（电力系统及其自动化专业论文）可控串联电容补偿对电网继电保护影响的研究.pdf

护中存在的问题 距离i 段保护范围很小 正向经串补故障保护拒动及反向经串补 故障保护误动的问题提出了相应的解决措施 并仿真验证了理论推倒的正确性 关键词 可控串补 继电保护 距离保护 低频电流分量 a b s t r a c t t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n t c s c f o ri t sc o n t i n u o u sc o n t r o l c a n i m p r o v ec h a r a c t e r so fp o w e rs y s t e mi nm a n ya s p e c t s s oi t sp o t e m i a li sv e r yg r e a ti n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m b u tf o ri t sc o m p l e x i t yi ni n t e r n a ls t r u c t u r e i n e v i t a b l yi tw i l l a f f e c tt r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e mp r o t e c t i o ng r e a t l y t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt os t u d y t h ei n f l u e n c e so ft c s ca n dr e v i e wt h ea d a p t a t i o no ft c s co nt h ee x i s t i n gr e l a y p r o t e c t i o n a tf i r s t t h ea r t i c l er e s e a r c h e dt h ei n t e r n a ls t r u c t u r ea n dt h e o r y t h e na n a l y s e dt h e i n f l u e n c eo fs e r i e s c a p a c i t o rt o t r a n s m i s s i o nl i n e s s u c ha s v o l t a g e c u r r e n t a n d p r o t e c t i o nd e v i c e sb a s e do nd i f f e r e n tt h e o r y a d d i t i o n a l l y r e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo f s e r i e sc a p a c i t o rt od i s t a n c ep r o t e c t i o n f o rp r o b l e m so f d i s t a n c ep r o t e c t i o ni n t r a n s m i s s i o nl i n e sw i t hs e r i e sc a p a c i t o r s u c ha ss m a l lp r o t e c t i o ne x t e n s i o n p r o t e c t i o n d e v i c e sr e f u s et oa c tw i t hf a u l t si na n df a u l t e da c tw i t hf a u l t so u t t h ea r t i c l ea d v a n c e d r e s o l v e n t a n db ys i m u l a t i o nv a l i d a t e di t sc o r r e c t n e s s k e yw o r d s t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n t c s c p r o t e c t i o n d i s t a n c ep r o t e c t i o n l o wf r e q u e n c yc u r r e n tc o m p o n e n t f a nx i u j u e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n d i r e c t e db yp r o f w a n gz e n g p i n g 目录 摘要 i a b s t r a c t i 第一章绪论 1 1 1 课题研究背景与意义 1 1 2 含串补电容线路应用与研究的发展现状 2 1 2 1 可控串补 t c s c 的应用的景 2 1 2 2 含串补线路保护研究的现状与发展 3 1 3 论文主要工作 4 第二章可控串补 t c s c 的原理及运行方式 5 2 1 可控串补 t c s c 的基本结构和运行 2 1 1 可控串补 t c s c 的基本结构 2 1 2 可控串补 t c s c 的工作原理 2 1 3 可控串补 t c s c 的运行模式 2 2 金属盐化物变阻器 m o v 2 2 1 金属氧化物变阻器的结构 2 2 2 金属氧化物变阻器的保护作用 2 3 可控串补的过电压保护 2 3 1 实际工程中串补系统的保护结构 2 3 2 主动绝缘配合保护 2 4 小结 l 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 3 13 第三章可控串补对电力系统输电线路保护的影响 15 3 1 含有串联电容补偿线路的工作特点 1 5 3 1 1 电压反相 1 5 3 1 2 电流反相 1 6 3 1 3 暂态低频电流分量 1 7 3 2 可控串补对继电保护工作的影响 1 9 3 2 1 可控串补对故障分量继电器的影响 1 9 3 2 2 可控串补对方向继电器的影响 2 2 3 2 3 串补对纵联差动电流保护的影响 2 5 3 2 4 含串补电容的行波测距问题 2 6 3 3 串联电容补偿对线路距离保护的影响 2 7 3 4 小结 3 0 第四章解决距离保护受可控串补电容影响的对策 3 1 4 1 概述 3 l 4 2 防止正向经串补电容短路故障保护区缩短的对策 3 1 i l 3 1 3 3 4 6 4 6 4 7 4 8 4 9 5 0 5 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 5 4 i n 区域电网互联 形成大规模电力系统 是电网发展规律的客观要求 也是大范 围资源优化配置的必然趋势l l 也 区域电网互联以后 可以实现跨区送电 减少地区 备用容量 实现水电互济 产生错峰效应 我国因能源分布与经济发展的地理位置 分布极不平衡 也正逐步形成 西电东送 南北互供 全国联网 的格局 3 4 j 但是 联网的同时 必然伴随着长距离 重负荷输电线路 使联系更加薄弱 因此在这种 情况下为保证系统的安全性与稳定性 必须辅助以必要的技术手段 5j 柔性交流输电 f a c t s 技术的开发应用将会给传统的电力系统 尤其是整个 输配电系统带来一次根本性的变革 f a c t s 装置利用大功率电力电子器件的快速响 应能力 实现对电压 功率潮流等的平滑控制 提高系统传输功率的能力及稳定性 改善电压质量 达到提高效益 降低损耗 节省投资和缩短建设周期的目标 电力 系统的潮流是传输线路阻抗 送端和受端电压幅值及两电压相位角的函数 采用 f a c t s 装置后 输电线路的电压 阻抗容易控制 且可按人们预定计划的线路传送 从而提高输电能力和整个电网的经济效益 在交流输电系统中利用串联电容器的容性阻抗补偿输电线的部分感性阻抗 使 得发电机组间电气距离缩短 同步力矩增加 达到改善系统稳定性 减少功率输送 引起的电压降和功角差的目的 从而提高电力系统稳定运行水平 增加线路输送容 量 提升网络实际输送能力 采用可控串联电容补偿 t c s c 可以进一步提高电网 的输送能力和电力系统稳定性 抑制电力系统低频振荡和次同步谐振 虽然串补电容的加入给系统带来了很多的优点 但是它的引入 不但改变了线 路参数 而且其本体保护系统的动作 又在故障期间改变了线路的结构 因此增加 了继电保护系统判断故障的难度与复杂性 因而 高压串补线路对继电保护的可靠 性要求比普通线路的更加严格 为此 对串补线路继电保护问题的深入研究 就成 为了目前电力系统发展对高压线路保护研究的迫切要求 6 j 因此 在全国大区域电网互联的新形势下 如何解决串补电容对电网继电保护 带来的影响 具有很重要的理论价值和现实意义 华北电力人学硕i 学位论文 1 2 含串补电容线路应用与研究的发展现状 1 2 1 可控 木b t c s c 的应用前景 可控串联电容补偿装置是在串联电容器两端并联一个由双向反并联晶闸管阀 控制的电感回路 实现对串联补偿电容外部等效容抗的控制 即通过对半导体晶闸 管阀的触发控制来实现对串联补偿电容的平滑调节和动念响应的控制 从而达到提 高系统传输能力 灵活控制系统潮流 改善系统暂念稳定性等目的 可控串补作为 串联型f a c t s 装置 具有以下技术特点 1 耐受电流大 可控串补装置要耐受几十千安的系统短路电流 为了限制 短路电流在电容器上形成的工频过电压 每相金属氧化物变阻器 m o v 吸收的能 量要达到几十兆甚至上百兆焦 2 承受电压高 超高压一次设备与弱电二次设备在高电位 强电磁场环境 的绝缘平台上集成 增加了高电位与地电位通讯 供能以及平台设计的难度 平台 上设备的工作电压为串联电容器两端电压 造成高压阀串联技术 强制触发型间隙 制造的难度 3 运行范围大 可控串补在小电流下的运行能力 如电容器及晶闸管阀两 端电压只有额定电压的1 0 左右时 晶闸管阀触发和取能方式 强制触发型i 日j 隙 平台二次系统功能等方面都存在许多技术性难题 4 保护控制复杂 响应速度快 强制触发型间隙在发生区外故障时不能动 作 发生区内故障且m o v 能量和电流达到启动值时 1 2 m s 内必须可靠动作 在 线路故障时 晶闸管阀要跨越谐振区使可控串补从容性区运行到感性区在1 0 m s 以 内 因此可控串补测量通讯和保护控制系统必须与其主设备及其参数选择 以及线 路和系统保护控制系统之间优化协调 随着我国7 5 0 k v 和1 0 0 0 k v 电网的发展 可控串补技术将向更大容量 更高电 压发展 目前 7 5 0 k v 和1 0 0 0 k v 串补和可控串补技术发展已经列入国家电网公司 十一五 科技规划 7 5 0 k v 串补已作为新技术推广应用重点工程列入国家电网公 司 十一五 新技术纲要 与常规串补相比 可控串补具有以下优点 1 稳态潮流控制 可根据系统运行条件 线路开断 发电出力分布调整等 调整可控串补补偿度 改善潮流分配和输电回路上的电压分布 从而达到降低网损 消除潮流迂回 防止过负荷 提高输送能力的目的 2 系统稳定控制 通过控制晶闸管阀的触发角 可以调节可控串补等效阻 抗使其在其基本容抗值的1 3 倍之间动态调整 与常规串补相比 可进一步提高 电力系统稳定性和系统输电能力 利用可控串补还可以阻尼系统功率振荡 增强系 2 华北电力人学硕l 学位论文 统动态稳定性 常用于抑制互联电网或地区电网的低频振荡 o 2 2 h z 3 抑制次同步谐振 提高补偿度 可控串补可以通过一定的触发控制策略 抑制系统中的次同步分量 从而可以在一定程度上提高串补度而无发生次同步谐振 的风险 4 在故障期间 通过晶闸管阀旁路可降低流过串补装置的短路电流和过电 压保护m o v 的能量定值 7 1 1 2 2 含串补线路保护研究的现状与发展 串联补偿系统在输电线路上的运用 改变了线路参数沿线分伟的均匀性 使得 在串补安装处出现了参数的突变 故障时串补本体保护的动作 又使得线路出现了 变结构与变参数现象 这些因素的存在 增加了继电保护故障判断的复杂性与难度 针对串补线路存在的这些问题 继电保护工作者做了大量的理论研究与实践检验工 作 文献1 8 j 论述了串补电容的引入对常用的线路保护元件的影响 主要包括对距离 保护 方向保护 纵联保护以及暂态过程对保护的影响 文献f 9 1 就串补系统对工频 故障分量继电器的影响做出了分析 文献 1o 主要采用工频相位计算与比较方法 通 过e m t p 搭建仿真模型 对串补线路及其相邻线路的距离保护进行评估和测试 文献i l l j 利用对称分量法计算出串补电容不对称击穿时各相阻抗继电器的测量阻抗 值 定性地说明了串补电容不对称击穿对接地距离保护的影响 与普遍性的原理研究相对应 还有针对实际串补工程保护的分析 文献 1 2 介绍 了我国华北电网大房5 0 0 k v 双回线加串补后继电保护的情况 研究了串补电容对 目前所投运的日本三菱公司m c d h 距离保护与g e 公司的a l p s 型距离保护 的影响 同时 对于上述两套保护应用于串补线路时所采取的特殊措施进行了分析 文献 l3 j 针对我国阳淮线5 0 0 k v 串补工程展丌仿真研究 得到了相关的工程结论 文献 1 4 j 针对加拿大h y d r o q u e b e c 串补网络 采用电力系统实时仿真工具 对8 种 预先选择好的高性能线路保护进行了系统的性能比较并给出了最后的测试与评估 结果 文献 l5 j 介绍了利用r t d s 进行串补线路保护研究的情况 针对加拿大 m a n i t o b a 水电外送线路加装串补工程 利用r t d s 构造数字仿真模型 并对现有 保护进行系统的仿真计算 得出了工程计算结果与定值调整方案 目前已有了大量的关于串补线路继电保护的理论研究与实践检验工作 随着自 适应继电保护概念的提出 含串补线路的保护也转向了自适应继电保护的研究 并 相继提出了卡尔曼滤波器 1 6 提取特征低频分量或测取低频阻抗 1 7 的方法判断故障 是否包含电容器 从而使保护做出相应的动作 文献 1 8 1 根据线路电流用傅立叶级数 计算串补装置上的基波电压 但这些算法复杂 实时性差 且不能适应各种接线方 式 华北电力人学硕l 学位论文 除了基本原理与实际工程的研究之外 文献 1 9 1 针对具体保护元件或实际保护装 置的分析与研究也成为这个领域研究的重点 目前使用的串补线路保护 基本都是 传统线路保护基础上的升级 1 3 论文主要工作 论文围绕可控串联补偿电容应用在高压输电线路中 并对电网继电保护产生影 响展开工作 主要包含以下几个方面 1 针对可控串补的基本结构 工作原理及运行模式 着重分析了可控串补 是如何通过控制触发角口从而对线路阻抗实现连续的调节控制 进而对潮流进行控 制 并且分析了串补电容的主要保护部分m o v 的结构及作用 以及在故障状念下 晶闸管阀的保护状态 2 可控串补在线路中将会引起电压 电流反相及低频电流分量的出现 这 些特征必然对电力系统的继电保护产生影响 本文重点分析了线路中加入可控串补 后故障分量继电器 方向继电器 纵联差动电流保护等常规保护的工作状态的变化 以及可以采取的补救措施 以及分析可控串补在距离保护中产生的影响 3 因为在输电线的继电保护系统中 距离保护是一种不可替代的主保护与 后备保护 因此文章重点解决了串补线路中距离保护存在的问题 诈向经串补电容 短路故障时距离i 段保护区缩小 可以通过比较阻抗角大小或通过检测低频电流分 量的存在性来区分故障发生的位置 进而保证距离i 段的保护区 对端j 下向经串补 电容线路故障保护拒动及反向经串补电容短路保护误动的问题 可以通过检测保护 安装处电压相位变化进行闭锁或采用方向继电器进行闭锁 4 华北电力大学硕j 学位论文 第二章可控串补 t c s c 的原理及运行方式 可控串联补偿技术是以固定串联补偿技术为基础 为适应电力系统运行控制的 需要而发展起来的 早期可控串联补偿器采用机械开关投切串联电容器 m s s c m e c h a n i c a l l ys w i t c h e ds e r i e sc a p a c i t o r 来实现 它采用分段投切方式改变对线路阻 抗的补偿程度 由于机械开关动作速度较慢 因此 这种补偿装冒主要用于电网潮 流控制 随着大功率电力电子器件技术的成熟和发展 利用品闸管控制的串联补偿 技术得到应用 包括晶闸管控制串联电容补偿器 t c s c 和晶闸管投切串联电容补 偿器 t s s c 与m s s c 的补偿装置相比 晶闸管控制补偿装置可以实现串联补偿 度的快速调节 其性能可以满足电力系统稳定控制和快速潮流控制的需要 与t s s c 相比 t c s c 具有阻抗连续可调节的良好性能 因此 可控串补一 提出 就受到了 研究人员的广泛关注 2 训 线路传输中的功角关系式如式2 1 尸 堡s i n 万 x 其中 e v 是送 受端电压 万是e v 间的相角即功率角 可见 串联补偿可改变电抗x 可以提高线路的传输功率 串联补偿分为固定 串补和可控串补两种 可控串补具有除了与固定串补相同的减少电抗的作用外 还 可以根据需要自动快速地调节等效阻抗 进而提高输电容量 增加系统稳定性 虽 然如此 但是可控串联电容补偿器 t c s c 这一f a c t s 元件的加入必然地会增加 系统的复杂程度 不但其本身的结构 控制 保护等需要加以考虑 而且还会对整 个电力系统的运行及保护带来很多问题 本章主要讨论可控串补的内部结构及工作 状态 2 1 可控串补 t c s c 的基本结构和运行 2 1 1 可控串补 t c s c 的基本结构 可控串联电容补偿 t c s c 结构示意图如图2 1 所示 t c s c 本体电路主要包 括串补电容器 可控硅电感支路 t c r 氧化锌变阻器限压器 m o v 放电间隙 g a p 与旁路断路器 b p s 在这些组件中 串补电容器组与t c r 支路是t c s c 本体的核心部分 为系统提供可调节的补偿度 氧化锌m o v 放电间隙g a p 以及 旁路断路器b p s 作为t c s c 的保护环节 主要为电容器提供过电压保护 当电容c 华北电力人学硕 f 学位论文 过电压时 m o v 导通将其电压限制在一定范围内 一般为串补电容额定电压峰值 的2 2 5 倍 若短路能量与温度达到m o v 的限定值 为防止m o v 击穿 放电 间隙g a p 击穿 当g a p 有长时间电流流过平台故障时 断路器闭合 将t c s c 及 其保护设备旁路 2 1 1 m o v 图2 1t c s c 结构图 通过控制t c s c 晶闸管阀s c r 的触发角 控制旁路电感l 的电流 从而实现 控制可控串补等效基波阻抗 以达到控制调节电力系统其他的物理量如电流 电压 有功功率 无功功率等的目的 2 1 2 可控串补 t c s c 的工作原理 t c s c 电路随着晶闸管阀的关断和导通在两个拓扑结构之间切换 定义口为触 发延迟角 表示电容电压过零点 晶闸管开始承受j 下向电压 到晶闸管开始导通时 刻之间的电角度差 为触发超前角 定义为晶闸管导通时刻相对于随后的电压过 零点的超前时间 用电角度表示 口 18 0 盯表示晶闸管导通区间的电气角 度 即晶闸管导通角 在稳态运行情况下 盯 2 p 图2 2 微调时理想波形图 6 华北l 乜力人学倾i j 学位论义 可控串补在微调控制方式下 电容器组电压u 双向晶闸管t c r 的触发角口 导通角仃和电感电流i l 的理想波形如图2 2 中所示 定义彩 为t c s c 的自然角频率 缈 1 l 4 l 6 缈 与电网基波频率彩的比值为k k 缈 功 j 瓦 k 2 x c x x c 与x l 分别为固定串补电容c 和晶闸管控制电抗器l 的基波容抗和基波感抗 v t 导通时 有 解得 图2 3 串补正常t 作时结构图 c 訾 s 咖 小纠辆 l 訾孤 一 h 诮归志岱c c o s s k f l s i n c o o t s i nc o t 忙篙 c o s 耐百c o s s k f l c o s 0 0 t 当晶闸管关断时 c 满足微分方程 得 c 墼 i m c o s 0 9 t d t 2 3 2 4 华北电力人学颁 学位论义 础 刻i ms i n 研 嵩 c s p t g k k s i n f l 耐 a 1 8 0 f l 2 5 当c o t 9 0 时 u c 取最大值 配一 去 1 嵩 c s f l t g k f l k s i n f l 2 6 谐振时 c o s k p 0 即k 2 m 1 7 c 2 m 为自然数 在0 到9 0 之i 日j 变化 所以l k 3 时只有一个谐振点 即k 2 9 时 触发角口在从9 0 到18 0 的范围内 即 在0 到9 0 之间变化 只出现一个谐振点 对u 进行傅立叶变换 甜 为奇函数 分解后只含有奇次 f 弦谐波 得 所以 肛亳一蒜岛 2 f l s i n 2 f 1 蒜酱2 c k 脚心 7 x 艘2 鲁2 历1 一紫 磊4 k 2 c 酬 s 2 f l i k t g k f l 即 8 x t c s c 受k 和 影响 实际应用中 k 值已定 所以只有 影响x t c c 将x t c s c 用 触发延迟角口来表示 因为 1 8 0 一口 所以有 x r c s c 一1 一 k 2 2 x 忑2 a 下 s i n2 a 塑 t g a k 留k 口 2 9 a j c i 顽i 面一十 n a c k 2 1 2 m g 叫 由公式计算和图2 4 可看出 当口州 口 1 8 0 时 t c s c 呈容性 当9 0 口 口州 时 t c s c 呈感性 当触发角口 口州时 t c s c 处于谐振状态 为防止t c s c 工作 在谐振区 设定了晶闸管阀的最小容性触发角口 i 和最大感性触发角口 其他 限制条件还有电容器过载能力 m o v 电压保护和谐波电流等 t c s c 实际只能运行 在一定的范围内 通常触发角在1 4 5 0 1 8 0 时 其等效电抗呈容性 在9 0 1 4 0 时 其等效阻抗呈感性 这段特性使其在系统故障时具有限制短路电流的作用1 2 2 1 2 3 1 华北电 j 火学硕l 学位论义 阻抗 感性区吲 力皆振点 标幺 仪r t 值 一1 0 i 一 容性区7 f 9 0 触发角度 1 8 0 图9 4t r s r 甚油阳精茸鼬侍角的婪磊 2 1 3 可控串补 t c s c 的运行模式 在实际运行中 t c s c 的基本工作模式通常有四种 1 晶闸管闭锁模式 这时晶闸管触发角为18 0 t c s c 与常规串补没有区别 2 容抗调节模式 此时 口 n 口 l8 0 0 t c s c 的容抗值在其最小值 基本 容抗值 和最大值 通常是基本容抗值的1 7 3 0 倍之间 之 日j 可调 这是t c s c 的正常工作状态 在暂态过程中可提高容抗值来增大补偿度 改善系统暂态稳定性 在动态过程中通过控制其阻抗来抑制系统振荡 稳念运行中 可调节容抗值使系统 潮流合理分布 降低损耗 3 感抗调节模式 此时 9 0 口 a t c s c 呈现为一感性可调电抗 这 个模式下 线路的谐波较大 对晶闸管要求较高 对系统安全和经济运行不利 实 际工程中通常不让t c s c 工作在此状态 4 旁路 b y p a s s 模式 此时晶闸管触发角为9 0 晶闸管完全导通 t c s c 的 旁路电感与串联电容并联 呈现很小的感抗 晶闸管旁路方式被用来降低t c s c 过 电压 减少短路电流 同时也减轻m o v 的负担 降低对m o v 能耗的要求 2 4 25 1 以串补电容电压为理想正弦波作为假设条件 按图2 5 接线进行仿真 图2 6 为t c s c 分别工作在晶闸管闭锁 口 18 0 容性 o f l5 0 感性 a 1 1 0 和晶闸 管旁路 a 9 0 模式下的j l i 鹏 0 c j c 的仿真波形 i i c e 图2 5t c s c 仿真接线图 华北电力人学硕j 学位论义 o 锄 m m o 却h o 酶 一 一已遵 争 扎 i 1 心冬心 j t 争 备 j f 7 一 0 o l 口 琳l 0 锄k o 点 t盯 j r j i j t 一母叶十 叼 卜 啼 o 寺一量一1 斗一专 一 啼 口 0 r o o r o o o t o 1 o o o o r r o o p o p 州 n 1 0 1 1 00 1 2 00 1 3 00 1 4 00 1 5 00 1 6 00 1 7 0 n 伽蚴d0 1 0 00 1go蚴o o b 啦t d 却恼 0 渔 a 触发角为1 8 0 0 j 口 沁 役 d o 口 乙 叫 j r 糟l q 晦 虻 厂 一一 一一r 一 1 i f n 符 矿试r 罚r 蕊 蕊弋丽百蒂 f i 荔 幽 n 1 f 可百 b 触发角为1 5 0 蛳 g r a p h s o 照 o i l j o l j j j l l 口 i 岫 o 却恼 口上 r fj 0j o o n 仰0 1 1 00 1 2 00 1 3 00 1 4 00 1 5 00 1 6 0o l l 7 00 1 n 1 9 0 嘲o0 1 0 00 1 啷o o 1 1 r 1 1 1 r 1 1 r 1 1r o o o o o c 触发角为1 1 0 影vv v 泫i 0 图2 0l i 鼬0 郅k 口t l j ji f f 6 气 f 4 i 7 乞 弋 l j j j 0 d 4 n 石 丽r 豳 d 触发角为9 0 t c s c 在不同角度下的波彤图 l o 御m o舶瑚仰猫 如和协 锄觚锄枷 z o 氇 口 8 口 i 一 b k 啪枷拼 狮枷鲫栅 卜 n j f tj 撼一叫 9 h r j l 吨 ff 辟 f 口 d o 0 p 鲫 蛳 锄 动 枷 栅 叫叫叫叫叫 吾 吾一 华北电力人学硕i j 学位论文 2 2 金属盐化物变阻器 m o v 2 2 1 金属氧化物变阻器的结构 由于金属氧化物变阻器 m o v m e t a lo x i d ev a r i s t o r 具有优异的非线性 正常 电压和暂时过电压时 阀片中只有很小的泄漏电流 出现过压时 有很大电流通过 但 电压却被限制在一定范围内 如图2 7 所示为m o v 的典型u i 曲线 所以m o v 成为 t c s c 中很重要的保护部分 可以防止电容器过电压 因此对m o v 的研究也成为必要 图2 7m o v 的典型u i 曲线 对于m o v 而言 由小电流区至大电流区过渡时相应的电压是关键 i e c 标准采用 参考电压 u 耐 这一术语 对一定的产品 在其伏安特性由小电流区向大电流区过渡的 区域内选定一合适的电流 称为参考电流 与此电流相应的电压称为参考电压 参考 电流的选定与m o v 的尺寸大小有关 其值在l 2 0 m a 范围内 当作用电压值较低时 流过的电流接近于正弦 而其相位比电压前移了近9 0 当外加电压幅值接近参考电压 u 时 电流波形明显畸变 其幅值与外加电压幅值接近同相 此现象表明m o v 不但有 非线性电阻属性 而且也有电容属性 低电压作用下观察到的主要是其容性电流分量 而在高幅值的工频电压作用下 阻性电流增大到接近甚至超过容性电流分量 在m o v 的实际应用中 最关心的是它的阻性电流分量 因为它决定了m o v 的功率损耗和发热 情况 因而m o v 的交流伏安特性的电流值是以其阻性电流幅值表示的 26 2 2 2 金属氧化物变阻器的保护作用 m o v 过负荷保护在满足 1 电流超过定值 2 m o vi l 及收能量的速度d e d r 超过定值 3 m o v 的温度或吸收的能量超过定值以上3 个条件中任一条件 即启动 触发间隙或旁路断路器 以便旁路电容器和m o v 上流过的故障电流 m o v 在短时间内吸收大能量时 会出现电位梯度高 电流密度大 发热升温等现 象 电位梯度高可使其密度内部贯通击穿或局部击穿 或者发生沿面i 久j 络 电流密度大 可使内部温升过高 使材料特性变化甚至烧坏 m o v 在发挥其保护作用的同时要吸收 电压能量 因而能量耐受能力是一个重要特性指标 m o v 能量耐受能力表示方法 1 1 1 华北电力大学硕l 学位论文 以单位体积耐受能量表示 j c m 3 2 通过规定波形 规定次数 规定幅值的冲击电 流后 在试件不损坏 不明显改变其特性的条件下 以所采用的冲击电流幅值表示 由于电位梯度高 电流密度大及局部高温都会使m o v 收到操作冲击电流作用后出 现局部损伤 因而其可承受的电流幅值随冲击次数的增加而下降 运行中的m o v 每经 受一次冲击电流作用 其同流容量储备就减少一部分 多次电流冲击之后 若总的通流 容量储备消耗完毕 则可以认为该m o v 已不能再继续运行1 2 7 j1 28 2 3 可控串补的过电压保护 2 3 1 实际工程中串补系统的保护结构 实际的串补工程通常采用固定串补加可控串补的补偿方式束达到比较好的经济性 实际的t c s c 装置可采用多组c s c 模块串联构成 并与多组f s c 结合起来使用 采用 0 厂 广 o 旁路隔离开关 1 隔离开关隔离开关 1 f s c 模块1 i j m o v 串联电容 高压平台 t c s c 模块1 m o v n 个 榭一电抗器 旁路断路器旁路断路器 图2 8实际串补丁程中的结构 f s c 的目的主要是为了降低整套串联装置成本 而多模块结构可以得到较宽的阻抗控制 范围 由于串补容量较大 f s c 和c s c 两部分分别安装在两个独立的平台上 如图2 8 所示结构 以保证一部分检修的情况下另一部分仍可以正常运行f 2 9 1 t c s c 的过电压保护就是指m o v 的保护 当f s c 回路的m o v 吸收能量达到设定 值e 时 继电保护装置触发保护间隙 短接m o v 和串补电容 当c s c 回路的m o v 吸收能量达到设定值e 芋时 则使可控硅全导通 相当于间隙的作用 且在短路过程中 以小感抗形式限制短路电流 1 2 华北电力大学侦i 学位论文 串补保护系统的一个重要研究内容是确定m o v 能量容量及触发 白j 隙和可控硅何时 保护性动作 要求的m o v 的能量容量决定m o v 的最终设计 2 3 2 主动绝缘配合保护 在可控串补中可以考虑使用主动绝缘配合的方法 各种电力电子装置为过电压保护 控制和主动绝缘配合提供了必不可少的可控器件 在主动绝缘配合中 故障出现时 被 保护设备在接受过电压保护设备的同时 还通过一定的控制策略 主动地 对过电压 保护过程进行干预 以进一步降低过电压 故障消除后 利用电力电子器件快速反应的 能力 使被保护设备尽快恢复到正常运行状态 保护设备与被保护设备之间是相互影响 的交互方式 主动绝缘配合通过过电压保护控制实现 这是可控串联电容补偿优于固定 串补电容的地方 1 当m o v 上的电流 能耗及温升达到一定值时 由控制系统启动t c s c 进入 晶闸管旁路模式 将t c s c 的工作状态由容性改为低电抗 约o 2 p u 的感性模式 通 过这种方法 主动干预过电压保护过程 进一步降低m o v 过电压 并减少短路电流 同时也减轻了m o v 的负担 降低对m o v 能耗的要求 从而达到绝缘配合的第一个目 的 2 当短路故障消除后 由于晶闸管的导通和关断速度很快 t c s c 能尽快返回到 容性工作状态 以提高线路的输送能力和系统的稳定水平 可看成主动绝缘配合的第二 个目的 3 0 1 发生内部故障时 m o v 会吸收大部分电流 起到限制电容器上过电压 保护电容 器的作用 当m o v 负载达到一定水平时 晶闸管保护性旁路的基本要求是 主动绝缘 配合的第一个目的起作用 以保护m o v 区外故障一般情况下 t c r 支路不旁路 在 持续时间超过l o o m s 且区外故障流过串补电流较大时 有的t c s c 也考虑将t c r 支路 旁路 但在故障切除后应立即返回正常工作模式 如果仅是固定串补装置 则断路器动 作 直接切除电容c 当输电线路发生故障时 如果m o v 吸收的能量或通过的电流小于设定值 在故障 电流终止时电容器则立即再投入 在此情况下 对系统暂态稳定而言 m o v 保护的电 容器的重新插入时间可以忽略不计 2 4 小结 可控串联电容补偿 t c s c 作为柔性交流输电家族中的重要组成部分 其应用 在电力系统中可以很好的改善电力系统的性能 虽然如此 但可控串补的加入也会 改变系统原有的工作状态 尤其是在继电保护中 因此 需要对可控串补的结构和 工作原理进行必要的分析 华北电力人学硕i q 位论文 本章主要研究了可控串补的内部结构 工作原理及其运行模式 分析了其可控 性以及可控的原因 可控串补通过对晶闸管阀触发角口进行连续调解控制 进而对 潮流进行控制 提高系统的输送能力 j 下常工作状态下 可控串补工作在容性条件 下 即口在1 4 5 0 1 8 0 0 之间变化 含可控串补的线路在发生故障时 其主要保护部 分m o v 及晶闸管阀可以对串补本体进行快速保护 因此可控串补的连续调节的结 构 使其优越性明显大于固定串补 1 4 u o 2 j nz k q 3 1 0 p j n z k o 一 x j 0 n j z k o j x f z p n l 图3 一lb 中 x k q x 幻 x p x v i 则 n 为容性电流 与没有串联补偿电容时相比 n 电流相位改变接近18 0 出现电流反相 1 6 n n b i 0 a j f 0 v 1 铆 j i y 0 0 v i o 形 i 引 f 一0 l j lf 鲫 枷 觚 姗 瑚 期 x 华北i u j 人学硕i j 学位论文 k 点短路故障出现电流反相时各点电压可表示为 d m mz k l o q i 意 丙应 u p 圣塑二 墅 e n 3 2 z k o j x z e n i z n i u p 圣竺旦二 堑 圣型e n h z k o j x z i n i z l 设在k 2 点短路故障时 有x c x k o x p n x 则此时处在电流反相的临界状 况 只有故障发生在k 点与q 点之间时才发生电流反相的情况 o i n m a i n g r a p h s u n 0 0 0 00 0 5 00 10 0 0 15 00 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 00 3 5 0 j 一 一 i 图3 4 电流反相时线路电流j 与电源l gj t i d 在串联补偿的线路上发生短路故障时 p 母线出现电压反相 但串联补偿电容 线路侧q 点是不会出现电压反相的 而出现电流反相时 p 母线电压和q 点的电压 都会出现反相的情况 因此 电流反相的情况更为复杂 图3 4 为电流反相时电 源电压与线路电流波形对比图 实际中由于线路中存在电阻 所以近似为反相 3 1 3 暂态低频电流分量 含有串补电容的线路发生故障时 为使分析简化 不计线路的分布电容 当故 障发生在串联补偿电容后 线路可以等效为r l c 串联电路 于是可得串联线路 的方程 r i f l 掣d t 三c 衍 材 j 3 3 o 4 2 2 4 华北电力人学硕l j 学位论文 其中u e m s i n c o t 口 为故障回路的电源 i 为保护安装处电流 r l 分别为故 障回路总电阻和总电感 c 为串补电容值 式3 3 可以化为 为 l 辔 r 警 扣 c o e m c o s c 研圳 仔4 砸 的稳态分量如 可用相量法求得为f i s i n c o t a 一矿 缈l 一土 妒2 a r c t 9 1 等 为求暂态分量i o t 先得到特征方程为l c s 2 r c s 1 0 特征方程的两根n 蜀 一差兰 厩 一 击 3 5 其中t 2 v r 为暂态分量电流衰减时i 可常数 等于高压电网非周期分量电流衰 减时间常数的两倍 国 1 三4 z e 为无阻尼振荡角频率 可表示为 旷缈 五 缈雁 缈辰 净6 其中k 为串补的补偿度 一般小于1 因为串补电容补偿仅补偿线路的一部分 容抗占整个系统的电抗更小 所以彩 1 t 所以s 可简化为 于是暂态分量可表示为 乩 一l j 缈 t 1 3 7 如o i s 2 蕊s i n c 国 目 p 一考 c3 8 其中秒 a r c t g c t g a 一伊 华北i 乜力人学硕i j 学位论义 i t f o i o i n s i n c o t 口一妒 a e 一一t is i n o o l 0 3 9 当口一缈 9 0 时 i o f t i c o s o o t e 一亩 当口一伊 o 时 i o c o 堕oi s i n 0 3 0 f p 一考 2 们 缈 明显可见 f i t 存在低频电流分量 低频分量的频率与故障点 系统阻抗及补 偿度有关系 因此对于一个系统 只要补偿度确定 故障位置确定 则此低频就是 一定的 同样地 当串补电容以前短路故障时 线路等效为r l 串联电路 于是用同 样的方法可以得到此时全电流的表达式为 f r f o f o i m s i n c o t a 一伊 一i m s i n o r 一缈 e 一去 i m s i n c o t a 一缈 a p 一万t 其中i 肼 丽e m c o l c 留警 r 2 k t t 12 量 a 一i m s i n 口一 此时电流中不再含有低频电流分量 有的是衰减的非周期分量 3 2 可控串补对继电保护工作的影响 3 2 1 可控串补对故障分量继电器的影响 3 1 0 为说明可控串补对故障分量继电器的影响 先分析故障分量继电器的构成原理 不 同地点接地时故障分量电压分布图如图3 5 所示 其中z 为整定阻抗 z 为保护安装处到故障点的阻抗 u o p 是故障分量网络中整定阻抗 z 未端的电压 u 队为故障电压 1 9 华北电力人学硕i 学位论文 a b 正向区外k 1 故障 c 正向区内i 故障 d 反i h j k 4 故障 图3 5 不同地点接地时故障分量电压分粕 1 设正向k 发生故障 a 相接地 则有 砒一等老0 m 3 1 1 动作条件为la o o pi id l c ai 即iz m z l i 7 k al 即lz n z l 不会误动 t v 在母线时 嘞z 有可能大于秒k a 有可能发生误动 此时 若按8 0 x 整定 可能误 动 若按k x l x c 整定 适当的补偿度和系统k 可以使矽 a z 消除正向超越 问题 2 正向区内k 故障时 如图3 7 c 无论t v 安装在线路还是母线 均能保证 d k a 2 不会勿动 t v 在 线路时 按8 0 x 整定 d l a a o o t 保护不会误动 因为串补的补偿度一般不会超 过5 0 x 因此不会发生误动 综上所述 当采用t c s c 时 故障后若被旁路 对于按k x 一x c 整定 电容前向 区内短路时 其保护范围大大缩小 但是按k x 整定 区外故障有误动作的可能 因 此为可靠起见 按k x l x c 保守一些的整定比较合适 3 2 1 华北电力人学倾i 学位论文 二 一 1哆 形t u k b 含串补线路正向区外k 故障 c 含串补线路正向区内k 故障 d 含串补线路反向k 4 故障 图3 7 串补线路不同地点接地时故障分量电压分御 加入t c s c 后 相当于将图3 6 中z 换成z 一j x 这时正向圆缩小 反向圆 不变 此时继电器不会误动作 但是j 下向保护范围会减小 验证了上述图解的正确性 3 2 2 可控串补对方向继电器的影响 反映故障分量的负序 零序及工频变化量方向继电器的诈确工作与否取决于从故障 点看出的保护背后等值电源阻抗的性质 3 2 2 1 单回线上的方向继电器 在保护采用方向继电器 不同位置发生接地故障后的电路等效图如图3 8 所示 1 电压互感器采用母线t v 时 正 反方向故障时方向继电器动作分别取决于z 和z r j x 由于串补电容只补偿线路电感的一部分 因此可j 下确动作 2 电压互感器采用线路t v 时 正 反方向故障时方向继电器动作分别取决于 z s 一 x 和z r 而z s i x 可能为容性 正向有可能发生拒动 图3 8不同位置故障时电路等效图 为防止采用线路侧t v 时保护的误动 可以采取补偿的措施 在方向比较电压中加 入补偿 d 秒一j z 取z 为线路阻抗一部分 相当于将方向元件至于线路中间 如图3 9 所示 正向故障时 6 一2 z 一j x 一2 z 一i z z 一j x z 选择使 z z 6 一 x 呈感性 反向故障时 矽 秒一j z 6 j z 月一 z 户i z 月一z 因为z z 月 可以保证正 确性 结论 最好使用母线侧t v 若采用线路侧t v 采取补偿后方向继电器也能正确动 作 如果所用串补是可控的 即使故障后串补电容被击穿 仍能可靠动作1 3 3 a 正向发生故障 一job一 ui j u j 葛7 b 反向发生故障 图3 9 电压补偿后不同位置故障时电路等效图 3 2 2 2 平行双回线上的方向继电器 双回线串补线路发生故障时的计算模型如图3 1 0 所示 将其进行 y 变换后为图 3 一l1 的等效计算模型 k 表示故障点距母线m 的距离 弓 华北电力人学硕l 学位论文 m 图3 一1 0 计算模型 图3 一1 1 等效计算模型 设口 血 b b 互 口 一鱼 b 一纽 设口 鱼 鱼 口 一鲤 一兰盟 z tz z z l 故障线与非故障线系数分别为 2 一瓦u m2 可j 1 i k b 铲立i 2 z 2 万1 i 1 k 氏一急2 麦 i 1 a p h n o 云n2 瓦z u i i i l a 当系数小于o 时 判为反方向 系数大于0 时 判为正方向1 3 l 钉 其中 2 i 磊穗心m2 磊磊蕊b n z 2 b 打 一 z l 册 3 1 3 华北l 乜力人学硕 学位论义 z 等鲤 z z 2 紫z z 3 攀z f o 1 两回线t c s c 均旁路 a b 近似为0 加 历都大于0 在故障线路两侧方向继电器看到的都是正方向 方向高频 保护能正确动作 抽必有一个小于0 因此在健全线路两侧至少有一侧方向 继电器看到的是反方向 方向高频保护不会误动 2 健全线t c s c 旁路 b 近似为0 a 大于0 一般串补度a 小于1 因此同上 珈 历都大于0 在故障线路两侧方向继电 器看到的都是正方向 方向高频保护能正确动作 加必有一个小于0 因此 在健全线路两侧至少有 n 方向继电器看到