可控串補(TCSC)本體保護原理配置及實現(xiàn)研究

1、可控串補（TCSC）本體保護原理、配置及實現(xiàn)研究胡玉峰，尹項根，陳德樹，張哲 （華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074）    摘  要：以可控串補本體保護為研究對象，在介紹其基本故障類型與故障形式的基礎(chǔ)上，分析了其保護的基本配置與構(gòu)成，詳細說明了各保護模塊的基本原理與實現(xiàn)方法，同時闡述了各保護的功能及其作用，以期對該領(lǐng)域的研究提供一個較全面的參考。    關(guān)鍵詞：不平衡保護；過載保護；高溫保護；能量保護；電容器放電保護；平臺閃絡(luò)保護；三相不一致保護 1引言可控串補的實際運用，為繼電保護領(lǐng)域提供了一個新的研究方

2、向：如何配置與提供完整而有效的繼電保護系統(tǒng)，以保證可控串補的安全可靠運行。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)設(shè)備相比較，可控串補設(shè)備的組件類型較多，不僅涉及傳統(tǒng)的電力元器件，還包括新型的電力電子設(shè)備，同時各組件在保護原理與實現(xiàn)技術(shù)上也與傳統(tǒng)繼電保護有一定差別?？梢哉f，整個的可控串補保護是隨電力系統(tǒng)發(fā)展而產(chǎn)生的一個新型元件保護分支。本文以此為對象，對可控串補保護進行系統(tǒng)研究。探討其基本配置、相關(guān)原理以及實現(xiàn)方法的具體問題。 2TCSC本體故障的基本類型    任何一個繼電保護系統(tǒng)的構(gòu)成，都是在充分分析被保護對象可能出現(xiàn)的各種故障與異常工況的基礎(chǔ)上，從保證可靠性、靈敏性、選擇性幾個方面的

3、要求出發(fā)而構(gòu)成。因而，在配置TCSC本體保護系統(tǒng)之前，有必要對可控串補系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障作出分析。圖1是TCSC本體的單相結(jié)構(gòu)圖，其保護及控制所用的傳感器在圖中也表示了出來（電容電壓VC是通過與電容器并聯(lián)的大電阻R來測量的）。從圖中可以看到，TCSC本體電路主要包括串補電容器組、可控硅電感支路（TCR）、氧化鋅避雷器MOA與旁路斷路器BPS。在這些組件中，串補電容器組與TCR支路是TCSC本體的核心部件，為系統(tǒng)提供可調(diào)節(jié)的補償度。氧化鋅MOA、TCR支路以及旁路斷路器BPS作為TCSC的保護環(huán)節(jié)，主要為電容器提供過電壓保護和為氧化鋅提供能量與溫度保護。從TCSC的本體電路以及考慮實際運行工

4、況的角度來看，其可能出現(xiàn)的故障與異常情況主要包括以下幾部分：TCSC本體元件故障。主要有：串補電容器組內(nèi)部電容器被擊穿、氧化鋅MOA被破壞、可控硅元件被破壞、絕緣平臺絕緣度下降、旁路斷路器BPS故障以及隔離開關(guān)故障等。TCSC異常運行情況。主要指由外部系統(tǒng)故障以及異常運行導(dǎo)致的非正常運行。包括：電容器組過載（過電壓或過電流）、MOA能量越限或溫度越限、MOA過負荷等。從以上的基本故障類型來看，TCSC本體故障涉及的范圍較廣、元件的類型較多，因而決定了其繼電保護系統(tǒng)的多樣性與復(fù)雜性。 3TCSC本體繼電保護系統(tǒng)的基本配置及其原理1，2針對上述TCSC的基本故障類型與異常運行工況，其繼電保護系統(tǒng)一

5、般采用以下配置：電容器組保護，主要包括：電容器不平衡保護（差動保護）、電容器過載保護及其自動重投功能、電容器放電功能。MOA保護，主要包括：MOA能量保護、MOA溫度保護、MOA能量梯度保護、MOA過流保護以及相應(yīng)的電容器自動重投功能。晶閘管元件保護，主要包括電力電子元件保護以及觸發(fā)回路監(jiān)視功能。其它設(shè)備保護與監(jiān)測，主要有：平臺閃絡(luò)保護、斷路器失靈保護、三相位置不一致保護以及電容器放電等功能。31電容器保護TCSC系統(tǒng)的電容器保護主要為電容器不平衡保護與電容器過載保護。前者主要針對電容器單元內(nèi)部故障而設(shè)置，后者則主要是在電力系統(tǒng)發(fā)生過負荷運行等異常情況下為TCSC提供保護。下面簡要介紹一下兩種

6、保護的原理。311電容器不平衡保護TCSC串聯(lián)電容器組的連接，一般采用H型的橋式連接方式（如圖1所示），各橋臂由若干電容器組單元構(gòu)成，其單元電容器組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常如圖2所示。當(dāng)單元電容器組內(nèi)部電容器元件因過電壓而擊穿或熔絲熔斷時，該電容器元件即退出運行，從而使得電容器組單元等值電容減小。這種減小，將造成流過該單元的電流增加，電壓升高，對非故障電容器元件造成不利影響，甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)。為此，必須設(shè)置相應(yīng)的保護措施，避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。    常用的保護方法是電容器不平衡保護，它是通過測量電容器組橋臂中點連接支路的電流（不平衡電流）的大小，來判斷與衡量單元電容器組內(nèi)部

7、電容器元件的運行情況。當(dāng)單元電容器組內(nèi)部完好無缺時，在不考慮電容器元件參數(shù)差異、測量系統(tǒng)誤差時，其中心連接支路上的不平衡電流的理論值應(yīng)該為0。當(dāng)內(nèi)部有電容器元件退出運行時，橋臂平衡被破壞，不平衡電流隨之出現(xiàn)，且這種不平衡電流將隨內(nèi)部電容器元件損壞的個數(shù)，即不平衡度的增加而加大，表1是一組典型的工程數(shù)據(jù)。實際運用中，考慮到電容器元件參數(shù)的差異、測量系統(tǒng)的誤差，在正常情況下，中心點連接支路也存在一定的不平衡電流。且這種電流將隨外部線路電流的增大而呈現(xiàn)出非線性增大的規(guī)律。因而，為構(gòu)成靈敏的差動（不平衡）保護，一般采用比率差動構(gòu)成串補的不平衡電流保護。即計算不平衡電流與線路電流的比值，以此作為衡量保護

8、的動作量。通常，將該保護設(shè)定為三段，依次為報警段、低值旁路段與高值旁路段。各段的電流定值依次遞增而延時定值依次遞減。其中高值旁路可定義為與外部線路電流大小無關(guān)，各關(guān)系曲線見圖3所示。 從圖3中可以看出，對于不平衡保護的報警與低值旁路段，采用了比率判別，對于高值旁路，則直接采用不平衡電流作動作量。這種模式既保證了輕微故障時較高的靈敏度，又可保證在嚴(yán)重故障條件下計算的簡易性與動作的速動性，同時還可避免因為外部故障電流過大而降低不平衡電流與線路電流的比值，造成不利影響。另一方面，由于報警段與低值旁路段采用比值作為動作量，在實現(xiàn)時需要考慮靠近零值時的不確定因素。尤其在微機保護中，需要避免出現(xiàn)“00”的

9、現(xiàn)象而造成保護誤動。為此，一般需要增設(shè)一個線路電流閥值，只有當(dāng)線路電流超過該閥值時才投入保護功能。312電容器過載保護系統(tǒng)運行過程中，由于負荷波動、故障的產(chǎn)生、雙回線中一回線路的退出等原因，可能導(dǎo)致串補電容器出現(xiàn)過負荷（過流）現(xiàn)象。電容器在過負荷情況下運行，容易造成絕緣老化、介質(zhì)角損失等現(xiàn)象。不利于電容器的安全運行，需要增設(shè)相應(yīng)的保護措施加以避免。電力電容器的過負荷運行能力，IEC與IEEE都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。以下是IEC60143給出的數(shù)據(jù)：連續(xù)工作10 pu；8 h過負荷能力11 pu；30 min過負荷能力135 pu；10 min過負荷能力15 pu。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)，對于電容器過載現(xiàn)

10、象，常采用反時限過流保護。當(dāng)電容器電流超過11pu時，反時限的過負荷保護開始計算，其計算可采用以下積分公式：其中，neq為t時刻等值過載倍數(shù)，nOL（t）為t時刻的實際過載倍數(shù)，其計算公式為IC（t）為t時刻電容器電流，ICN為電容器額定電流。通過公式（1）計算出來的等值過載倍數(shù)，不僅考慮了當(dāng)前的實際過載倍數(shù)，還考慮了前面的累積效應(yīng)，由此通過查表或插值法得到反時限的時間值，能夠比較客觀地反映出電容器在波動負荷條件下的耐受能力。因此，只需要通過設(shè)置相應(yīng)的計時器，當(dāng)累計時間超過上述查表或插值得到的時間值，保護則動作，使電容器退出運行。若在保護動作前，電容器電流恢復(fù)到105 pu以下或旁路斷路器由于

11、其它保護模塊動作而使電容器退出，則將以上的等值過載倍數(shù)neq清零。32氧化鋅避雷器（MOA）保護氧化鋅避雷器元件是TCSC過電壓保護的重要元件，當(dāng)TCSC所在系統(tǒng)發(fā)生故障時，數(shù)倍于負載電流的短路電流將流過串聯(lián)在線路中的電容器，為避免這種情況下電容器的過電壓損壞，通常的串補工程中，都依靠氧化鋅避雷器來實現(xiàn)高速的限壓保護，利用其非線性電壓電流特性將電容器兩端電壓限制在保護范圍之內(nèi)。系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于MOA的非線性電阻特性，使得故障期間的短路電流主要從MOA上流過，此時，MOA需要吸收巨大的短路容量，造成自身的溫度升高。MOA所能承受的短路能量注入與溫度是有一定限度的，當(dāng)超過該限度時，可能導(dǎo)致MO

12、A的爆炸，必須采取措施加以保護。321MOA高溫保護MOA高溫保護是通過計算MOA中的電流，包括泄漏電流，并利用MOA的熱模型來連續(xù)計算避雷器的溫度，當(dāng)溫度超過定值時，則旁路TCSC裝置。熱模型是MOA高溫保護的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它主要用于通過測量MOA的電流（功率）來計算避雷器的絕對溫度。其具體數(shù)學(xué)模型中包括了3組與裝置內(nèi)部的熱電阻和熱能量有關(guān)的參數(shù)：氧化鋅避雷器模塊、機架、傳導(dǎo)及輻射媒介。氧化鋅避雷器一般為多柱并聯(lián)而成，每柱上又包括若干串聯(lián)的閥片。因此，需要通過流入MOA的總電流來計算每個閥片上的電流。此時，上述的氧化鋅避雷器模塊數(shù)是計算所需的參數(shù)。機架的結(jié)構(gòu)與材料是決定MOV本體熱電阻參數(shù)的重要

13、因素，其主要影響熱模型中MOV柱、MOV柱與瓷套內(nèi)壁間以及緊固件、連接件的熱阻參數(shù)。傳導(dǎo)與輻射媒介主要用于考慮熱損失，熱模型一般將其用一個可變的介質(zhì)熱電阻代替。當(dāng)機架與周圍空氣（或其它傳導(dǎo)與輻射介質(zhì)）的溫差增大時，則介質(zhì)熱電阻降低，熱損失過程加快。綜合考慮以上因素，可給出串補用MOA的等效熱電路，即熱模型，并根據(jù)MOA所輸入的電流來計算出對應(yīng)的溫度值，實現(xiàn)MOA的高溫保護。322MOA短時能量保護MOA短時能量保護主要是針對系統(tǒng)故障時短時的能量注入而設(shè)定的，氧化鋅避雷器在能量升高很快時，會生成溫度很高的熱點，即局部高溫點。此時，利用溫度保護較難反應(yīng)這種幅值較大、時間較短的能量注入過程。為此，需

14、設(shè)置MOA短時能量保護來消除這種異常情況的影響。    MOA短時能量的計算，可采用瞬時功率的積分得到，其公式如下： 其中Emov為MOV的注入能量，imov（t），u mov（t）分別為MOA的瞬時電流、電壓值，t1為故障啟始時刻。當(dāng)積分所得的累計能量值超過保護設(shè)定的定值，則由保護發(fā)出Bypass命令。使MOA上累計的短路容量得到釋放，同時，在相關(guān)線路保護動作之前旁路短路電流，抑制MOA上短路容量的進一步增加。323MOA過電流保護前面所述的MOA高溫保護與短時能量保護，考慮的都是一種累計效應(yīng)，無法區(qū)分故障的性質(zhì)，如TCSC所在線路故障（定義為區(qū)內(nèi)故障）還是相鄰

15、線路故障（定義為區(qū)外故障）。這就造成MOA的上述保護的動作必須在累計效果達到預(yù)定值時才能動作。若系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，由于TCSC所在的線路必定要被相關(guān)線路保護切除，所以可以無需等到累計效果達到預(yù)定值才旁路TCSC，而可以直接在判定為區(qū)內(nèi)故障時就發(fā)旁路命令。這種做法可以大大減輕MOA的負擔(dān)，延長其使用壽命。MOA過電流就是為實現(xiàn)這種目的而設(shè)置的保護功能。它的整定值一般大于區(qū)外故障時流過MOA的最大短路電流。當(dāng)故障發(fā)生時流過MOA的電流超過此定值，則必定為區(qū)內(nèi)故障，此時可直接發(fā)旁路命令。33晶閘管元件保護4晶閘管元件是TCSC整體系統(tǒng)的核心部件，它的保護功能也是TCSC本體保護與傳統(tǒng)繼電保護最大的區(qū)

16、別所在。實驗與研究表明，晶閘管元件的損壞主要由以下三個因素造成：（1）過電壓，（2）dv/dt，（3）di/dt。因而，對晶閘管元件的保護，主要是針對上述三方面通過晶閘管的外圍輔助電路與相應(yīng)的閥電子系統(tǒng)和控制策略來完成。從可靠性與經(jīng)濟性的角度考慮，TCSC工業(yè)設(shè)備中的反并聯(lián)晶閘管多數(shù)采用多個晶閘管串聯(lián)再并聯(lián)的方式，依據(jù)需要承受的電壓等級與選用的晶閘管元件標(biāo)稱值并考慮一定的冗余來確定串聯(lián)元件的個數(shù)。這種模式，使得單個元件所能承受的電壓遠小于TCSC設(shè)備的額定電壓，當(dāng)串聯(lián)的晶閘管元件的導(dǎo)通不能做到完全同步，或某些晶閘管元件的觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)生故障時，就造成晶閘管元件過電壓。在這種情況下，未導(dǎo)通的元件將承

17、受遠超過自身額定值的電壓，使晶閘管元件被損壞。常用的晶閘管元件過電壓保護是采用BOD（BreakOver Diode）方案，即后備觸發(fā)方案。其基本電路如圖4所示：從電路圖上可以看出，當(dāng)閥電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障或觸發(fā)不同時，未導(dǎo)通的晶閘管元件將出現(xiàn)過電壓。采用BOD方案，則可在晶閘管兩端電壓升高到一定的預(yù)定值時（該預(yù)定值可保證晶閘管元件的安全），由BOD導(dǎo)通補發(fā)一觸發(fā)信號，使元件導(dǎo)通，避免過電壓的出現(xiàn)。BOD的動作次數(shù)與動作情況，由相應(yīng)的檢測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)回送光纖送到地面的監(jiān)控單元，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)串聯(lián)晶閘管元件BOD持續(xù)動作的次數(shù)超過預(yù)定值，則說明該元件出現(xiàn)故障（故障可由元件本身或其觸發(fā)系統(tǒng)引起），若故

18、障元件的個數(shù)超過一定，則需要旁路TCSC。圖4中所示的RG、RD與CD也具備一定的過電壓保護能力，其中RG為靜態(tài)均壓大電阻，由其保證穩(wěn)態(tài)時分配到每個元件上的電壓平均，避免出現(xiàn)電壓分布不平衡帶來的過電壓；RD與CD一方面起阻容吸收作用，一方面作為動態(tài)均壓元件，使得晶閘管元件關(guān)斷時不出現(xiàn)過電壓和大的d V/dt。TCSC裝置的di/dt保護主要通過TCR支路中的串聯(lián)電感來完成，即圖中所示的L元件。由于電感對電流突變有抑制作用，可保證通過晶閘管的電流不會出現(xiàn)大的突變，確保其安全。34其它保護功能除上述保護功能外，TCSC本體保護一般還包括以下功能模塊：三相不一致保護：實時監(jiān)視三個TCSC平臺的旁路斷

19、路器位置與相應(yīng)的隔離刀閘、接地刀閘位置，當(dāng)出現(xiàn)三相位置不一致時開始計時，時間到達預(yù)定值則發(fā)三相旁路命令（斷路器位置不一致）或報警信號（刀閘位置不一致）。TCSC本體保護的許多功能模塊，都允許單相旁路串補系統(tǒng)，并依靠自動重投功能來確保故障消除后TCSC的對稱運行。這種模式對于保證系統(tǒng)穩(wěn)定，減少TCSC保護動作對系統(tǒng)的沖擊很有好處。但當(dāng)TCSC本體元件發(fā)生故障或外部故障與異常工況持續(xù)時間較長時，自動重投功能可能失效或無法滿足重投條件，系統(tǒng)將長期處于不對稱運行，此時必須依靠三相不一致保護將三相TCSC全部旁路，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。三相不一致保護的動作，需要與相關(guān)線路保護密切配合，一條基本的原則是

20、其時間必須小于線路保護零序電流動作時間。否則將導(dǎo)致線路保護的誤動（具體情況還需要考慮串補度的大小及其可能引起的零序電流大小）。斷路器失靈保護：旁路斷路器在接到合閘命令后，預(yù)定時間到達時，若沒有動作，則發(fā)合閘失靈保護信號，遠跳兩邊的線路斷路器。旁路斷路器在接到分閘命令后，預(yù)定時間到達時，若沒有動作，則發(fā)分閘失靈保護動信號，將三相TCSC全部旁路，避免引起系統(tǒng)的不對稱運行。平臺閃絡(luò)保護：TCSC的本體設(shè)備一般都按相安裝在絕緣平臺上，平臺由絕緣子支撐，與大地絕緣。各TCSC本體設(shè)備通過一個公共端與平臺相連（具體見圖1），并在連接支路上配置電流互感器。當(dāng)絕緣平臺的絕緣度下降，則絕緣子的泄漏電流增大，這

21、種電流變化可以從平臺與TCSC本體設(shè)備的連接支路上反應(yīng)出來，通過監(jiān)視該支路的電流大小來判斷平臺的絕緣好壞。電容器放電功能：系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，由于存在高阻接地、遠端故障等可能性，因而無法保證在區(qū)內(nèi)故障時TCSC的本體保護一定能夠使TCSC轉(zhuǎn)入Bypass模式。若在線路斷路器跳開之前，串補電容一直未被旁路，則線路斷路器斷開之后，串補電容器中將有較大的直流殘壓。該直流電壓可能造成以下影響：（1）故障點第二次熄弧延遲；（2）線路斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）升高3；（3）重合閘時間增長。研究表明，通過放電間隙對電容器進行放電操作可以解決上述問題。為此，在TCSC本體保護功能中，配置了電容器放電功能。當(dāng)線路保護發(fā)跳閘命令時，同時也發(fā)遠跳信號啟動TCSC旁路。TCSC本體保護在接收到遠跳信號后，將根據(jù)線路斷路器的操作旁路單相或三相。并在