zhì)，單機(jī)容量大，更適合大規(guī)模開發(fā)。在“3060”雙碳目標(biāo)下，中央提出要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。海上風(fēng)電作為技術(shù)成熟、總量豐富的新能源，將迎來更廣闊的發(fā)展空間［5-6］。

海上風(fēng)電送出線路普遍采用220 kV 海底交流海纜。與陸上風(fēng)電常用的架空線路相比，交流海纜自身容性充電無功較大。隨著風(fēng)電場離岸距離的增加，長距離交流海纜導(dǎo)致的過電壓和充電功率問題將更為突出。高壓并聯(lián)電抗器（以下簡稱“高抗”）作為調(diào)節(jié)無功功率、提高系統(tǒng)補(bǔ)償度及抑制系統(tǒng)過電壓的成熟手段，廣泛裝設(shè)于超、特高壓輸電系統(tǒng)的母線及線路中［7］。在海纜中加裝220 kV高抗，不僅可以補(bǔ)償、平衡海纜的容性充電無功，而且還是補(bǔ)償海纜電容效應(yīng)、限制系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的有效措施［8-9］。因此，通過較長距離高壓交流海纜線路并網(wǎng)的海上風(fēng)電場，宜采用高抗進(jìn)行無功補(bǔ)償。

高抗的本質(zhì)類似于空載變壓器，通常超高壓電網(wǎng)中的高抗可以看作鐵心帶氣隙的三相變壓器組。500 kV高抗一般為分相式結(jié)構(gòu)并且?guī)в袣庀?，氣隙能夠明顯降低鐵心剩磁及穩(wěn)態(tài)磁通［10］，合閘時的磁通變化難以直接引起飽和，不會出現(xiàn)勵磁涌流現(xiàn)象。然而，在海纜線路側(cè)加裝的220 kV 高抗結(jié)構(gòu)為沒有二次繞組的三相五柱式變壓器，形態(tài)上更接近普通變壓器。因此，高抗在合閘時鐵心飽和引發(fā)勵磁涌流是需要關(guān)注的問題。

高抗的匝間故障是一種較常見的故障形式，由于縱差保護(hù)不能反映穿越性的匝間短路電流，因此需要配置高靈敏度的匝間保護(hù)［11-13］。近期，東部沿海地區(qū)海上風(fēng)電線路的常規(guī)分、合閘操作過程中出現(xiàn)了高抗匝間保護(hù)誤動情況，影響沿海重要用戶快速增長負(fù)荷的供電可靠性以及沿海群島新區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。

本文開展了不同廠家的匝間保護(hù)原理對比分析以及不同操作場景誤動過程的解析，總結(jié)出匝間保護(hù)誤動的兩種典型情況：合閘時鐵心飽和而產(chǎn)生的零序涌流作為零序源被誤判為內(nèi)部故障；諧振期間電流幅值增大導(dǎo)致測量阻抗減小。通過四組對應(yīng)操作場景的仿真復(fù)現(xiàn)了現(xiàn)場錄波波形，驗證了理論分析的正確性，最后給出了防誤動的對策和建議。

1 高抗匝間保護(hù)原理

高抗匝間保護(hù)采用零序電壓和零序電流構(gòu)成判據(jù)，其本質(zhì)是根據(jù)零序功率方向或者測量零序阻抗的阻抗角進(jìn)行判斷。

A廠家匝間保護(hù)的方向判據(jù)為：

式中：3U0為PT自產(chǎn)零序電壓；3I0為電抗器首端CT 自產(chǎn)零序電流；XL0為電抗器零序電抗；Xs0為系統(tǒng)零序電抗。

A 廠家匝間保護(hù)的動作區(qū)域如圖1 所示，式（1）對應(yīng)的判據(jù)為電抗線，當(dāng)測量到的零序阻抗落入（XL0-XS0）j/2電抗線以下的區(qū)域時，匝間保護(hù)動作元件判據(jù)將得到滿足。

圖1 A廠家保護(hù)的零序測量阻抗動作區(qū)域Fig.1 The operation zone of the measured zero-sequence impedance under inter-turn protection of manufacturer A

電抗器一次零序阻抗一般為幾千歐姆，而系統(tǒng)的一次零序阻抗通常為幾十歐姆左右。保護(hù)裝置可以通過測量電抗器端口零序阻抗，判斷是否發(fā)生匝間故障。在電抗器發(fā)生匝間短路和內(nèi)部單相接地故障時，電抗器端口測量到的零序阻抗是系統(tǒng)的零序阻抗；在電抗器發(fā)生外部單相接地故障時，電抗器端口測量到的零序阻抗是電抗器的零序阻抗，利用兩者測量數(shù)值上的較大差異可以區(qū)分電抗器的匝間短路、內(nèi)部接地短路和外部接地短路。

綜合方向、阻抗以及相關(guān)輔助判據(jù)后的A 廠家匝間保護(hù)判據(jù)如圖2所示。

圖2 A廠家保護(hù)的動作判據(jù)Fig.2 Operation criteria for inter-turn protection of manufacturer A

B廠家保護(hù)的方向動作判據(jù)為：

式中：I0和U0分別為電抗器首端的自產(chǎn)零序電流與自產(chǎn)零序電壓；Z0為電抗器的零序電抗（包含中性點(diǎn)小電抗在內(nèi)的電抗器零序電抗）；k為浮動的參數(shù)，取值范圍為0～0.8，它隨零序電壓、零序電流的大小而變化。

B 廠家匝間保護(hù)的動作區(qū)域如圖3 所示，式（2）對應(yīng)的判據(jù)為電抗線，當(dāng)測量到的零序阻抗落入R軸以下區(qū)域時，匝間動作元件判據(jù)將得到滿足。

圖3 B廠家保護(hù)的零序測量阻抗動作區(qū)域Fig.3 The operation zone of the measured zero-sequence impedance under inter-turn protection of manufacturer B

B廠家的動作判據(jù)如圖4所示，為靈敏可靠計算零序方向設(shè)置了零序有壓判據(jù)，當(dāng)且僅當(dāng)零序電壓3U0＞0.5 V時匝間保護(hù)方向元件才開放。

圖4 B廠家保護(hù)的動作判據(jù)Fig.4 Operation criteria for inter-turn protection of manufacturer B

2 誤動過程分析

某220 kV 系統(tǒng)海上輸電工程，電纜線路連接著變電站M和變電站N，高抗位于變電站N側(cè)（N側(cè)為本側(cè)）。某日N側(cè)變電站主變啟動過程中進(jìn)行了以下操作：

1）操作1：利用M 側(cè)開關(guān)對電纜線路及高抗、變電站N側(cè)母線進(jìn)行充電（N側(cè)開關(guān)合位，母線未接電源）。

2）操作2：利用M 側(cè)開關(guān)沖擊線路及高抗（N側(cè)開關(guān)分位）。

3）操作3：拉開M側(cè)開關(guān)。

4）操作4：通過N 側(cè)開關(guān)對線路及高抗沖擊（M側(cè)開關(guān)分位）。

操作1時變電站N側(cè)的A、B兩廠家的匝間保護(hù)均動作。操作2、操作3、操作4 時均發(fā)生A 廠家高抗匝間保護(hù)動作，B 廠家高抗匝間保護(hù)未動作的情況。4種操作場景下操作工況如圖5所示。

圖5 操作工況Fig.5. Operating conditions

下面結(jié)合保護(hù)原理和現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)分析，揭示保護(hù)誤動的原因。

2.1 操作1誤動分析

操作1 時，高抗電壓（母線側(cè)PT）以及電流如圖6所示。高抗因鐵心飽和而產(chǎn)生零序涌流。高抗側(cè)的母線電壓在沖擊初始瞬間存在線路充放電的高頻振蕩諧波，零序電壓波動較大，后續(xù)零序電壓趨于0 V。暫態(tài)過程期間基頻零序電壓和電流幅值如圖7所示，可知在沖擊期間，零序電壓幅值瞬時接近30 kV，零序電流幅值瞬時達(dá)到20 A。測量零序阻抗在復(fù)平面如圖8所示，測量阻抗落在圖1和圖3所示的動作區(qū)內(nèi)。

圖6 操作1時高抗的電壓、電流錄波Fig.6 Voltage and current recording at high reactance during operation 1

圖7 操作1時的基頻零序電壓和電流幅值Fig.7 Zero-sequence voltage and current amplitudes at fundamental frequency during operation 1

圖8 操作1時的零序測量阻抗Fig.8 The measured zero-sequence impedance during operation 1

在本次沖擊期間，由于高抗鐵心三相不一致飽和而產(chǎn)生零序電流，導(dǎo)致測量阻抗落入動作區(qū)內(nèi)。同時，相關(guān)保護(hù)判據(jù)的零序電流和電壓判據(jù)啟動，導(dǎo)致兩套保護(hù)均出口動作。

2.2 操作2誤動分析

操作2 時，高抗電壓（母線側(cè)PT）以及電流如圖9所示。高抗由于鐵心三相不一致飽和而產(chǎn)生零序涌流。高抗側(cè)的母線電壓由于N 側(cè)開關(guān)處于分位，其電壓三相平衡，零序電壓幾乎為零。暫態(tài)過程期間基頻序電壓和電流幅值如圖10 所示，在沖擊期間，由于N 側(cè)開關(guān)分位，零序電壓取母線電壓，故零序電壓幅值約為0.4 kV，零序電流幅值瞬時接近20 A。測量零序阻抗在復(fù)平面如圖11所示，測量阻抗位于原點(diǎn)附近。

圖9 操作2時高抗的電壓、電流錄波Fig.9 Voltage and current recording at high reactance during operation 2

圖10 操作2時的基頻零序電壓和電流幅值Fig.10 Zero-sequence voltage and current amplitudes at fundamental frequency during operation 2

圖11 操作2時的零序測量阻抗Fig.11 The measured zero-sequence impedance during operation 2

在本次沖擊期間，零序電壓幅值僅為0.4 kV，而B 廠家判據(jù)設(shè)計了零序電壓啟動門檻值0.5 V（對應(yīng)的一次值為0.635 kV），B 廠家保護(hù)未動作。A 廠家保護(hù)沒有配置零序電壓啟動判據(jù)，測量阻抗落入圖1所示的動作區(qū)內(nèi)，故出口動作。

2.3 操作3誤動分析

操作3 時，高抗電壓（母線側(cè)PT）以及電流如圖12所示。在M側(cè)開關(guān)斷開瞬間，高抗和線路形成LC串聯(lián)結(jié)構(gòu)，發(fā)生諧振而產(chǎn)生零序電流，其諧振頻率約為33 Hz。高抗側(cè)的母線電壓由于N側(cè)開關(guān)處于分位，其電壓三相平衡，零序電壓幾乎為零。暫態(tài)過程期間基頻零序電壓和電流幅值如圖13所示，測量零序阻抗在復(fù)平面如圖14所示。在分閘期間，零序電壓幅值約為0.2 kV，零序電流幅值瞬時接近30 A；測量阻抗位于原點(diǎn)附近。

圖12 操作3時高抗的電壓、電流錄波Fig.12 Voltage and current recording at high reactance during operation 3

圖13 操作3時的基頻零序電壓和電流幅值Fig.13 Zero-sequence voltage and current amplitudes at fundamental frequency during operation 3

圖14 操作3時的零序測量阻抗Fig.14 The measured zero-sequence impedance during operation 3

在本次沖擊期間，由于N 側(cè)開關(guān)分位而零序電壓取母線電壓，故零序電壓幅值僅為0.4 kV，而B 廠家判據(jù)設(shè)計了零序電壓啟動門檻值0.5 V（對應(yīng)的一次值為0.635 kV），B 廠家保護(hù)未動作。A 廠家保護(hù)沒有配置零序電壓啟動判據(jù)，諧振期間電流幅值增大導(dǎo)致測量阻抗減小，落入圖1所示的動作區(qū)內(nèi)，故出口動作。

2.4 操作4誤動分析

操作4 時，高抗電壓（母線側(cè)PT）以及電流如圖12 所示。在N 側(cè)開關(guān)合閘瞬間，高抗先是流過沖擊電流，且零序電流中含有涌流特征；匝間保護(hù)動作跳閘，經(jīng)過4個周波后，高抗和線路產(chǎn)生諧振，電流波形發(fā)生畸變，諧振頻率約為33 Hz。高抗側(cè)的母線電壓受N 側(cè)電源牽制而三相平衡，零序電壓幾乎為零。暫態(tài)過程期間基頻零序電壓和電流的幅值如圖16 所示，測量零序阻抗在復(fù)平面如圖17 所示。在分閘期間，零序電壓幅值約為0.2 kV，零序電流幅值瞬時大于60 A，測量阻抗位于原點(diǎn)附近。

圖15 操作4時高抗的電壓電流錄波Fig.15 Voltage and current recording at high reactance during operation 4

圖16 操作4時的基頻零序電壓和電流幅值Fig.16 Zero-sequence voltage and current amplitudes at fundamental frequency during operation 4

圖17 操作4時的零序測量阻抗Fig.17 The measured zero-sequence impedance during operation 4

在本次沖擊期間，由于N 側(cè)零序電壓較小，而B 廠家判據(jù)設(shè)計了零序電壓啟動門檻值0.5 V（對應(yīng)的一次值為0.635 kV），B 廠家保護(hù)未動作。A 廠家保護(hù)沒有配置零序電壓啟動判據(jù)，諧振期間電流幅值增大導(dǎo)致測量阻抗減小，落入圖1所示的A廠家保護(hù)方向元件動作區(qū)內(nèi)，故出口動作。

3 誤動機(jī)理分析及仿真

3.1 合閘涌流期間的誤動機(jī)理分析

高抗在空投期間，由于鐵心飽和而產(chǎn)生零序涌流，此時匝間保護(hù)存在誤動風(fēng)險。若高抗零序涌流期間高抗側(cè)開關(guān)處于合位，母線電壓可以正確反映高抗的實際電壓。高抗在發(fā)生飽和期間相當(dāng)于是零序電壓源，系統(tǒng)的零序等值回路如圖18所示，匝間元件將零序涌流判為內(nèi)部故障而誤動；若高抗產(chǎn)生零序涌流且高抗側(cè)開關(guān)處于分位，母線電壓側(cè)零序電壓幅值接近于零，保護(hù)計算得到的零序阻抗位于原點(diǎn)附近，若匝間保護(hù)沒有配置零序電壓啟動判據(jù)，則匝間保護(hù)將會誤動作。

圖18 高抗零序涌流期間的系統(tǒng)零序等值回路Fig.18 Zero-sequence equivalent loop of the system under zero-sequence high reactance inrush current

按圖5 所示電氣接線建立了某220 kV 系統(tǒng)海上輸電工程的仿真模型，海纜長度為27 km，參數(shù)如表1所示。

表1 海纜參數(shù)Table 1 Parameters of submarine cables

操作1、操作2仿真得到的高抗電流與錄波數(shù)據(jù)對比見圖19、圖20，可見仿真波形基本與現(xiàn)場錄波相吻合。

圖19 操作1仿真電流與現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)的對比Fig.19 Comparison of simulated current and the field recorded data during operation 1

圖20 操作2仿真電流與現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)的對比Fig.20 Comparison of simulated current and the field recorded data during operation 2

3.2 諧振期間的誤動機(jī)理分析

在高抗線路運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備期間，由于高抗與線路分布電容充放電而產(chǎn)生諧振，其頻率為高抗線路的自然諧振頻率。線路零序電容為2.164 μF，高抗電感為8.424 H，線路的分布電容充電功率為35.95 Mvar，高抗的功率為20 Mvar。諧振頻率計算公式如下：

根據(jù)式（3）計算可得高抗線路的自然諧振頻率約為37.28 Hz，與現(xiàn)場實測的33 Hz 頻率較為接近。根據(jù)文獻(xiàn)［14］，線路并聯(lián)電抗容量取線路電容充電功率Qc的0.4～0.8 倍，可以推導(dǎo)得到線路的自然振蕩頻率分布區(qū)間為31.62～44.72 Hz。

操作3仿真得到的高抗電流與錄波數(shù)據(jù)對比見圖21，可見仿真波形與現(xiàn)場錄波基本吻合。但若拓寬時間長度，仿真波形與錄波波形將逐漸發(fā)生偏離，諧振頻率有小幅度變化。這是由于鐵心飽和程度在一直變化，鐵心的非線性特性使得LC諧振的電感值L并非固定值。現(xiàn)有電抗器仿真模型對于鐵心非線性物理特性只能做到近似模擬，難以準(zhǔn)確復(fù)刻。

圖21 操作3仿真電流與現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)的對比Fig.21 Comparison of simulated current and the field recorded data during operation 3

操作4仿真得到的高抗電流與錄波數(shù)據(jù)對比見圖22。分析可見，在空投后的初期0.1 s內(nèi)仿真波形與現(xiàn)場錄波基本吻合（紅色為錄波波形，0 s之前未采集）。在高抗側(cè)開關(guān)合閘0.1 s后，由于匝間保護(hù)動作，流過高抗的電流變?yōu)橹C振分量。

圖22 操作4仿真電流與現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)的對比Fig.22 Comparison of simulated current and the field recorded data during operation 4

4 對策及建議

4.1 應(yīng)對零序涌流造成誤動的對策建議

高抗在空充期間由于零序勵磁涌流而導(dǎo)致匝間保護(hù)誤動作。圖23和圖24分別為操作1、操作2兩次合閘過程中零序涌流的波形及二次諧波含量，其中零序涌流二次諧波含量較高，可作為識別涌流的判據(jù)。因此，建議在匝間保護(hù)判據(jù)中增加零序涌流閉鎖功能。加入諧波閉鎖判據(jù)會影響高抗發(fā)生內(nèi)部故障時匝間保護(hù)的靈敏度，在高抗充電期間發(fā)生匝間故障時，匝間保護(hù)將會因涌流閉鎖而延時動作。因此，需結(jié)合匝間故障試驗數(shù)據(jù)充分論證保護(hù)的可靠性和靈敏性，制定合適的涌流閉鎖邏輯。

圖23 操作1零序涌流及二次諧波含量Fig.23 Zero-sequence inrush current and second harmonic content during operation 1

圖24 操作2零序涌流及二次諧波含量Fig.24 Zero-sequence inrush current and second harmonic content during operation 2

4.2 應(yīng)對諧振造成誤動的對策建議

220 kV 線路高抗建議取線路側(cè)三相電壓。若取母線側(cè)電壓，則在高抗側(cè)開關(guān)處于分位情況下，母線電壓不能真實反映高抗本體的電壓，導(dǎo)致保護(hù)誤動或者拒動。若囿于現(xiàn)有220 kV 線路的典型PT 配置模式，高抗保護(hù)只能取母線側(cè)三相電壓（線路側(cè)僅配置單相PT），則應(yīng)在保護(hù)判據(jù)及運(yùn)行操作等方面加以改進(jìn)，以防止保護(hù)誤動。建議在匝間保護(hù)中加入高抗諧振電流辨識判據(jù)以躲過誤動。根據(jù)計算，高抗與線路的自然諧振頻率約為30～40 Hz，可根據(jù)此諧振電流分量形成閉鎖邏輯，若電流諧波落入此區(qū)間則閉鎖匝間保護(hù)。

為了避免產(chǎn)生線路高抗LC串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，在高抗、線路由熱備改運(yùn)行時，建議先合高抗本側(cè)開關(guān)，以便及時判斷高抗內(nèi)部的匝間故障。在高抗線路由運(yùn)行改熱備時，建議最后斷開高抗本側(cè)開關(guān)。

5 結(jié)語

論文針對海上風(fēng)電高抗匝間保護(hù)誤動問題，通過對比不同廠家匝間保護(hù)原理，解析不同操作場景的誤動過程，進(jìn)而分析得到匝間保護(hù)誤動原因是合閘零序涌流作為零序源被誤判為內(nèi)部故障以及諧振期間電流幅值增大導(dǎo)致測量阻抗減小。數(shù)字仿真復(fù)現(xiàn)了現(xiàn)場四組操作場景下的錄波波形，驗證了理論分析的正確性。針對以上產(chǎn)生誤動的原因，有針對性地提出增加適當(dāng)?shù)闹C波閉鎖判據(jù)、增加諧振頻率識別判據(jù)、操作時高抗側(cè)開關(guān)先合后分等對策建議。