超高壓輸電系統中磁可控電抗器保護配置與實現

熊 蕙，程 驍，文繼鋒，李 力，陳松林

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102)

隨著超高壓長距離輸電工程在我國的建設和發展，對連續可調的可控電抗器的需求日益迫切，相關學者正在積極進行通過可控電抗器提高特高壓電網輸電能力的研究[1]。目前超高壓可控高抗的應用主要分2個方向：分級式可控高抗和磁控式可控高抗。其中根據磁飽和原理工作的磁飽和式可控電抗器近年來得到了重視，研究表明,磁飽和式可控電抗器控制方式靈活,不僅可以平滑調節系統的無功功率、限制工頻電壓升高和潛供電流的增長，提高系統的輸電能力和穩定性、且有大幅度限制操作過電壓的功能[2]。2007年荊州換流站投運了我國首套500 kV 磁飽和式可控電抗器。

1 磁可控電抗器的工作原理

磁可控電抗器的繞組線圈主要分為交流繞組和控制繞組2個部分，交流繞組由2個獨立線圈繞組組成，同時這2個繞組上還分別繞制了控制繞組線圈。為了實現可控，在控制繞組的2個線圈注入直流電流，并且方向相反，使得2個交流繞組線圈分別工作在正方向飽和和反方向飽和狀態，如圖1、圖2 所示。左側的正向飽和繞組在正向電壓的激勵情況下，阻抗很小，使得電流主要從左側的正向飽和繞組中流過；同樣右側的反向飽和繞組在反向電壓的激勵情況下，阻抗很小，使得電流主要從右側的反向飽和繞組中流過。因此2個交流繞組將分別流過正半周波和負半周波電流，而通過調節控制繞組中直流電流的大小就可以改變鐵心的磁飽和度，從而影響到通過交流繞組線圈的電流大小，達到調節電抗器容量的目的[3-5]。

理論分析磁可控電抗器正常運行過程中2個交流繞組的電流波形以及總電流波形如圖3 所示。

由于鐵心的飽和特性，實際可控電抗器2個分支的電流中不可避免會出現諧波分量，可控電抗實際運行時的電流波形如圖4 所示。

圖1 可控電抗器交流繞組單相接線示意圖

圖2 可控電抗器控制回路接線示意圖

圖3 理想情況下的磁可控電抗器波形

2 可控電抗器的保護原理及配置

2.1 可控電抗器的運行方式及其影響

圖4 實際的磁可控電抗器波形

（1）由于可控電抗器負荷電流會發生較大的幅度變化（在可控容量從5%至120%動態調節時），導致以電抗器額定電流為基準的差動保護在不同工況下的靈敏度相差很遠，甚至出現不能滿足差動保護需要的情況，所以必須對可控電抗器的差動保護進行相應研究，以保證差動保護的靈敏度和可靠性。

（2）由于電力電子技術的引入，可控電抗器的匝間故障特征與普通電抗器截然不同，在正常運行情況下磁可控電抗的2個繞組分別流過正負半個周波電流，發生匝間故障時流過可控電抗的故障電流將為半波電流，如何在這種故障特征情況下可靠的切除故障，也是電抗器保護原理中一個全新的研究課題。

（3）由于控制繞組線圈中流過直流電流，該電氣量不能被傳統的繼電保護裝置所采集，在控制繞組線圈發生故障時，可控電抗的交流側繞組差動保護的靈敏度較低，如何能夠在此時快速切除故障，也是電抗器保護中前所未有的難題。

2.2 磁可控電抗器的保護配置

2.2.1 差動保護

磁可控電抗器的差動保護同樣基于電流的基爾霍夫定律：其高端電流和低端電流之和在內部無故障情況下為0，但是由于受到控制繞組直流電流及左右分支繞組磁飽和的影響，可控電抗器額定電流會在較大的范圍內發生變化。不同的額定電流情況下，如果采用固定的啟動定值將使差動保護的靈敏度在不同工況下靈敏度發生較大的變化。

保護裝置中設有電流跟蹤元件，實時的跟蹤可控電抗器電流的變化，并自適應的調整裝置中的差動保護基準電流，可以使差動保護的靈敏度不受可控電抗運行工況的影響。由于磁可控電抗器的短路阻抗比較大，在內部發生接地故障后電流一般變化不大，尤其是經過渡電阻接地時，差電流很小，這就要求差動保護有很高的靈敏度來檢測這些故障。為了提高差動保護靈敏度，采用可控電抗的低端電流作為差動保護的制動電流，在區外故障時保證了較大的制動量，而在區內故障時，它會不同程度的減小，金屬性接地時更是會降為零，保證了區內故障的快速切除。

2.2.2 匝間保護

由于左右2個分支的飽和作用，2個分支中分別流過半個周波的電流，在發生輕微匝間故障時，只有一個分支的電流會表現出故障特征，另一個分支電流基本不變，使得可控電抗的匝間故障表現出較為獨特的故障特征，因此傳統的零序功率方向原理的匝間保護不適用于磁可控電抗器。從磁可控電抗的特殊接線方式可設計出一種獨特的匝間保護方案。如果把左側分支與移相180°的右側分支波形進行差動計算，在正常運行情況下，2個波形基本相同；發生匝間故障之后，由于故障分支電流出現變化，導致了其與另外一個分支的電流對比出現差異，因此可以設計基于差動保護原理的磁可控電抗器匝間保護。其動作方程如下：

式（1）中：I2和I3為交流側左右2個分支的電流（I3已經移相180°）；Icdqd為匝間保護起動定值；Kb為匝間保護制動系數。

由于磁可控電抗器的匝間保護是一種平衡差動保護，而不是真正意義上的基于電流基爾霍夫定律的差動保護，所以需要充分考慮各種可能導致可控電抗2個分支電流可能出現不對稱的情況。例如在磁可控電抗器在磁飽和情況下交流勵磁的過程中，其電流的波形如圖5 所示。

圖5 控制過程中的交流繞組電流波形

在整個電抗器上電過程中，磁可控電抗器的電流存在一段較長時間的偏置，導致左右2個分支電流不可能滿足平衡差動保護原理，需要在此類情況下對匝間差動保護采取相關制動措施來防止保護誤動。在可控電抗器的控制系統調節過程中，交流側2個分支電流都會出現短時的不平衡狀態，這些情況同樣需要匝間差動保護進行相應的處理。在動模實驗室物理模型上模擬可控電抗器交流側繞組發生匝間故障時，2個并聯繞組電流波形如圖6 所示。故障分支電流發生了較小的變化，非故障分支電流基本不發生變化。

圖6 交流繞組匝間故障波形

2.2.3 差電壓保護

控制繞組線圈中主要流過了控制系統輸出的直流勵磁電流，并且在控制繞組發生匝間故障的情況下，交流側繞組的匝間差動保護的靈敏度很低，需要為控制繞組的匝間故障配置專用的保護。即使在磁飽和情況下，控制繞組兩側的電壓依然包含了交流繞組感應過來的工頻交流電壓，在穩定工作情況下，控制繞組的2個分支上的工頻電壓也是平衡的，且可以和交流繞組的匝間差動保護一樣，設置控制繞組的差電壓保護。在動模實驗室物理模型上模擬磁可控電抗器控制繞組發生匝間故障后，2個控制繞組分支上的電壓波形如圖7 所示。故障分支電壓由于匝間故障的存在而有一定的減小，非故障分支電壓基本不發生變化。

控制繞組的2個線圈和交流側繞組線圈相互耦合，正常運行情況下，交流側2個支路電壓平衡，控制繞組2個分支電壓也是平衡的，如果控制繞組中發生接地、相間故障或匝間故障，控制繞組2個分支上的電壓將出現差異，根據這個原理可以在控制繞組側配置電壓差動保護。保護動作方程：

圖7 控制繞組匝間故障波形

式（2）中：U2和U3為控制繞組2個分支電壓；Ucdqd為控制繞組平衡差動保護啟動定值；Kb為平衡差動保護制動系數。

2.2.4 后備保護

可控電抗器配置了過流保護作為內部相間故障及控制繞組側旁路斷路器位置異常的后備保護；配置零序過電流保護作為可控電抗器內部接地短路故障和匝間短路故障的后備保護；設置了過負荷報警功能來反映電抗器的過熱狀態。為了防止系統不對稱運行或故障情況下在控制繞組側產生較大的零序電壓可能造成閥的損壞，增加了與閥并聯的間隙，間隙保護監測間隙擊穿后流過的交流電流，對閥形成保護。

2.2.5 動模試驗與現場運行

在動模380 V 物理模型上，2007年6 月進行了磁可控電抗器各種工況與故障情況下的動模試驗，包括正常運行不同勵磁情況下發生區內接地故障、交流繞組匝間故障、控制繞組匝間故障以及空投到接地故障、匝間故障，其保護均可靠動作，保護最小可以檢測1%的接地故障，1%交流繞組匝間故障和4%控制繞組匝間故障，并在各種區外故障，例如線路跳開，重合等各種過程不誤動作。2007年10 月在經過現場調試以及區外人工故障驗證后，我國首套500 kV 磁可控電抗器湖北在荊州換流站順利投入運行。

3 結束語

本文分析了磁可控電抗器的基本工作原理，分析了其特殊結構對保護的影響，介紹了其保護原理及配置，提出了自動跟蹤電流的差動保護、基于差動原理的匝間保護和控制繞組差電壓保護原理。目前，應用上述保護原理的可控電抗器保護裝置已在荊州換流站可靠運行超過5年。

[1]董 宸，周 霞，李 威，等.提高特高壓電網輸電能力的方法[J].江蘇電機工程，2013，32(5)：1-4.

[2]陳維賢，陳 禾.并聯電抗器的可控調節[J].高電壓技術，2000，26(5)：11-13.

[3]田銘興，勵慶孚.磁飽和式和變壓器式可控并聯電抗器[J].高電壓技術，2003，29(7)：26-27.

[4]田銘興，勵慶孚.磁飽和式可控電抗器的等效電路及仿真分析[J].電工技術學報，2003，18(6)：64-67.

[5]田銘興，勵慶孚，劉曙鴻.磁飽和式可控電抗器的等效物理模型及其數學模型[J].電工技術學報，2002，17(4)：18-21.

[6]屠黎明，蘇 毅.微機可控高壓并聯電抗器保護的研制[J].電力系統自動化，2007，31(24)：94-98.