可控串补(TCSC)本体保护原理、配置及实现研究.doc

可控串补（TCSC）本体保护原理、配置及实现研究
胡玉峰，尹项根，陈德树，张　哲
（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北　武汉430074）
    摘  要：以可控串补本体保护为研究对象，在介绍其基本故障类型与故障形式的基础上，分析了其保护的基本配置与构成，详细说明了各保护模块的基本原理与实现方法，同时阐述了各保护的功能及其作用，以期对该领域的研究提供一个较全面的参考。
    关键词：不平衡保护；过载保护；高温保护；能量保护；电容器放电保护；平台闪络保护；三相不一致保护

1　引言
　　可控串补的实际运用，为继电保护领域提供了一个新的研究方向：如何配置与提供完整而有效的继电保护系统，以保证可控串补的安全可靠运行。与传统电力系统设备相比较，可控串补设备的组件类型较多，不仅涉及传统的电力元器件，还包括新型的电力电子设备，同时各组件在保护原理与实现技术上也与传统继电保护有一定差别。可以说，整个的可控串补保护是随电力系统发展而产生的一个新型元件保护分支。本文以此为对象，对可控串补保护进行系统研究。探讨其基本配置、相关原理以及实现方法的具体问题。
2　TCSC本体故障的基本类型
    任何一个继电保护系统的构成，都是在充分分

析被保护对象可能出现的各种故障与异常工况的基础上，从保证可靠性、灵敏性、选择性几个方面的要求出发而构成。因而，在配置TCSC本体保护系统之前，有必要对可控串补系统可能出现的各种故障作出分析。
　　图1是TCSC本体的单相结构图，其保护及控制所用的传感器在图中也表示了出来（电容电压VC是通过与电容器并联的大电阻R来测量的）。从图中可以看到，TCSC本体电路主要包括串补电容器组、可控硅电感支路（TCR）、氧化锌避雷器MOA与旁路断路器BPS。在这些组件中，串补电容器组与TCR支路是TCSC本体的核心部件，为系统提供可调节的补偿度。氧化锌MOA、TCR支路以及旁路断路器BPS作为TCSC的保护环节，主要为电容器提供过电压保护和为氧化锌提供能量与温度保护。
　　从TCSC的本体电路以及考虑实际运行工况的角度来看，其可能出现的故障与异常情况主要包括以下几部分：
　　①TCSC本体元件故障。主要有：串补电容器组内部电容器被击穿、氧化锌MOA被破坏、可控硅元件被破坏、绝缘平台绝缘度下降、旁路断路器BPS故障以及隔离开关故障等。
　　②TCSC异常运行情况。主要指由外部系统故障以及异常运行导致的非正常运行。包括：电容器组过载（过电压或过电流）、MOA能量越限或温度越限、MOA过负荷等。
　　从以上的基本故障类型来看，TCSC本体故障涉及的范围较广、元件的类型较多，因而决定了其继电保护系统的多样性与复杂性。
3　TCSC本体继电保护系统的基本配置及其原理［1，2］
　　针对上述TCSC的基本故障类型与异常运行工况其继电保护系统一般采用以下配置：　　①电容器组保护，主要包括：电容器不平衡保护（差动保护）、电容器过载保护及其自动重投功能、电容器放电功能。
　　②MOA保护，主要包括：MOA能量保护、MOA温度保护、MOA能量梯度保护、MOA过流保护以及相应的电容器自动重投功能。
　　③晶闸管元件保护，主要包括电力电子元件保护以及触发回路监视功能。
　　④其它设备保护与监测，主要有：平台闪络保护、断路器失灵保护、三相位置不一致保护以及电容器放电等功能。
3．1　电容器保护
　　TCSC系统的电容器保护主要为电容器不平衡保护与电容器过载保护。前者主要针对电容器单元内部故障而设置，后者则主要是在电力系统发生过负荷运行等异常情况下为TCSC提供保护。下面简要介绍一下两种保护的原理。
3．1．1　电容器不平衡保护
　　TCSC串联电容器组的连接，一般采用H型的桥式连接方式（如图1所示），各桥臂由若干电容器组单元构成，其单元电容器组的内部结构通常如图2所示。

　　当单元电容器组内部电容器元件因过电压而击穿或熔丝熔断时，该电容器元件即退出运行，从而使得电容器组单元等值电容减小。这种减小，将造成流过该单元的电流增加，电压升高，对非故障电容器元件造成不利影响，甚至导致恶性循环。为此，必须设置相应的保护措施，避免这种现象的发生。
    常用的保护方法是电容器不平衡保护，它是通过测量电容器组桥臂中点连接支路的电流（不平衡电流）的大小，来判断与衡量单元电容器组内部电容器元件的运行情况。当单元电容器组内部完好无缺时，在不考虑电容器元件参数差异、测量系统误差时，其中心连接支路上的不平衡电流的理论值应该为0。当内部有电容器元件退出运行时，桥臂平衡被破坏，不平衡电流随之出现，且这种不平衡电流将随内部电容器元件损坏的个数，即不平衡度的增加而加大，表1是一组典型的工程数据。

　　实际运用中，考虑到电容器元件参数的差异、测量系统的误差，在正常情况下，中心点连接支路也存在一定的不平衡电流。且这种电流将随外部线路电流的增大而呈现出非线性增大的规律。因而，为构成灵敏的差动（不平衡）保护，一般采用比率差动构成串补的不平衡电流保护。即计算不平衡电流与线路电流的比值，以此作为衡量保护的动作量。通常，将该保护设定为三段，依次为报警段、低值旁路段与高值旁路段。各段的电流定值依次递增而延时定值依次递减。其中高值旁路可定义为与外部线路电流大小无关，各关系曲线见图3所示。

　　从图3中可以看出，对于不平衡保护的报警与低值旁路段，采用了比率判别，对于高值旁路，则直接采用不平衡电流作动作量。这种模式既保证了轻微故障时较高的灵敏度，又可保证在严重故障条件下计算的简易性与动作的速动性，同时还可避免因为外部故障电流过大而降低不平衡电流与线路电流的比值，造成不利影响。
　　另一方面，由于报警段与低值旁路段采用比值作为动作量，在实现时需要考虑靠近零值时的不确定因素。尤其在微机保护中，需要避免出现“0＞0”的现象而造成保护误动。为此，一般需要增设一个线路电流阀值，只有当线路电流超过该阀值时才投入保护功能。
3．1．2　电容器过载保护
　　系统运行过程中，由于负荷波动、故障的产生、双回线中一回线路的退出等原因，可能导致串补电容器出现过负荷（过流）现象。电容器在过负荷情况下运行，容易造成绝缘老化、介质角损失等现象。不利于电容器的安全运行，需要增设相应的保护措施加以避免。
　　电力电容器的过负荷运行能力，IEC与IEEE都有相应的标准。以下是IEC60143给出的数据：连续工作1．0 p．u8 h过负荷能力1．1 p．u；30 min过负荷能力1．35 p．u；10 min过负荷能力1．5 p．u。
　　根据此标准提供的数据，对于电容器过载现象，常采用反时限过流保护。当电容器电流超过1．1p．u时，反时限的过负荷保护开始计算，其计算可采用以下积分公式：

其中，neq为t时刻等值过载倍数，nOL（t）为t时刻的实际过载倍数，其计算公式为
IC（t）为t时刻电容器电流，ICN为电容器额定电流。通过公式（1）计算出来的等值过载倍数，不仅考虑了当前的实际过载倍数，还考虑了前面的累积效应，由此通过查表或插值法得到反时限的时间值，能够比较客观地反映出电容器在波动负荷条件下的耐受能力。因此，只需要通过设置相应的计时器，当累计时间超过上述查表或插值得到的时间值，保护则动作，使电容器退出运行。若在保护动作前，电容器电流恢复到1．05 p．u以下或旁路断路器由于其它保护模块动作而使电容器退出，则将以上的等值过载倍数neq清零。
3．2　氧化锌避雷器（MOA）保护
　　氧化锌避雷器元件是TCSC过电压保护的重要元件，当TCSC所在系统发生故障时，数倍于负载电流的短路电流将流过串联在线路中的电容器，为避免这种情况下电容器的过电压损坏，通常的串补工程中，都依靠氧化锌避雷器来实现高速的限压保护，利用其非线性电压—电流特性将电容器两端电压限制在保护范围之内。
　　系统发生故障时，由于MOA的非线性电阻特性，使得故障期间的短路电流主要从MOA上流过，此时，MOA需要吸收巨大的短路容量，造成自身的温度升高。MOA所能承受的短路能量注入与温度是有一定限度的，当超过该限度时，可能导致MOA的爆炸，必须采取措施加以保护。
3．2．1　MOA高温保护
　　MOA高温保护是通过计算MOA中的电流，包括泄漏电流，并利用MOA的热模型来连续计算避雷器的温度，当温度超过定值时，则旁路TCSC装置。
　　热模型是MOA高温保护的关键环节，它主要用于通过测量MOA的电流（功率）来计算避雷器的绝对温度。其具体数学模型中包括了3组与装置内部的热电阻和热能量有关的参数：氧化锌避雷器模块、机架、传导及辐射媒介。
　　氧化锌避雷器一般为多柱并联而成，每柱上又包括若干串联的阀片。因此，需要通过流入MOA的总电流来计算每个阀片上的电流。此时，上述的氧化锌避雷器模块数是计算所需的参数。
　　机架的结构与材料是决定MOV本体热电阻参数的重要因素，其主要影响热模型中MOV柱、MOV柱与瓷套内壁间以及紧固件、连接件的热阻参数。
　　传导与辐射媒介主要用于考虑热损失，热模型一般将其用一个可变的介质热电阻代替。当机架与周围空气（或其它传导与辐射介质）的温差增大时，则介质热电阻降低，热损失过程加快。
　　综合考虑以上因素，可给出串补用MOA的等效热电路，即热模型，并根据MOA所输入的电流来计算出对应的温度值，实现MOA的高温保护。
3．2．2　MOA短时能量保护
　　MOA短时能量保护主要是针对系统故障时短时的能量注入而设定的，氧化锌避雷器在能量升高很快时，会生成温度很高的热点，即局部高温点。此时，利用温度保护较难反应这种幅值较大、时间较短的能量注入过程。为此，需设置MOA短时能量保护来消除这种异常情况的影响。
    MOA短时能量的计算，可采用瞬时功率的积分得到，其公式如下：

其中Emov为MOV的注入能量，imov（t），u mov（t）分别为MOA的瞬时电流、电压值，t1为故障启始时刻。
　　当积分所得的累计能量值超过保护设定的定值，则由保护发出Bypass命令。使MOA上累计的短路容量得到释放，同时，在相关线路保护动作之前旁路短路电流，抑制MOA上短路容量的进一步增加。
3．2．3　MOA过电流保护
　　前面所述的MOA高温保护与短时能量保护，考虑的都是一种累计效应，无法区分故障的性质，如TCSC所在线路故障（定义为区内故障）还是相邻线路故障（定义为区外故障）。这就造成MOA的上述保护的动作必须在累计效果达到预定值时才能动作。
　　若系统发生区内故障，由于TCSC所在的线路必定要被相关线路保护切除，所以可以无需等到累计效果达到预定值才旁路TCSC，而可以直接在判定为区内故障时就发旁路命令。这种做法可以大大减轻MOA的负担，延长其使用寿命。
　　MOA过电流就是为实现这种目的而设置的保护功能。它的整定值一般大于区外故障时流过MOA的最大短路电流。当故障发生时流过MOA的电流超过此定值，则必定为区内故障，此时可直接发旁路命令。
3．3　晶闸管元件保护［4］
　　晶闸管元件是TCSC整体系统的核心部件，它的保护功能也是TCSC本体保护与传统继电保护最大的区别所在。
　　实验与研究表明，晶闸管元件的损坏主要由以下三个因素造成：（1）过电压，（2）dv/dt，（3）di/dt。因而，对晶闸管元件的保护，主要是针对上述三方面通过晶闸管的外围辅助电路与相应的阀电子系统和控制策略来完成。
　　从可靠性与经济性的角度考虑，TCSC工业设备中的反并联晶闸管多数采用多个晶闸管串联再并联的方式，依据需要承受的电压等级与选用的晶闸管元件标称值并考虑一定的冗余来确定串联元件的个数。这种模式，使得单个元件所能承受的电压远小于TCSC设备的额定电压，当串联的晶闸管元件的导通不能做到完全同步，或某些晶闸管元件的触发系统发生故障时，就造成晶闸管元件过电压。在这种情况下，未导通的元件将承受远超过自身额定值的电压，使晶闸管元件被损坏。
　　常用的晶闸管元件过电压保护是采用BOD（BreakOver Diode）方案，即后备触发方案。其基本电路如图4所示：从电路图上可以看出，当阀电子系统出现故障或触发不同时，未导通的晶闸管元件将出现过电压。采用BOD方案，则可在晶闸管两端电压升高到一定的预定值时（该预定值可保证晶闸管元件的安全），由BOD导通补发一触发信号，使元件导通，避免过电压的出现。

　　BOD的动作次数与动作情况，由相应的检测系统通过数据回送光纤送到地面的监控单元，当监控系统发现串联晶闸管元件BOD持续动作的次数超过预定值，则说明该元件出现故障（故障可由元件本身或其触发系统引起），若故障元件的个数超过一定，则需要旁路TCSC。
　　图4中所示的RG、RD与CD也具备一定的过电压保护能力，其中RG为静态均压大电阻，由其保证稳态时分配到每个元件上的电压平均，避免出现电压分布不平衡带来的过电压；RD与CD一方面起阻容吸收作用，一方面作为动态均压元件，使得晶闸管元件关断时不出现过电压和大的d V/dt。
　　TCSC装置的di/dt保护主要通过TCR支路中的串联电感来完成，即图中所示的L元件。由于电感对电流突变有抑制作用，可保证通过晶闸管的电流不会出现大的突变，确保其安全。
3．4　其它保护功能
　　除上述保护功能外，TCSC本体保护一般还包括以下功能模块：
　　三相不一致保护：实时监视三个TCSC平台的旁路断路器位置与相应的隔离刀闸、接地刀闸位置，当出现三相位置不一致时开始计时，时间到达预定值则发三相旁路命令（断路器位置不一致）或报警信号（刀闸位置不一致）。
　　TCSC本体保护的许多功能模块，都允许单相旁路串补系统，并依靠自动重投功能来确保故障消除后TCSC的对称运行。这种模式对于保证系统稳定，减少TCSC保护动作对系统的冲击很有好处。但当TCSC本体元件发生故障或外部故障与异常工况持续时间较长时，自动重投功能可能失效或无法满足重投条件，系统将长期处于不对称运行，此时必须依靠三相不一致保护将三相TCSC全部旁路，保证系统的安全稳定运行。
　　三相不一致保护的动作，需要与相关线路保护密切配合，一条基本的原则是其时间必须小于线路保护零序电流动作时间。否则将导致线路保护的误动（具体情况还需要考虑串补度的大小及其可能引起的零序电流大小）。
　　断路器失灵保护：旁路断路器在接到合闸命令后预定时间到达时，若没有动作，则发合闸失灵保护信号，远跳两边的线路断路器。
　　旁路断路器在接到分闸命令后，预定时间到达时，若没有动作，则发分闸失灵保护动信号，将三相TCSC全部旁路，避免引起系统的不对称运行。
　　平台闪络保护：TCSC的本体设备一般都按相安装在绝缘平台上，平台由绝缘子支撑，与大地绝缘。各TCSC本体设备通过一个公共端与平台相连（具体见图1），并在连接支路上配置电流互感器。当绝缘平台的绝缘度下降，则绝缘子的泄漏电流增大，这种电流变化可以从平台与TCSC本体设备的连接支路上反应出来，通过监视该支路的电流大小来判断平台的绝缘好坏。
　　电容器放电功能：系统发生区内故障时，由于存在高阻接地、远端故障等可能性，因而无法保证在区内故障时TCSC的本体保护一定能够使TCSC转入Bypass模式。若在线路断路器跳开之前，串补电容一直未被旁路，则线路断路器断开之后，串补电容器中将有较大的直流残压。该直流电压可能造成以下影响：（1）故障点第二次熄弧延迟；（2）线路断路器暂
态恢复电压（TRV）升高［3］；（3）重合闸时间增长。
　　研究表明，通过放电间隙对电容器进行放电操作可以解决上述问题。为此，在TCSC本体保护功能中，配置了电容器放电功能。当线路保护发跳闸命令时，同时也发远跳信号启动TCSC旁路。TCSC本体保护在接收到远跳信号后，将根据线路断路器的操作旁路单相或三相并在线路重投成功后，重新使TCSC投入工作。
4　结束语
　　本文以可控串补本体继电保护系统为研究对象，在分析其基本故障类型的基础上，详细介绍了TCSC本体继电保护系统的基本配置、原理与实现技术，并结合实际系统的运行要求，对这些保护在实际运用中的相关问题以及与线路保护的配合中出现一些问题做出了初步的论述，期望对同行开展这个领域的研究有所借鉴。
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