參數(shù)識別原理在磁控型并聯(lián)電抗器保護(hù)中的應(yīng)用

行武，郭曉，王哲，史博倫

（南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211151）

0 引言

隨著特高壓技術(shù)的發(fā)展及遠(yuǎn)距離大容量輸電線路的增加，線路容性電流越來越大、過電壓情況越來越嚴(yán)重，并聯(lián)電抗器因具有限制過電壓和無功補(bǔ)償?shù)淖饔迷诟邏合到y(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用［1-3］。并聯(lián)電抗器主要分為3類：固定容量電抗器，容量固定不可調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠；分級可控電抗器，容量只能分級調(diào)節(jié)，無法連續(xù)調(diào)節(jié)容量；磁控型并聯(lián)電抗器，容量可在5%～100%之間連續(xù)調(diào)節(jié)。

高壓系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，將會對電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，并聯(lián)電抗器的安全穩(wěn)定運(yùn)行極其重要，對其保護(hù)的可靠性也有較為嚴(yán)苛的要求。磁控型并聯(lián)電抗器目前已在特高壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1 磁控型并聯(lián)電抗器工作原理及保護(hù)配置

磁控電抗器早在1999年就出現(xiàn)并開始應(yīng)用，經(jīng)過不斷改進(jìn)發(fā)展至今，學(xué)者們一直對其進(jìn)行著研究和分析［4-9］。文獻(xiàn)［4-5］對磁控型并聯(lián)電抗器的工作原理及過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時對電抗器配備的保護(hù)也進(jìn)行了描述。

1.1 磁控型并聯(lián)電抗器工作原理

磁控型并聯(lián)電抗器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程如圖1所示?？刂评@組1和2中通入大小相等、方向相反的直流電流，在電抗器鐵心1和2中會產(chǎn)生等幅、反向的偏置磁通，使得2個芯柱在交流磁通的正、負(fù)半周內(nèi)輪流飽和。通過改變直流電流的大小，可以改變主鐵心的飽和程度，變相改變鐵心磁導(dǎo)率，進(jìn)而控制電抗器的電抗值和工作容量。

圖1 磁控型并聯(lián)電抗器簡化運(yùn)行結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified running structure of a magnetic shunt reactor

1.2 磁控型并聯(lián)電抗器保護(hù)配置

磁控型并聯(lián)電抗器的穩(wěn)定工作關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須對其進(jìn)行可靠地保護(hù)，DL／T 242—2012《高壓并聯(lián)電抗器保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》規(guī)定了相關(guān)的保護(hù)功能配置，如圖2所示（圖中：TV為電壓互感器；TA為電流互感器）。

圖2 磁控型并聯(lián)電抗器保護(hù)配置Fig.2 Configuration of amagnetic shunt reactor protection

磁控型并聯(lián)電抗器保護(hù)主要分為3部分：第1部分為主電抗器的保護(hù)，分別配置了差動保護(hù)、零序差動保護(hù)；第2部分為中性點(diǎn)電抗器保護(hù)，配置了過流保護(hù)及過負(fù)荷保護(hù)；第3部分為電抗器控制繞組的保護(hù)，配置了電壓差動保護(hù)及間隙過流保護(hù)。匝間保護(hù)為主保護(hù)，零序過流保護(hù)、相過流保護(hù)及過負(fù)荷保護(hù)為后備保護(hù)。

目前，電抗器主保護(hù)中的差動保護(hù)及匝間保護(hù)、后備保護(hù)的保護(hù)參數(shù)都是以恒定容量、恒定額定電流為基準(zhǔn)設(shè)定的。但由于磁控型電抗器的容量可調(diào)，當(dāng)其容量變化較大時額定電流的變化也較大，如果保護(hù)參數(shù)依然以恒定電流為參考，會導(dǎo)致保護(hù)出現(xiàn)拒動或誤動，影響電抗器的正常工作［10］。為了改善磁控型電抗器保護(hù)的靈敏性及可靠性，本文提出了參數(shù)識別原理。

2 參數(shù)識別原理應(yīng)用

參數(shù)識別原理在磁控型并聯(lián)電抗器保護(hù)中的具體實現(xiàn)過程分為2部分：首先是對磁控型并聯(lián)電抗器的阻抗參數(shù)進(jìn)行識別，實時監(jiān)測電抗器運(yùn)行容量；然后利用電抗器的實時阻抗參數(shù)對保護(hù)參數(shù)進(jìn)行修正，保證保護(hù)的靈敏性和可靠性。

2.1 阻抗參數(shù)識別

為了實時判定磁控電抗器的運(yùn)行工況，必須對電抗器的阻抗參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測：用圖2中的TV獲取電抗器的三相工作電壓，用TA1獲取流過可控電抗器首端的三相電流，利用獲得的采樣電流、電壓量求取電流、電壓的基波有效值，進(jìn)而求取電抗器的阻抗參數(shù)。磁控型并聯(lián)電抗器為飽和運(yùn)行，可能會出現(xiàn)輕微的非對稱性運(yùn)行和零序電流流過中性點(diǎn)電抗器。為了真實反映出可控電抗器的阻抗參數(shù)，必須消除中性點(diǎn)電抗對可控電抗參數(shù)識別的影響。

式中：ZCA，CB，CC為可控電抗器三相阻抗值；Zg為中性點(diǎn)電抗阻抗值；I1A，1B，1C＝I1A+I1B+I1C，為流過TA1首端的三相基波電流有效值，UA，B，C為電抗器所在線路的電壓，即TV的三相基波有效值。

電抗器容量在調(diào)節(jié)過程中會引起電抗器電流的不斷變化，影響電抗器阻抗參數(shù)的識別，導(dǎo)致阻抗參數(shù)計算誤差較大。電抗器參數(shù)計算必須在電抗器運(yùn)行穩(wěn)定（電流變化不大）時才有效，因此引入保護(hù)裝置的啟動元件作為參數(shù)識別修正算法的閉鎖元件：電抗器容量調(diào)節(jié)時如果電流電壓變化較大，會啟動保護(hù)元件，不進(jìn)行阻抗參數(shù)計算；當(dāng)啟動元件返回后才認(rèn)為電抗器運(yùn)行穩(wěn)定，開始阻抗參數(shù)的計算。這樣就可以避免電抗器容量調(diào)節(jié)對電抗器阻抗參數(shù)識別產(chǎn)生的不利影響，保證阻抗參數(shù)識別的準(zhǔn)確性。

2.2 保護(hù)算法改進(jìn)

目前工程中磁控型電抗器所用的電抗器保護(hù)裝置的主保護(hù)（差動及匝間保護(hù)）及后備過流保護(hù)的保護(hù)動作電流值（Iop）均基于電抗器的額定電流（Ie）進(jìn)行整定，即

若電抗器容量調(diào)節(jié)變化時保護(hù)動作電流值還是基于恒定的額定電流會引起保護(hù)靈敏度下降、保護(hù)拒動誤動。

本文將參數(shù)識別方法應(yīng)用到電抗器保護(hù)中，利用電抗器的運(yùn)行電壓及電流實時跟蹤電抗器阻抗參數(shù)的變化，并根據(jù)電抗器阻抗參數(shù)的變化去修正電抗器保護(hù)參數(shù)，保證保護(hù)的靈敏性和可靠性。

同時為了避免在電抗器容量調(diào)節(jié)過程中頻繁修正電抗器保護(hù)參數(shù)，增加了修正保護(hù)參數(shù)的修正閾值：只有當(dāng)電抗器容量變化超過5%時，才對電抗器保護(hù)參數(shù)進(jìn)行修正；其次，為避免故障引起的電抗器阻抗參數(shù)變化對保護(hù)參數(shù)進(jìn)行的誤修改，可利用保護(hù)的啟動元件對保護(hù)參數(shù)修正邏輯進(jìn)行閉鎖，只有當(dāng)保護(hù)未啟動且電抗器容量變化達(dá)到閾值時，才對保護(hù)算法進(jìn)行修正，電抗器保護(hù)參數(shù)修正流程如圖3所示。

圖3 電抗器保護(hù)參數(shù)修正流程Fig.3 Flow chart of reactor protection parameter correction

通過增設(shè)2種修正邏輯投入門檻，可以保證修正邏輯的可靠運(yùn)行，同時不會過多增加保護(hù)裝置的計算負(fù)擔(dān)，避免電抗器運(yùn)行狀態(tài)未穩(wěn)定及故障時進(jìn)行保護(hù)參數(shù)修正引起的保護(hù)裝置運(yùn)行異常，提高了修正算法的實用性和可靠性，切實改善了磁控型并聯(lián)電抗器保護(hù)的靈敏性和可靠性，保證了對電抗器保護(hù)的高可靠性及靈敏性。

3 算例分析

以實際工程中投運(yùn)的某磁控型并聯(lián)電抗器保護(hù)裝置的保護(hù)算法為算例，對前述分析和結(jié)論進(jìn)行驗證。BKDFZT-110000／750型單相磁控式可控并聯(lián)電抗器額定容量為110.0MV·A，容量調(diào)節(jié)范圍為5.5～110.0MV·A，頻率為50Hz，網(wǎng)側(cè)繞組額定電壓為800 kV，最高運(yùn)行電壓為800 kV，網(wǎng)側(cè)繞組額定電流為238.2 A，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號（三相）為YNyn 0-yn0d11。

以A相為例，分析該電抗器主保護(hù)差動保護(hù)及后備保護(hù)動作特性，

式中：Ida為A相差流有效值；Ira為A相制動電流有效值；˙Iai為A相i側(cè)電流向量；ki為i側(cè)電流平衡系數(shù)。

比例制動曲線為2折段，如圖4所示，折線以上為動作區(qū)域，折線以下為制動區(qū)域，采用如下動作方程，

式中：Iopmin為差動啟動定值，Iopmin＝0.3Ie；Ir為制動電流有效值；Id為差動電流有效值；k1為制動曲線斜率，如圖4所示。

圖4 差動保護(hù)動作特性Fig.4 The differential protection characteristic

后備過流保護(hù)動作特性見式（2），其中常數(shù)k取1.5。

根據(jù)磁控型并聯(lián)電抗器工程實際參數(shù)及投運(yùn)保護(hù)裝置的保護(hù)算法進(jìn)行計算分析，修正容量后電抗器運(yùn)行容量在5%～100%間變化時，不同故障情況下差動保護(hù)及后備過流保護(hù)動作特性及計算分析結(jié)果見表1，故障簡化電路如圖5所示，其中R%為故障匝數(shù)百分比。

圖5 電抗器故障簡化電路Fig.5 Simplified reactor fault circuit

表1 修正容量（S n）前、后保護(hù)動作特性分析Tab.1 Characteristics analysis on protection before and after taking corrected capacity（S n）

通過表1的算例分析結(jié)果可以看出：在不進(jìn)行電抗器容量補(bǔ)償?shù)那闆r下，電抗器在小容量運(yùn)行時出現(xiàn)區(qū)內(nèi)接地故障時保護(hù)會出現(xiàn)拒動的情況，無法切除故障，這可能導(dǎo)致故障進(jìn)一步發(fā)展，損壞一次設(shè)備，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；在進(jìn)行電抗器容量補(bǔ)償后，電抗器運(yùn)行在各種容量下都不會出現(xiàn)保護(hù)拒動的情況，保護(hù)都能夠正確動作切除故障，保護(hù)一次設(shè)備的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

磁控型并聯(lián)電抗器應(yīng)用于超高壓及特高壓系統(tǒng)中，對其進(jìn)行可靠地保護(hù)尤為重要。目前工程中應(yīng)用的所有保護(hù)裝置都是采用固定容量的保護(hù)算法，在電抗器容量變化較大時，發(fā)生故障保護(hù)有可能出現(xiàn)保護(hù)拒動及誤動的情況，引發(fā)事故。

本文將參數(shù)識別原理運(yùn)用到磁控型并聯(lián)電抗器保護(hù)中，通過對電抗器阻抗參數(shù)的實時識別，確定電抗器的運(yùn)行工況，實時跟蹤電抗器容量的變化，對保護(hù)參數(shù)進(jìn)行實時修正，保證保護(hù)的靈敏性。為了保證保護(hù)的可靠性，引入了修正容量及阻抗參數(shù)計算的門檻值，保證了電抗器容量調(diào)節(jié)時阻抗參數(shù)識別的準(zhǔn)確性。

參數(shù)識別原理的引入大大改善了電抗器保護(hù)的可靠性及靈敏性，對電抗器能夠進(jìn)行更加完善的保護(hù)，保證電網(wǎng)更加可靠安全的運(yùn)行。