（电力系统及其自动化专业论文）500kv串补保护测试方法的设计与实现.pdf

a b s t r a c t ：a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n so fs e r i e sc a p a c i t o rp r o t e c t i o n ，d e s i g nf e a s i b l e t e s t i n gp r o g r a m st ov a l i d a t et h ed e p e n d a b i l i t yo fs e r i e sc a p a c i t o rp r o t e c t i o n a c c o r d i n g t op a r t i c u l a r i t yo ft h em o v p r o t e c t i o n ，d e s i g nat e s t i n gm e t h o d ：t ol e s ss a m p l i n gp o i n t s a n dq u i c k e ra c t i o nh i g h c u r r e n tp r o t e c t i o n ，f o r m u l a t eas c h e m et oo p t i m i z es i m u l a t i n g w a v ea n dc h a n g et h es t y l eo fo u t p u t ，i m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fm o vh i g h - c u r r e n t p r o t e c t i o nt e s t i n gt os a t i s f yt h er e q u e s to ft e s t ；t or e f l e c t i n gt oe n e r g ya c c u m u l a t i n g m o vt e m p e r a t u r e p r o t e c t i o n ，f o r m u l a t e a n a l g o r i t h m t or e f l e c t e n e r g y o f m o v c o m b i n ev - ac h a r a c t e r i s t i cc u r v ew i t hm o va c t i o nc o n d i t i o na n du s es i m u l a t i n g c u r r e n ti n s t e a do ft e m p e r a t u r et oe v a l u a t et h em o va c t sc o r r e c t l yo rn o t , f o rs a t i s f y i n g t h er e q u e s to fp r o t e c t i o n sa c t i o ni ns e tt i m e t h e nc a l c u l a t et h e o r e t i c a lt e m p e r a t u r e a u t o m a t i c a l l yf o re v a l u a t i o na s e v i d e n c e i no r d e rt oc o n v e n i e n c ec u s t o m e r s ，c o m p i l e a u t o - t e s ts o f t w a r et of o r mi n t e r g r a t e dt e s tm e a n sc o r r e s p o n d i n gt of u n c t i o n so fs e r i e s c a p a c i t o rp r o t e c t i o n a n dc o m p l e t et h et e s t i n go fs e r i e sc a p a c i t o rp r o t e c t i o n ，f i l l i n gu p t h ei n t e r n a lb l a n ki ns e r i e sc a p a c i t o rp r o t e c t i o nt e s ta r e a i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fs e r i e s c a p a c i t o ru n d e rm n n i n g k e y w o r d s ：s e r i e s c a p a c i t o rp r o t e c t i o n ；r e l a yt e s t ； m o vp r o t e c t i o n ； t e m p e r a t u r es i m u l a t i o n c l a s s n o ：【请输入分类号，以分号分隔。】 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：之l 昌再 签字日期：如牌彳月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：留，l 昌寻 签字日期：2 , o o f 年占月口日 导师签名： 髫柏 签字日期：锄口矿年b 月fd 日 致谢 本论文是在黄梅教授和向前总工程师的悉心指导和热情关怀下完成的，两位 老师渊博的知识敏捷的思维严谨的治学态度和忘我的工作作风给我留下了深刻的 印象，是我学习的榜样，并将使我终生受益谨，在此致以衷心的感谢! 在整个实习期间，北京博电新力电力系统仪器有限公司研发部和技术部的领 导和同事们给予了我很大的帮助与支持，使我学到很多知识积累了宝贵的经验并 在实际工作中得到锻炼在此向赵景峰、王志勇等热心的同事深表谢意。 学校的郝志强老师以及同学们在生活和学习上给予我非常大的支持与关心使 我能安心的在博电公司做完整个课题在此一并致以深深的谢意。 n 引言 引言 目前，5 0 0 k v 交流输电系统是我国实现大容量远距离电力传输的主要手段之 一采用输电线路串联电容补偿技术，可以有效缩短输电线首末端间的电气距离， 与增设输电线路相比，其经济效益非常显著，因此输电线路串联电容补偿技术成 为提高5 0 0 k v 交流输电线输电能力的有效手段。我国串补技术应用经验和运行实 践表明，目前已投运的串补保护可靠性相对较低，影响了串补设备装置的安全运 行，形成这种情况的原因与多种因素有关，其中，缺少有效的继电保护检验手段 是重要原因之一。设计可靠的串补保护检验方法、开发专用试验仪器势在必行。 1 绪论 1 1 串补技术 1 绪论 串补技术即采用串联电容器来补偿线路的电抗，可以有效缩短输电线首末端 间的电气距离，是提高高电压等级交流输电线输电能力的有效手段。目前，5 0 0 k v 交流输电系统是我国实现大容量远距离电力传输的主要手段之一，也是串补技术 应用的主要场所。 与增架新线路比较，输电线加装串联电容补偿装置投入资金较少，不需要占 用土地资源，因此采用串补技术提高输电能力的方案受到电力部门重视，并且已 于最近几年开始在5 0 0 k v 工程中获得使用。 1 1 1串补技术的背景与原理 ( 1 ) 串补技术发展的背景1 1 j 现代电力系统经过一百余年的发展，输电电压等级不断提高，系统规模不断 扩大。从1 9 2 3 年第一条2 3 0 k v 输电线路在美国建成，到7 0 年代末，前苏联建成 全国统一电网，标志着交流输电的关键技术已经基本上得到了解决。这是随着生 产力的发展，人们对电力能源需求不断提高的必然结果。电力系统容量及规模的 扩大，可以提高设备的利用率，充分合理地利用水、火等动力资源以及提高供电 质量和可靠性。但问题也是明显的：电力系统结构越来越复杂，调控手段严重不 足；运行稳定性问题突出，由于环境保护的制约、大规模的电网互联、竞争的电 力市场等原因，电力系统的运行条件越来越接近各种安全稳定极限，稳定性的破 坏可能危及整个电力系统，造成严重后果；对系统设备的绝缘水平、容量及动热 稳定方面的要求不断提高。 在我国，随着三峡工程、西南水电基地和西北煤电基地的开发建设，大容量、 远距离输电及全国联网己势在必行。目前，我国5 0 0 k v 电网正在形成并将逐步成 为我国电网的主网架。我国5 0 0 k v 电网是随着我国长距离、大容量输电而出现和 逐步形成的。输电距离长、供电范围大是我国5 0 0 k v 电网发展过程中的主要特点， 这使得我国5 0 0 k v 主干输电线的输送能力主要取决于线路的稳定极限。为了适应 我国电网的互联和规模的扩大，电力行业面临的首要任务是提高电力系统稳态、 暂态稳定水平，提高5 0 0 k v 线路的电力输送能力和输电可靠性。 根据目前我国电网的远期规划，要使我国5 0 0 k v 线路的输电能力整体上达到 北京交通大学硕士学位论文 国外先进水平，必须加大先进技术的应用，尤其是一些实用化的技术。通过调查 国内外典型电网或输电工程的5 0 0 k v 线路输送能力以及采取的技术措施，发现国 外一些典型输电工程中大多采用了提高输送能力的技术和措施，如串补及可控串 补技术。串联补偿技术是一项比较成熟的技术，在电力系统已有7 0 多年的应用历 史，世界上现已安装的串联补偿装置总容量已超过9 0 g v a r 。9 0 年代以来，随着电 力电子技术的发展，在常规串补技术的基础上又发展了可控串补技术，它是柔性 交流输电技术( f a c t s ) 的组成部分之一。对于长距离输电线路，其输电能力主要取 决于线路的稳定极限，采用串补、可控串补技术可使系统稳定极限大幅度提高从 而提高线路的输电能力。如瑞典、美国、加拿大和巴西等国家均采用了串联补偿 技术来提高线路的输电能力、降低工程投资。 ( 2 ) 串补技术的原理 随着能源成本的上升，输电距离的增加和容量的增大，人们需要进一步提高 输电系统的经济性、稳定性和可靠性。特别是在送端和受端系统都比较强的电力 系统中，为了补偿输电线路的电抗，提高输电线路的极限输送功率，始于本世纪 2 0 年代的串联电容补偿技术已被证明是一种有效的措施。在忽略线路损耗的条件 下，线路输送的有功功率由式( i - i ) 确定： ，r士r r p = 二盟* s i n 6 式( 1 - 1 ) 工 式中：u 。是送端母线电压，u 膏是受端母线电压，6 是送、受两端母线电压之 间的相位差，x ，是线路感抗。输电线路的感抗与线路长度成正比，线路越长感抗 越大。在输送功率以及两端母线电压不变的条件下，感抗x ，越大，极限功率越小， 稳定裕度就越小：相反，感抗x ，越小，极限功率越大，稳定裕度就越大。在输电 线路上串联接入电容器，线路的感抗x ，就会被串联电容器的容抗z c 抵消掉一部 分，使线路的等值感抗变成了x ，彳，? ，等价地缩短了输电线路的长度，从而获得了 较高的稳定裕度，为大功率传输创造了有利条件，提高了电力系统的稳定性和可 靠性【6 1 。 1 1 2串补技术的发展与应用 串补技术作为较成熟的提高线路输电能力的措施已经在国外许多超高压系统 中得到了广泛应用。前苏联第一条4 0 0 k v 线路，北美西部5 0 0 k v 电网、瑞典4 0 0 k v 电 网等都采用了串联补偿技术。据统计，至i j l 9 9 4 年，仅美m c e 公司就向世界各地的 1 2 座7 3 5 k v 变电站、4 7 座5 0 0 k v 变电站、4 , 窿4 0 0 k v 变电站以及6 座3 4 5 k v 变电站提供 了固定串补装置( f i x e ds e r i e sc a p a c i t o r ，简称f s c ) 。在所有具备可控卒1 ( t h y r i s t o r 2 1 绪论 c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r ，即用晶闸管控制的串联电容装置，简称为t c s c ) 的工 程中，都是有固定串补和可控串补两部分组成i s ! 。 目前世界上投入实际运行的t c s c 正在增加，最早的工程是美国亚利桑那州东 北部的k a y e n t a 变电站中安装的t c s c 装置，接着美国西北部5 0 0 k v 系统s l a t t 变电站 中也安装了t c s c 装置。到1 9 9 7 年，美国已有三套2 3 0 k v 一5 0 0 k v 的t c s c 装置投入运行， 用以控制电网潮流、提高线路输电能力和抑制阻尼振荡。瑞典、巴西、日本等国 家也对t c s c 进行了很多研究，并有实际工程应用。 根据我国一次能源分布格局和超高压输电系统的发展趋势，串补技术将会在 我国电力系统中得到更加广泛的应用。我国在1 9 6 6 年曾经在新一杭( 新安江至杭州、 上海) 线建成了国内第一套2 2 0 k v 的串补装置，1 9 7 2 年在刘天关线( 刘家峡至天水、 关中) 建成了两套3 3 0 k v 的串补装置。但是由于当时的设备制造水平所限，串补装 置故障频繁，电容器油( 剧毒) 经常渗漏，可靠性和可利用率均很低，基本上无法 正常运行，再加上系统条件变化，致使这些装置停运多年，大部分已被拆除。 2 0 0 0 年在新建成的山西阳城至江苏淮阴7 5 5 公里长的5 0 0 k v 交流输电线路上也 采用了常规串联补偿，该5 0 0 k v 线路的s c 装置设在三堡开关站，其主要目的是提高 输电能力，节省一回线路。另外，在华北的大同至房山5 0 0 k v 交流输电线路上装设 了国内第二套5 0 0 k v 的s c 装置，该装置已在2 0 0 1 年6 月份投入运行，其目的是提高 线路的输电能力i z j 。 在国家电网公司和国家自然科学基金委员会的支持下，从1 9 9 6 年开始，中国 电力科学研究院与清华大学等单位合作进行了可控串补的关键技术和工程应用的 研究，现已基本掌握了关键技术，国产串补设备的研制攻关己由国家电网公司立 项，并正在落实工程应用实施。目前，我国电力部门正进行三( 峡) 万( 县) 5 0 0 k v 交流输电线路上装设国产t c s c 的准备工作。表卜l 为国内典型串补保护应用情况。 3 北京交通大学硕士学位论文 表卜1 国内典型串补保护应用情况 t a b 1 1 a p p l i c a t i o n so fi n t e r n a lt y p i c a ls e r i e sc a p a c i t o rp r o t e c t i o n s 2 2 0 k v 成碧5 0 0 k v 平果5 0 0 k v 丰万顺 研发机构中国电科院西门子诺基亚 类型可控串补可控串补固定串补 串联补偿站的保 护设备，各部分 可控串补装置的保配置2 套完全相 护，采用完全独立可控串补分为两段，i 段为 同的设备，冗余 的双套保护配置，固定串补( f s c ) ，i i 段为可设置，即a 套保护 特点 这样可以保证保护控串补( t c s c )系统( n d p + ) 和b 动作的可靠性套保护系统 ( n d p + ) 。所有的 保护功能由n d p + 完成。 我国自主研发、设 在丰万顺5 0 0 k v 计、施工的第一个 输电线路上加装 可控串补工程，使国内第一个、世界第四个建 串联补偿装置， 评价我国成为继美国、成投运5 0 0 k v 可控串补工 可大大提高丰万 德国、瑞典之后第程 顺双回5 0 0 k v 输 四个可以制造可控 电线路的输电能 力及稳定极限 串补装置的国家 1 1 3串补装置的分类及特点 ( 1 )固定串联补偿 固定串联补偿技术改变了系统之间原有的电气距离，提高超高压远距离输电 线路的输电能力和系统稳定性，主回路示意图如图1 - 1 所示【8 1 。 4 1 绪论 m o v 为 限压器， 路器，d 为 图1 1f s c 主电路不慈图 f i g 1 一l t h es k e t c hm a po ff s c sm a i nc k c u i t 1 lm o v 是串联补偿电容器的主保护。串补所在线路上出现较大故障电流时，串 联补偿电容器上将出现较高的过电压，m o v 可利用其自身电压一电流的强非线 性特性将电容器电压限制在设计值以下，从而确保电容器的安全运行。 2 ) 放电间隙是m o v 和串联补偿电容器的后备保护，当m o v 分担的电流超过其 启动电流整定值或m o v 吸收的能量超过其启动能耗时，控制系统会触发间隙， 旁路掉m o v 及串联补偿电容器。 3 ) 旁路断路器是配合m o v 保护和放电间隙对串补电容器进行保护，同时也是系 统检修和调度的必要装置，串补站控制系统在触发火花间隙的同时命令旁路断 路器合闸，为间隙灭弧及去游离提供必要条件。 4 1 阻尼电抗器可限制电容器放电电流，防止串联补偿电容器、间隙、旁路断路器 在放电过程中被损坏。 ( 2 ) 可控串联补偿 可控串联补偿技术是柔性交流输电技术中的重要成员之，是对常规串联补 偿技术的最新发展。t c s c 的主回路示意图如图卜2 所示1 8 j 。 5 北京交通大学硕士学位论文 图1 - 2t c s c 主电路不意图 f i g 1 2 t h es k e t c hm a po ft c s c 8m a i nc i r c u i t t c s c 的主要设备有： 1 ) 串联补偿电容器组，同f s c 。 2 ) 晶闸管阀，每相晶闸管阀由多组反向并联的晶闸管对串联组成，每组反向并联 晶闸管对与电阻电容阻尼回路并联，通过控制晶闸管的导通角调节对线路的无 功补偿。 3 ) m o v 限压器，同f s c 。 4 ) 旁路断路器，同f s c 。 可见，与f s c 相比，由于增加了晶闸管控制回路，t c s c 可以灵活地、连续地调 节串补补偿度，所以可根据电力系统运行的要求进行控制，能抑制由于过大的补 偿度而引起的低频振荡，增大电力系统的阻尼【9 1 。在远距离输电线路中装设可控串 补装置不仅可以灵活快速地改变所需容抗值，甚至还可以控制整个补偿装置电抗 的性质，以满足不同运行条件( 稳态或故障等) 的需要，从而提高输电线路的输电 能力和改善系统稳定性。 t c s c 与常规串联补偿( s c ) 相比，不仅具有s c 所有的功能，而且还有下列特殊 功能： 1 ) 潮流控制。由于t c s c 可以连续改变等效串联电容的容抗值，即可以连续改变线 路的电抗，因此这种装置可以用来进行潮流控制，改善电网中的潮流分布。 2 ) 提高电力系统暂态稳定性。由于晶闸管的快速控制作用，在系统受到大的冲击 时，可通过调整晶闸管的触发角，改变串补装置的补偿度，提高电力系统的暂 态稳定性，增加输电线路的送电能力。 3 ) 阻尼线路功率的振荡。t c s c 可以阻尼由于系统阻尼不足或由于系统大扰动引起 6 1 绪论 的低频功率振荡【l o l 。 1 2 串补保护 输电线路串联电容补偿装置( 设备) 由串联补偿电容器组和为保护串补电容 而设置的金属氧化物非线性电阻( m o v ) 、放电间隙( g a p ) 、旁路断路器( b b r ) 、 串补安装平台、隔离开关、接地开关、阻尼回路等设备组成【1 4 1 。为了保证串补设 备安全运行，必须装设串补保护装置，串补保护装置与串补设备连接示意图见图 1 - 3 。 串补设备串补保护装置 i i 光纤 ii ii 安装平台 图1 - 3 串补设备与串补保护装置连接示意图 f i g 1 - 3 t h es k e t c hm a po fc o n n e c t i o no fs e r i e sc a p a c i t o rp r o t e c t i o n sw i t ha p p l i a n c e s 串补设备的故障信息由安装在串补平台上的电流互感器( c r ) 进行测量，c 1 测量信号通过光纤送到安装在地面的串补保护装置，串补保护装置完成故障检测 并发出动作命令。串补保护功能如表卜2 所示。 表1 - 2串补保护功能及分类 t a b 1 2 a s s o r ta n df u n c t i o no fs e r i e sc a p a c i t o rp r o t e c t i o n s 高电流保护 温升梯度高定值保护 m o v 保护 温升梯度低定值保护 m o v 高温度保护 g a p 自触发保护 g a p 保护g a p 延时触发保护 g a p 拒绝触发保护 不平衡电流告警 不平衡电流低定值保护 串补电容器保护 不平衡电流高定值保护 电容器过负荷保护 平台故障保护平台闪络保护 7 北京交通大学硕士学位论文 旁路断路器分闸失灵保护 旁路断路器保护旁路断路器合闸失灵保护 旁路断路器三相不一致保护 1 3 继电保护测试技术及测试仪器 继电保护的发展是随着电力系统和自动化技术的发展而发展的，至今已经历 了机电型、电磁型、整流型、晶体管型、集成电路型几个发展阶段。2 0 世纪9 0 年 代以来，随着计算机技术、网络技术、通信技术的飞速发展，微机保护装置正逐 步取代传统的继电保护装置，成为电力系统的主流保护。 伴随着继电保护的发展历程，继电保护测试装置( 也称实验装置) 及测试技 术也在不断发展进步。最早的继电保护测试手段是由调压器、升流器、移相器、 滑线电阻等传统的试验设备及电气仪表构成的“地摊式接线，2 0 世纪7 0 - - 8 0 年 代我国出现了各种模拟设备、仪表连接而成模拟式测试台，以测试各种继电保护 和自动装置。同时，还需要较精密的电压表、电流表、相位表、频率计和毫秒计 等仪器对试验中要读取的物理量进行测量才能完成整个测试过程。采用这种测试 手段，不仅设备搬运困难、占用现场面大，而且在测试中需要反复调节各种参量， 依靠人工读取、记录实验数据。这种方法不但测试手段落后、动能少、不能进行 复杂试验，还容易接错线，劳动强度大、测试时间长。近年来，随着我国电力工 业的迅速发展，新型继电保护装置特别是微机型继电保护得到广泛推广使用，对 测试装置及测试技术提出了更高的要求。涉及计算机自动测试等先进技术的继电 保护微机型测试装置己成为继电保护测试领域必不可少的专用设备1 7 l 。 现阶段主流测试仪的特点是：采用高性能的数字信号处理器d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 与后台计算机构成主从式计算机系统，并融合了测试、显示、记 录、报告生成、数字库管理、通讯、专家系统、远程操作及技术支持等多项功能 的综合性继电保护测试系统。其主要特点如下： 1 1 采用最新一代d s p 数字信号处理技术以及1 6 位的数模转换和3 2 位的数值计算 精度。采用先进的d s p 技术，使测试仪输出的数据点提高到6 0 0 点周，大大 提高和改善了测试仪的暂态响应速度和幅频特性，而且使测试装置具有十分强 大的实时闭环功能。利用d s p + f p g a 构成的数字信号处理系统，使测试仪在小 信号输出精度和输出波形方面有了极大的提高和改善【1 1 l 。 2 1 采用高性能三相电压、电流发生器，具极高的可靠性，输出波形光滑真实，没 有开关放大器容易产生的高次谐波，波形无毛刺。对目前广泛使用的高性能快 速保护( 有毛刺的波形会引起定值设置不准) 有很高的测试精度。具有真实准确 8 1 绪论 的小电流波形，无电磁污染，不会干扰测试现场的电气设备。 3 ) 具有多通道电压、电流示波器以及多相电流、电压表计和多通道电压、电流、 开关量录波器，无需再增加其它外围设备即可完成继电保护测试工作。作为闭 环监视的一部分，测试仪以较高的采样速率对模拟量输出通道和开关量输入通 道进行采样。采样值不断存储在测试仪的数据存储区中，为以后波形分析的需 要进行录波。同时，采样值经高速数据接口传回给计算机，并在计算机屏幕上 实时显示出来为用户提供波形监视、幅值实时显示及超差报警，有效监视测试 仪的实时输出。 钔可以实现电力系统的实时仿真，以考验保护设备在短路暂态过程中的工作性 能。暂态特性好。还可与保护装置通迅交换信息( 如定值、动作情况等) ；并 通过保护装置、自动重合闸、操作箱、模拟断路器实现完全闭环的继电保护装 置动态测试。 5 l内黄式多相电压、电流扩展，以满足如差动保护测试及备用电源自动投入等装 置测试需要多路电流或电压的需要。 6 ) 具有继电保护测试辅助专家系统及保护装置数据库，将保护对象、保护配置、 定值单、测试项目保存在数据库中。与保护测试项目对应的各类参数也分别以 一定的格式保存在数据库中，从而形成继电保护整体测试方案的测试模板，测 试时测试人员只要正确选择模板、定值单号、现场参数，即可由测试仪自动完 成测试工作，并能自动生成报告。 刀能通过网络实现远程操作及持术支持。 1 4 本课题的研究内容及主要任务 根据我国对电气设备检验的惯例，为保证投产设备处于正常工作状态，对新 投产的串补保护以及已经投入运行的串补保护，都需进行保护定值、保护功能及 保护逻辑等方面的检验。但由于目前国内尚没有能够适用于串补保护试验的设备， 导致无法在现场完成必需的检验工作，并因此使串补设备的长期安全运行缺少有 效的支撑。 基于串补技术巨大的技术、经济价值，有必要投入力量，研究串补保护的检 验方法问题，提高输电线串补设备运行可靠性。 1 4 1课题背景和意义 输电线路加装串补的目的是为了提高线路输送容量。线路输送容量的提高同 9 北京交通大学硕士学位论文 时意味着该线路串补退出运行将给电网安全带来巨大的影响以及由此带来的经济 损失。如果对串补保护缺少有效的试验手段，将在运行中存在较高的事故隐患。 根据课题前期调研了解的情况，国内和国外现在均无适用于串补保护性能试验的 现场检验方法及专用试验仪器和测试模版。对串补保护缺少有效试验手段可以造 成下面不良结果： 1 ) 在串补保护装置研发阶段不易及时发现设备原理或配合上的问题。 2 ) 在串补保护出厂检验阶段不易发现装置功能或逻辑上的错误。 3 ) 在现场调试阶段不能及时发现到货设备存在的制造缺陷或因接线错误造成的 隐患。 钔当出现串补保护误动作或保护装置出现故障时，不能迅速确定故障原因。 1 4 。2课题研究期间的任务 第一阶段：调研设计 针对串补保护的原理，配置，及特性深入分析研究，根据m o v 保护，g a p 保 护及其他保护的不同动作逻辑设计测试方案。 第二阶段：方案实现 根据串补保护特性对硬件提出优化要求，并以北京博电新力电力系统仪器有 限公司p o w e r t e s t 软件为平台，编写软件算法程序，创建自动测试模版，在实验 室进行调试，对测试方法进行论证。 第三阶段：现场调试 进行现场调试，根据浑源开关站5 0 0 k v 串补保护的实际情况对程序不当之处 进行修改，完成检测。 1 0 2 串补保护装置分类与描述 2 串补保护装置分类与描述 装有串联补偿装置的电力系统，当系统发生故障时，随着运行方式的变化、 故障点位置的移动，通过串补电容器的短路电流在很大范围内变化。由于短路电 流通过电容器，导致电容器端电压升高，为此需设置附加的设备以保护串补电容 器。一般采用m o v 带间隙保护方案。此方案有利于提高系统的暂态稳定水平以及降 低短路时电容器的过电压水平和短路电流。同时，间隙保护具有后备保护功能， 可大幅降低m o v 的容量，节省不菲的工程造价为了保证可靠性，有些串补装置的 保护方案按双重化配置，两套保护装置分别使用独立的电流互感器的二次绕组、 两套光纤传输系统以及两组直流系统供电【4 j 。 2 1 串补保护装置的功能与分类 串补保护装置通常包含以下五个保护模块：串补电容器保护，m o v 保护，g a p 保护，平台故障保护和旁路断路器保护。 串补装置包含的主要设备如图2 - 1 。图中电流互感器( c t l c t 6 ) 用于获取继 电保护用的电流信号f 2 1 。 北京交通大学硕士学位论文 i b s 2 b s l e s l 卜一i i 、 - 一1 l ： 碑1 ，呐 a 筠 ，v 、i # i c i iiii c t3 a a龟t4 i v 、 iii i 瓜3 广f = 卜- f 7 卜1鱼 ii c = 1imi ， 【 l g a p r 。1 i 一 ；c t6 b b r li 图2 1固定式输电线路串联电容补偿装置示意图 f i g 2 1 t h es k e t c hm a po ff s c 2 。1 1串联补偿电容器对保护功能的要求 串联补偿电容器组是实现串补功能的部件。串补电容由4 个接成“h 形联接 的电容器分支组成，每个“h 分支由若干电容器单元组成，每个电容器单元内部 又是由数十只电容元件串并联组成。 “h 形接线电容器组连接示意图见图2 2 ，图中接在“桥差 回路的电流互 感器c t _ 4 用于测量电容器组不平衡电流。 利用钾- 4 测得的不平衡电流，可以构成串补电容器组不平衡电流保护。为保 证不平衡电流保护不误动作，一般将不平衡电流保护设计成带有动作门槛的比例 制动特性。一种实用的不平衡电流保护动作特性见图2 3 。 2 串补保护装置分类与描述 为防止电容器组因流过大电流而承受超出允许范围的过负荷，串补电容器还 需要配置过负荷保护，由互感器c t _ 3 测量串补电容器的负荷电流。过负荷保护的 动作特性需与电容器组的允许过负荷能力配合。串补电容器的过负荷保护一般设 计为反时限特性。典型的串补电容器过负荷保护动作特性见图2 - 4 。 u v n c t4 图2 2“h ”形接线串补电容器组联结示意图 f i g 2 - 2 t h es k e t c hm a po fs e r i e sc a p a c i t o rc o n n e c t e db y “h s t y l e 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 3不平衡电流保护特性示意图 f 远2 - 3 t h es k e t c hm a po fu n b a l a n c ec u r r e n t 流) 图2 4串补电容器过负荷保护动作特性示意图 f i g 2 _ 4 t h es k e t c hm a po fs e r i e sc a p a c i t o ro v e r l o a dp r o t e c t i o n 2 1 2 m o v 对保护功能的要求 当输电线路发生故障时，串补电容器流过故障电流( 互感器c t 一2 测量流过m o v 的电流) 并使电容器两端电压升高。m o v 并联在串补电容两端，使电容器避免因承 受过高电压而损坏。用于串补电容器保护的m o v 外部v - a 特性见图2 - 5 1 3 1 1 5 1 。 1 4 2 串补保护装置分类与描述 lo o o o2 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 0 图2 - 5m o v 的v - a 特性曲线 f i g 2 - 5 t h es k e t c hm a po fm o v sv - ac h a r a c t e r i s t i c 由图2 - 5 可见，当m o v 两端电压超过拐点电压后，流过m o v 的电流迅速增加， 并引起m o v 温度迅速增高。当温度过高时m o v 存在爆炸危险。 设置m o v 保护的目的就是及时检测m o v 的危险过热工况，并为之提供旁路保 护。 一般用三种保护响应m o v 对温升速度和温度保护功能的需求： 1 ) 瞬时高电流保护。反应于阀片流过大电流而引起的局部过热。 2 ) 温升高梯度保护和温升低梯度保护。反应于考虑了定散热效果的局部温升 问题，以热积累引起的温度变化作为动作判断依据。 3 ) m o v 高温度保护。 其中，瞬时大电流保护反应于流过m o v 电流的瞬时值，对于采样率为4 0 0 0 点秒的保护系统，当瞬时电流保护的判据取为连续3 点超过设定值既动作时， 保护的动作判定可以在小于l m s 的时间内完成。 2 1 3放电间隙g a p 对保护功能的要求 气体放电间隙( g a p ) 用于保护m o v 。当m o v 保护动作后，发出g a p 点火命令， 强制放电间隙击穿，快速旁路m o v ，防止m o v 由于温升过快或温度过高而损坏。 用于串补的g a p 接线原理示意图见图2 - 6 。 来自m o v 保护的点火命令送至g t e 。g t e 发出点火脉冲击穿t g ，t g 击穿导致 c 1 承受高电压并使m a i ng a p 的点火间隙首先击穿，并进而使主间隙击穿，形成 m o v 电流的旁路通道。 1 5 柏加柏加 ii 北京交通犬学硕士学位论文 g a p 保护用于反映g a p 的异常工作情况，g a p 需要的保护功能有： 1 ) 未得到点火命令便自己导通的“自触发 保护； 2 ) 得到点火命令后未实现快速触发的“延时触发保护( 触发时间超过4 m s ) ； 3 ) 得到点火命令但未能成功点火的“拒绝触发 保护( 2 0 m s 时间内未能触发) 。 图2 - 6放电间隙结构示意图 f i g 2 6 t h es k e t c hm a po fg a p ss t r u c t u r e 2 1 4 平台故障保护 安装于绝缘平台的串补设备在正常运行时相对于绝缘平台有一定的工作电 压，电压的高低取决于串补度以及线路电流的大小。平台保护监测平台设备低压 母线与绝缘平台之间的电流，j 下常运行时该电流接近于零，当设备对平台的绝缘 被破坏时，将有电流通过平台构成回路，这将破坏串补装置的正常运行。严重时 平台串补设备的高压端绝缘将被破坏，线路电流和电容器组放电电流流过平台， 此时平台闪络保护动作闭合旁路断路器，使串补装置退出运行。 2 1 5旁路断路器保护 当保护串补发出旁路断路器分闸或合闸的指令后，如果旁路断路器( 单相或多 相) 未在期望的时间内执行命令并且未引起相关电气量的变化，则认为旁路断路器 失灵。对旁路断路器的手动操作将不启动旁路断路器失灵保护。保护系统实时监 测旁路断路器的位置，当监测到三相位置不一致时，经延时判断后闭合旁路断路 1 6 2 串补保护装置分类与描述 器。 2 2 串补保护的特殊性 串补保护装置与以往的常规保护装置相比有它的特殊性，特别是反应于温度 和能量的m o v 保护。从上述保护配置可见，在串补保护中除有常规的反映电流量 的工频电流保护外，还有下述特殊保护： 1 ) 温度及温升梯度保护。 2 ) 动作时间为1 - 2 m s 的高电流瞬时保护。 3 ) 以触发延迟时间( 分辨率优于l m s ) 为判据的保护。 2 3 本章小结 介绍了串补保护装置的主要结构和特性，从功能入手对串补保护装置进行深 入研究，特别是一些非常规保护功能对现场的要求，归纳总结串补保护的特殊性， 为以下针对其特殊性进行测试方法设计提供研究方向。 1 7 3 测试方法的研究与确定 3 测试方法的研究与确定 由于串补保护的特殊性，常规测试手段不能可靠完成检测，需要设计新的测 试方案方法完成检测，特别是用电气量对温度和能量的准确表示1 1 3 l 。 3 1 常规测试手段的局限性 现今串补装置保护检验使用的设备为通用的信号发生器、示波器、电压表， 没有专用试验仪器。由于信号源发出的试验信号是电压信号，而且对信号持续时 间未进行有效控制，不能准确模拟故障过程中m o v 的温度变化。因此即使是厂家 试验人员也无法准确判断保护动作行为是否正确、保护定值是否准确，最多只能 确认回路完整性和系统完整性。 利用这种简单的实验手段，无法对串补装置保护定值正确性进行检查，也无 法检查保护控制逻辑和整组动作行为是否与设计要求一致。这样的调试计划不满 足我国对继电保护装置现场检验质量的要求，对串补设备长期安全运行构成威胁。 3 2 串补保护测试中存在的难点及解决方案 依据串补保护的特殊性，课题中需要解决以下几个难题： 1 ) m o v 温升和温度计算方法问题。串补装置中的m o v 由氧化锌阀片串并联组成， 当氧化锌阀片流过大电流时会由于局部过热或整体过热而损坏，因此m o v 保护 反应于m o v 的温升梯度或温升绝对值。要检验m o v 温度保护，必须解决预定故 障条件下m o v 温升计算方法问题。只有能够求得预定电流下m o v 温升，才能以 此判断m o v 温度保护动作行为正确性。研究实现m o v 温度计算的算法，该算法 能根据m o v 的v a 特性、t e ( 温升一累积能量) 特性和用户确定的试验条件 准确地确定试验电流数值。 2 ) m o v 高电流保护准确性问题。高电流保护系统动作速度快，在采样点较少情况 下就进行故障动作判断，要求采用特殊模拟输出满足保护动作条件。 3 ) g a p 保护测试方法问题。g a p 保护动作时间以单位毫秒计算，要求提高测试仪 输出时间控制精度。 4 ) 研制的仪器需具有优良的抗干扰能力，在强电磁场环境下能可靠工作。 1 9 北京交通大学硕士学位论文 从现有技术条件和对串补保护的研究出发，提出表3 - 1 中解决方案。 表3 - 1 与串补保护试验有关的特殊问题及解决办法 t a b 3 - 1 s p e c i a lp r o b l e m sa b o u ts e r i e sc a p a c i t o rp r o t e c t i o n sa n dh o wt od e a l 问题产生问题的原因解决问题的办法 m o v 温度和温升的计算m o v 保护反应于m o v 的温由于能量累积过程相对 方法升梯度或温升绝对值，要于散热过程而言极为快 检验m o v 温度保护，必须速，将m o v 在短暂故障期 解决预定故障条件下m o v间的温升过程视为绝热 温升计算方法问题。过程，采用插值计算绘制 特性曲线。 瞬时值高电流保护试验常规试验仪只能输出正输出方波电流 误差问题弦波电流，做保护动作值 试验时，难以获得高精度 g a p 保护试验方法问题常规试验仪器对输出信编制专用控制软件，将输 号的控制精度以周波为 出电流信号的时间控制 单位，无法做到优于1 m s精度提高到优于l m s 的时间控制精度 好的试验仪器应能输出 常规试验仪只能输出正研制可以输出正弦波、可 与实际电流波形一致的弦波变占空比方波、正锯齿波 试验信号 的电流源 满足串补保护功能试常规试验仪器不具有此编制专用试验软件 验、动作值检验、保护功能 配合关系试验的功能软 件 3 3 串补电容器保护测试方法 3 3 1电容器过负荷保护 正确设定电容器过负荷保护各定值，并投入电容器过负荷保护。其它保护均 2 0 3 测试方法的研究与确定 退出。通过保护测试仪分别从平台测量箱的端子上给电容器支路加入时间为2 0 s 的 过负荷整定动作电流，来测试保护的可靠动作与不动作情况。保护动作后可以通 过以下观察校验保护的正确性： 1 ) 通过t f r 录波图校验保护动作时的电容器电流的模拟量、电容器过负荷保护动 作的开关量、旁路断路器动作的开关量是否正确，并通过标尺验证保护动作时 间。 2 ) 通过保护顺序事件记录( s o e ) 校验保护上报信息应该有：电容器x 相过负荷 保护动作，电容器暂时闭锁串补，电容器保护重投串补。 3 ) 通过上报的过负荷动作时间与定值比较，实际动作时间与整定动作时间之差应 小于0 5 s 。 3 3 2电容器不平衡保护 正确设定电容器不平衡保护各定值，并投入电容器不平衡保护。其它保护均 退出。通过保护测试仪从平台测量箱的端子上给不平衡电流端子按设定时间加入 1 0 5 倍和0 9 5 倍整定不平衡动作故障电流。保护动作后可以通过以下观察校验保 护的正确性： 1 ) 通过t f r 录波图校验保护动作时的不平衡电流的模拟量、电容器不平衡告警、 高值和低值保护动作的开关量、旁路断路器动作的开关量是否正确，并通过标 尺验证保护动作时间。 2 ) 通过s o e 校验保护上报信息应该有：电容器不平衡保护动作，电容器保护永久 闭锁串补。 3 ) 正确测试结果为：0 9 5 倍定值可靠不动作，1 0 5 倍定值可靠动作。 4 ) 通过上报的不平衡保护动作时间与定值比较，实际动作时间与整定动作时间之 差应小于5 m s 。 3 4m o v 保护测试方法 3 4 1 m o v 瞬时高电流保护 正确设定m o v 过电流保护各定值，并投入m o v 过电流保护。其它保护均退出。 通过保护测试仪分别从平台测量箱的端子上给m o v 加入时间为2 0 m s 的1 0 5 倍及 o 9 5 倍的整定保护动作电流来测试保护的可靠动作与不动作情况。保护动作后可 以通过以下观察校验保护的正确性： 北京交通大学硕+ 学位论文 1 ) 通过t f r 录波图校验保护动作时的m o v 电流模拟量、m o v 高电流保护动作的开关 量、旁路断路器动作的开关量是否正确，并通过标尺验证保护动作时间以及重 投时间。 2 ) 通过s o e 校验保护上报信息应该有：m o v 保护x 相高电流保护动作；m o v 保护解除 串补闭锁。 3 ) 正确测试结果为：o 9 5 倍定值可靠不动作，1 0 5 倍定值可靠动作。 3 。4 2m o v 温升高( 低) 梯度保护 正确设定m o v 高能量保护各定值，并投入m o v 温升高( 低) 梯度保护。其它保 护均退出。通过保护测试仪分别从平台测量箱的端子上给m o v 加入设定时间的1 0 5 倍及0 9 5