一種新的TSC靜止無功補償裝置保護方案

(國網天津市電力公司,天津 300110)

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一種新的TSC靜止無功補償裝置保護方案

劉 楠，王云昊，吳 杰

(國網天津市電力公司,天津 300110)

靜止無功補償器對維持系統穩定運行有重要作用。提出了一種針對橋型電容器接法的無功補償裝置保護方法，新的保護方案不僅僅對簡單的電容器故障有效，而且對橋臂同側電容器同時擊穿故障也起到保護作用。基于PSCAD/EMTDC仿真結果驗證了結論的正確性。

靜止無功補償裝置；過流保護；晶閘管投切電容器；平衡電流

0 引 言

全球能源互聯網力求解決全球環境問題，需要在全球范圍內合理分布清潔能源，因此需要特高壓技術在洲際之間傳輸清潔能源。為了維持系統的穩定運行，特高壓技術需要大量的無功補償裝置維持系統電壓的穩定。

傳統的無功補償方法是利用機械開關對電力電容器進行投切以實現無功補償目的，但傳統的補償方法不能實現無功功率的動態調節，可能會影響系統的穩定運行，因此，靜止無功補償裝置應運而生[1-2]。

靜止無功補償裝置(static var compensator,SVC)反應快速，補償效果好，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]。靜止無功補償裝置對維護系統的無功需求，保持系統電壓穩定具有重要意義，因此確保無功補償裝置的安全穩定運行至關重要。

SVC裝置中含有大量的電抗器與電容器等裝置，對于電抗器可以通過電流差動保護實現保護的目的。但電容器故障形式較為復雜，同時連接方式也不盡相同，因此對電容器的保護尤為重要[3-9]。針對TSC中橋型接線的電容器組的保護展開研究，提出了一種新的過電流保護方案。新的保護方案不僅僅利用橋臂中心平衡電流的變化，也對同側橋臂同時被擊穿的故障提出了解決措施。利用PSCAD/EMTDC搭建的仿真模型驗證了新保護方案的正確性。

結構主要包括3部分：1)主要介紹了SVC的具體結構以及簡單的保護配置；2)針對橋型電容器組接線提出了新的過電流保護方案；3)利用PSCAD仿真驗證了結論的正確性。

1 靜止無功補償裝置結構分析

圖1給出了靜止無功補償裝置(SVC)簡單的系統示意圖。靜止無功補償裝置主要依靠晶閘管控制來實現對系統無功補償，最終實現電壓穩定的目的。考慮到高電壓等級的晶閘管造價很高，因此靜止無功補償裝置一般需要通過一個降壓變壓器與系統相連[10]。當與晶閘管相連接的元件為電感時，此時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 靜止無功補償裝置簡單系統圖

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

圖2 典型靜止無功補償器配置圖

2 一種新的過電流保護方案

2.1 保護原理的研究

通過圖2可以看出，如果電容器組穩定運行，此時流過橋臂間的電流幅值為0；如果任何一個橋臂或者同旁橋臂發生了擊穿等故障，如C1、C3或者C2、C4同時故障，此時橋臂不再平衡，電流I1的幅值將會增大，因此依靠電流I1的幅值可以識別大部分電容器內部故障。但如果同側橋臂同時發生擊穿等故障，此時對于電流I1而言，橋臂仍然平衡，如C1與C2同時被擊穿，電流I1仍然為0。因此僅僅依靠電流I1是不能完全識別電容器組故障。

假設C1=C2=C3=C4=C，則存在電流I的幅值為

I=ωC(Ua-Ub)

(1)

式中:ω=2πf，表示系統角頻率，f為系統頻率。

當同一側橋臂同時發生擊穿故障時，存在

I′=2ωC(Ua-Ub)

(2)

當同側橋臂同時被擊穿時，電壓Ua、Ub會同時降低，但差值(Ua-Ub)不會變化太大。顯然同一側電容器擊穿時，電流I的幅值會大約增加1倍，此特征可以作為識別同一側電容器是否同時被擊穿。顯然，如果4個電容器同時被擊穿，此時存在Ua=Ub的顯著特征變化，但此種情形一般不常見，在此不做討論。

2.2 新的保護邏輯方案提出

通過2.1節的分析可以得出如下結論：

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，要及時隔離SVC，重新對SVC的器件進行檢查或更換；

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故障；如果電流I幅值增加，則表示同側橋臂的電容器同時擊穿，需要迅速隔離SVC，重新對SVC器件進行檢查或更換。

圖3給出了具體的保護邏輯框圖，其中ε和ε1分別表示2個門檻值, ΔI、ΔI1表示電流I和I1幅值的變化。其中由于正常運行時 ΔI≈0，因此ε可取較低的數值；由于 ΔI1在同側電容器同時擊穿時可達到正常電流I的2倍，同時為了避免其他因素的影響，因此ε1可取一個相對較大的數值。

圖3 保護邏輯框圖

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被擊穿時電流I1的變化曲線。通過圖4可以看出，在電容器組穩定運行時，電流I1幅值幾乎為0。當C1被擊穿時，不平衡電流顯著增大，根據保護邏輯，需要及時將SVC切除，對損壞的電容器進行更換。

圖4 C1被擊穿仿真結果

3.2 C1、C2同時被擊穿仿真算例

圖5給出了同側橋臂C1、C2同時被擊穿時電流I1和I的變化曲線。通過圖5可以看出，雖然電流I1一直為0，但電流I在0.5 s時幾乎增加了1倍左右，顯然根據新的保護邏輯，電容器組發生了故障，需要及時將SVC與電網隔離，對器件進行檢查與更換。

圖5 C1、C2同時被擊穿仿真結果

4 結 論

針對SVC的保護問題進行了詳細的研究，并提出了一種新的過電流保護方案：電流I1出現了不平衡電流，則表示TSC發生了故障；I1電流為0，但如果電流I幅值增加，表示同一側橋臂同時發生故障，同樣需要將TSC與電網隔離。新的過流保護方案較為簡單，具有較好的工程應用價值。

[1] 陳珩. 電力系統穩態分析[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

[2] 李勇剛, 王曉梅，李鵬，等. 基于逆變調壓型雙向動態無功補償裝置研究[J]. 電網與清潔能源, 2014,30(2): 17-21.

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

[4] 劉冰，郗力強. 一起并聯電容器的故障分析及應對措施[J]. 電力電容器與無功補償, 2014,35(5):81-85.

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

[6] 王智勇，肖鋒，趙曉鋒，等. 特高壓站低壓側保護設備大電流閉鎖方案設計[J]. 電力系統自動化，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不平衡保護分析及改進措施[J]. 水電能源科學，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判據及定值[J]. 電力系統保護與控制, 2015,43(18):120-128.

[9] 張建軍，孫紅華，王鈺，等. 高壓并聯電容器組保護裝置及整定值問題探討[J]. 電力電容器與無功補償，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 <文獻標志碼：a class="emphasis_bold"> 文獻標志碼：A 文章編號：1003-6954(2016)06-0051-03文獻標志碼：a

1003-6954(2016)06-0051-03

A 文章編號：1003-6954(2016)06-0051-03

2016-06-11)

劉 楠(1982)，碩士、工程師，主要從事電網電力調度、監控運行等工作；

王云昊(1986)，碩士、工程師，主要從事電網調度運行等工作；

吳 杰(1981)，碩士、工程師，主要從事電網調度運行等工作。