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. 南瑞集團公司(國網(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

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. 南瑞集團公司(國網(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)需要考慮的特殊問題。針對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)。最后使用實際工程參數(shù)建立實時數(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; 差動保護(hù); 向量差過電壓保護(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、短路電流過大等問題相互交織,給電網(wǎng)運行控制帶來新的挑戰(zhàn)。同時,依靠建設(shè)新輸電線路來增加輸送容量將會越來越困難,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)多個電氣量實現(xiàn)獨立、快速、準(zhǔn)確的控制和動態(tài)補償。既能夠?qū)崿F(xiàn)潮流的精確控制,提高線路輸送功率極限;又能通過快速無功吞吐動態(tài)支撐相關(guān)變電站的電壓,提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性;同時還可提高系統(tǒng)阻尼,改善系統(tǒng)動態(tài)特性。合理裝設(shè)統(tǒng)一潮流控制器對中國電網(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],缺少對串聯(lián)變壓器本體保護(hù)的研究。串聯(lián)變壓器特性和運行方式?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)行針對性的設(shè)計。

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),并在實時數(shù)字仿真(RTDS)系統(tǒng)上使用現(xiàn)場實際參數(shù)進(jìn)行建模,驗證了保護(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)變的問題,為UPFC系統(tǒng)的安全運行提供了可靠保障。

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,實現(xiàn)優(yōu)化控制線路潮流的功能。并聯(lián)側(cè)通過調(diào)整注入的有功和無功功率,穩(wěn)定UPFC直流側(cè)電壓,還可調(diào)節(jié)交流接入點電壓。

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)相對于同電壓等級的普通變壓器,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)由于工作電壓等級較高,為了應(yīng)對串聯(lián)變壓器可能的磁飽和和過電壓,要求串聯(lián)變壓器的工作磁密低,并具有抗短時過電壓和過激磁的能力。附錄A表A1為實際工程中串聯(lián)變壓器的過電壓能力。

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。

4)由于網(wǎng)側(cè)繞組會流過較大的短路電流,基本和線路短路電流水平相當(dāng),對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)重故障會導(dǎo)致閥側(cè)過流,換流器保護(hù)也可以快速動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)計應(yīng)該以整個保護(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)域劃分見附錄A圖A1)。

2)串聯(lián)變壓器磁飽和和勵磁涌流

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保護(hù)作為其主保護(hù)。對于基于磁通平衡的差動保護(hù),變壓器的磁飽和特性和勵磁涌流是必須要考慮的問題。正常變壓器發(fā)生各種區(qū)內(nèi)外故障時,繞組電壓一般是降低的,不會產(chǎn)生嚴(yán)重磁飽和,短路時的勵磁電流同短路電流相比通常可以忽略。而串聯(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,串聯(lián)變壓器網(wǎng)側(cè)繞組兩端會突然產(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)計的,正常工作時磁密較低,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]。

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

同時,由于其勵磁曲線的特殊性,空充時的勵磁涌流特征也會有所變化。

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相同,兩側(cè)均可裝設(shè)TA,但使用不同TA會造成保護(hù)范圍有所差異,故障時差流也會有所不同。需研究縱差保護(hù)使用的TA安裝位置及保護(hù)范圍。

4)繞組過電壓問題

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)生過電壓,從保護(hù)設(shè)備角度來講,需要配置過電壓保護(hù)。繞組兩端電壓無法直接測量,因此需要設(shè)計專用的過壓保護(hù)及防誤動邏輯。

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)各有一個旁路開關(guān),可以用來旁路變壓器,同時也可以直接跳線路開關(guān)。部分故障可以通過旁路變壓器隔離,如發(fā)生匝間故障,只需合上串聯(lián)變壓器兩側(cè)的旁路開關(guān),此時串聯(lián)變被短接,線路仍然可以正常運行;部分故障需要跳開線路開關(guān),如接地故障。因此需確定不同保護(hù)元件如何出口,保證整個系統(tǒng)的性能最優(yōu)。

6)開關(guān)失靈問題

高壓交流保護(hù)通常要考慮開關(guān)失靈問題。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開關(guān)失靈的情況。同時合閘和跳閘不同,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 測點配置方案

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

圖2 串聯(lián)變壓器測點配置圖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)旁路開關(guān)；P2為閥側(cè)旁路開關(guān)；TBS為閥側(cè)快速晶閘管(可在2 ms內(nèi)快速導(dǎo)通,其對于保護(hù)的作用相當(dāng)于可快速合閘的開關(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。

過壓保護(hù)使用兩個TV間的向量差,反映繞組兩端過電壓。

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

旁路開關(guān)位置異常告警是在旁路開關(guān)位置異常時給出告警提示,保證開關(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合P1,P2兩個開關(guān)。

后文會具體說明各保護(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關(guān)合閘操作外,還包括跳線路本側(cè)開關(guān)和對側(cè)開關(guān),閉鎖線路重合閘,啟失靈和閉鎖閥。各保護(hù)元件動作后,其出口方式可通過各種跳閘矩陣進(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電壓保護(hù)、旁路開關(guān)跟合功能以及包括主保護(hù)在內(nèi)的2時限跳閘功能等串聯(lián)變壓器專用功能配置。下面會結(jié)合串聯(lián)變的特殊問題及具體工程的串變參數(shù),說明特殊保護(hù)配置的必要性和作用,同時重點分析差動保護(hù)特性并給出定值整定建議。

4.1 差動保護(hù)

1)TA選擇和差動保護(hù)范圍

縱差保護(hù)網(wǎng)側(cè)TA使用TA1和TA2均可。兩者區(qū)外故障時測量電流一致,區(qū)內(nèi)故障時保護(hù)范圍和靈敏度會有所不同,兩者均只能保護(hù)本TA到另一側(cè)繞組末端。對于高壓聯(lián)絡(luò)線路,母線近端故障時,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各自配置差動功能,提供冗余主保護(hù)并擴大保護(hù)范圍。

2)勵磁涌流

勵磁涌流的特性和變壓器的磁化曲線有密切聯(lián)系,現(xiàn)場一臺串聯(lián)變壓器勵磁電流峰值和勵磁電壓的關(guān)系如表3所示。

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

此臺串聯(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,空載合閘時最大勵磁磁通瞬時值為2倍額定值,對應(yīng)的勵磁涌流峰值近似為0.72Ie(Ie為變壓器額定電流峰值)。考慮最惡劣情況,剩磁和合閘時的暫態(tài)分量同相,理論上最大勵磁磁通瞬時值為3倍額定值,對應(yīng)的勵磁涌流峰值近似為2.15Ie,由于勵磁涌流偏于時間軸一側(cè),且存在一定間斷角,所以涌流有效值還要小很多,串聯(lián)變空充時勵磁涌流遠(yuǎn)小于普通變壓器。和普通變壓器相比,串聯(lián)變正常勵磁工作點較低,更加不容易飽和。

3)區(qū)外故障差流特性

再考慮裝置發(fā)生金屬性故障時的工況。通常串變遠(yuǎn)離母線側(cè)發(fā)生故障時,變壓器繞組兩端電壓最大。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時,串變副邊的TBS會快速閉合,此時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)行理論計算,進(jìn)而計算出串變的勵磁電壓,查表得出可能的勵磁電流。當(dāng)發(fā)生變壓器區(qū)外金屬性接地故障時,如不計TA誤差,此勵磁電流即為區(qū)外故障下的差流。實際現(xiàn)場計算最嚴(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)過程由于故障角度不同,故障時刻磁通瞬時值不同,實際勵磁電流也會有所不同,但故障時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2Ie,而此時的穿越電流在13Ie左右,可見依靠比率制動,可以比較好地防止區(qū)外故障誤動作。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系數(shù)的時候適當(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

區(qū)內(nèi)故障同樣會產(chǎn)生勵磁電流,此勵磁電流會和故障電流疊加,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,從而勵磁電流越大,因此最終差流中的諧波含量并不會太高。使用實際參數(shù)仿真分析,當(dāng)差動TA選擇在靠近母線側(cè)時,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%,對保護(hù)動作行為影響不大,因此諧波閉鎖定值無需調(diào)整。但不同工程短路電流及變壓器參數(shù),勵磁曲線均不相同,具體情況還需具體分析。

5)差動速斷

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

6)過激磁閉鎖判據(jù)

串聯(lián)變壓器不容易飽和,因此正常運行或輕微過電壓情況下勵磁電流很小,不會造成差動保護(hù)誤動作。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)故障無需閉鎖,區(qū)外故障靠比率制動特性可以可靠閉鎖。因此串聯(lián)變壓器差動保護(hù)無需經(jīng)過激磁判據(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,相當(dāng)于普通變壓器的降壓運行,此時匝間故障產(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,短路電流會受到限制。針對此種情況,建議配置比較靈敏的故障分量差動保護(hù)來提高匝間故障的靈敏度。

8)繞組差動保護(hù)

由于縱差TA安裝位置的問題,其保護(hù)范圍只到繞組末端,無法對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保護(hù),可以保護(hù)兩端TA之間的范圍。繞組差動保護(hù)直接用兩端TA做差,不經(jīng)涌流閉鎖。

4.2 過電壓保護(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)置繞組過電壓保護(hù)。

繞組上的電壓無法直接測量,但繞組兩端電壓可以分別測量,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TV的電壓向量差做過電壓保護(hù)。其定值可按變壓器過壓能力(附錄A表A1)保留一定裕度整定。

由于采用兩個電壓做向量差,這就引入一個新的問題,即TV斷線問題。常規(guī)的過壓保護(hù),TV斷線后測量電壓降低,不會造成保護(hù)誤動,報警即可。但串聯(lián)變壓器的過電壓比較特別,正常情況下兩個TV測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,會產(chǎn)生較大的電壓差,從而導(dǎo)致串聯(lián)變壓器過電壓保護(hù)誤動作,因此在配置過電壓保護(hù)的同時,需要提供TV斷線的防誤判據(jù)。下面提出兩種針對此種情況的保護(hù)防誤判據(jù)。

1)電壓越限判據(jù)

當(dāng)計算的電壓差超過一定數(shù)值時，瞬時閉鎖過電壓保護(hù)。因為故障時閥側(cè)TBS的快速閉合作用,造成繞組兩端的電壓差并不會非常高,而TV完全斷線后的計算電壓基本為線路電壓。因此可在兩者之間取個定值,當(dāng)計算的繞組電壓超過該定值,則一定是TV斷線引起的，而非故障引起的。

2)電流啟動判據(jù)

可參考現(xiàn)在成熟的阻抗保護(hù),設(shè)置獨立的電流啟動判據(jù)。電流啟動判據(jù)可包括電流突變判據(jù)、負(fù)序電流判據(jù)等。因為發(fā)生TV斷線時,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)電流異常時才開放過電壓保護(hù)。

4.3 網(wǎng)側(cè)過流

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)置過流保護(hù)的目的主要是防止短時大電流或長時間過載導(dǎo)致串變損壞。

串變過流和普通變壓器過流最大的區(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)故障時會有差異。當(dāng)故障發(fā)生在靠近母線側(cè),則TA2對流過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對流過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)動作后的跟合。此兩類裝置動作時,串聯(lián)變采集的電壓電流不一定有明顯變化,因此考慮使用雙開入防誤,不采用就地電量判據(jù)。

此外,為保證跟合信號的可靠性,提供相應(yīng)的雙開入不一致告警功能。

4.5 保護(hù)2時限跳閘功能

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)先通過旁路的方式將串變從系統(tǒng)內(nèi)隔離,同時保證線路的正常運行。但部分故障無法通過旁路串聯(lián)變壓器切除,如網(wǎng)側(cè)區(qū)內(nèi)接地故障、相間故障等。此外還需考慮開關(guān)失靈、合閘失敗等異常情況。

針對這種情況,設(shè)計了分兩級切除故障的方式。第一級合旁路開關(guān),第二級跳線路開關(guān)。相對的,各保護(hù)也均設(shè)置兩個時限,先合旁路,當(dāng)經(jīng)過一段時間后動作元件仍然不返回(開關(guān)失靈或合閘不能切除故障),此時2時限動作跳開線路開關(guān)。

同時裝置接入旁路開關(guān)位置,作為2時限動作的輔助判據(jù)。

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

4.6 旁路開關(guān)位置異常告警

和普通變壓器不同,串聯(lián)變壓器保護(hù)需接入旁路開關(guān)位置,且該位置參與保護(hù)邏輯運算,因為對開關(guān)位置的可靠性提出了較高要求,同時裝置側(cè)也需提供比較完善的自檢,考慮如下方式。

1)開關(guān)使用雙位置接入,雙位置不一致時告警。

2)開關(guān)合位,串聯(lián)變從系統(tǒng)中旁路隔離,此時串變中不流過電流,因此可增設(shè)有流判據(jù),當(dāng)開關(guān)合位且串變有流時提供報警。

3)旁路開關(guān)P1和P2通常分合狀態(tài)一致,當(dāng)兩者位置不一致時,延時發(fā)報警。

5 各種故障下的仿真驗證

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

仿真的工況有:①UPFC退出運行;②UPFC投入運行,不控制潮流;③UPFC投入運行,同時進(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。

仿真實驗時,在不同工況下共模擬了200余次不同故障,保護(hù)裝置無故障或區(qū)外故障時可靠不動作,區(qū)內(nèi)故障時可快速動作,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其進(jìn)行簡要分析。

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(見附錄A圖A2和圖A3，所有波形中三條曲線分別表示A，B，C三相)。

故障時最大差流有效值約為1.1Ie(因為差流計算做了消零處理,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,此時制動電流較大,同時差流滿足涌流的閉鎖條件,因此保護(hù)啟動但未動作。且故障時繞組兩端產(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(見附錄A圖A4、圖A5和圖A6)。

故障時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(見附錄A圖A7)。

差流有效值約為0.6Ie?？梢?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,故障點電壓小于額定電壓。

5.5 空投波形

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

選擇B相電壓過零時空投,B相產(chǎn)生最大差流為0.6Ie,小于普通變壓器電壓過零時空投產(chǎn)生的勵磁涌流。

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

本文從UPFC系統(tǒng)中串聯(lián)變壓器的特性和運行方式出發(fā),對其保護(hù)的特殊之處做了重點分析,提出了完整的保護(hù)配置方案以及針對性的保護(hù)判據(jù)。通過RTDS仿真驗證了保護(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,現(xiàn)場運行良好。本文也為電力系統(tǒng)中其他串聯(lián)變壓器的保護(hù)設(shè)計提供了參考。

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

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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 代長振)

( continuedonpage112)( continuedfrompage77)