线路故障对SVC的影响及保护整定分析

第44卷 第504期 电测与仪表 Vol.44 No.5042007年 第12期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007线路故障对SVC的影响及保护整定分析周凯1，赵世林1，温才权2，宋永佳2，全杰雄2，吴志宇2（1. 四川大学 电气信息学院，成都 610065；2. 中国南方电网超高压输电公司梧州局，广西 梧州 543002）摘要：强直弱交的超高压电网采用SVC作动态无功补偿，可增强系统稳定性和安全性。负荷线路故障引起SVC保护误动作，会加剧系统运行工况。从几种典型线路故障特征出发，分析故障后TCR支路电流电压特征；故障期间TCR直流分量对晶闸管触发导通的影响。指出当前SVC欠电压保护的不足，提出SVC欠电压保护的整定调整方案及TCR支路故障整定的改进方向，可显著改善SVC保护可靠性。结合实际案例及仿真验证，证明方法的有效性。对改善SVC保护整定具有一定意义。关键词：SVC；继电保护；接地故障；欠压保护中图分类号：TM933 文献标识码：B 文章编号：1001-1390（2015）00-0000-00The study on low voltage protection of SVCThe analysis of line fault effect on SVC and protection setting ZHOUhou Kai1, Zhao Shi-lin1, Wen Cai-quan2, Song Yong-jia2, Quan Jie-xiong2, Wu Zhi-yu2(1 .School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065,China.; 2. Wuzhou Bureau,CSG EHV Power Transmission Company, Wuzhou 543002, Guangxi, China)Abstract：: SVC is used for dynamic reactive power compensation, which can significantly enhance the stability and security of the system. Load line fault caused by SVC protection malfunction, will exacerbate the operating conditions of the system. Based on the characteristics of several typical circuit faults, the TCR branch current voltage characteristic is analyzed, and the influence of the TCR DC component on the thyristor trigger conduction is analyzed during the fault period. It points out the deficiency of the current SVC under voltage protection, and puts forward the adjusting scheme of SVC under voltage protection and the improvement direction of TCR branch fault setting, which can significantly improve the reliability of SVC protection. Combined with the actual case and the simulation, the effectiveness of the method is proved to be effective in improving the SVC protection setting.Keywords：: SVC;, relay protection; , earth fault;, under voltage protection - 1 -0引 言“西电东送”交直流通道是典型的“强直弱交”输电通道1。如果直流通道单极或双极闭锁，负荷瞬间转移至交流通道，带来交流通道节点电压下降，危及系统安全稳定1。静止无功补偿器 (Static Var Compensator，SVC)作为动态无功补偿装置，可在系统电压下降时快速进行无功补偿，恢复电压，保证系统稳定，增强交流回路应对负荷突变的能力2-3。大容量SVC广泛应用，对电网运行影响变得十分重要。SVC具有强非线性，会显著增强电力系统非线性特性，使电网故障的暂态过程变得复杂4，也给SVC继电保护装置动作带来不利影响4-6。目前，国内SVC保护控制逻辑没有完善的相关标准，某些保护采用固定值，具有随意性，在输电线路发生故障时易造成误动作1。国内使用较多的晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）型SVC，当相邻线路故障，母线电压降低，SVC控制器会快速响应，在几十毫秒内增大晶闸管导通角7。不对称故障时，导致无功输出不准确；在不恰当的控制和保护定值时，会导致TCR支路跳闸。如果保护逻辑不完善，TCR跳闸后没有及时退出无源滤波器（Fixed Capacitor，FC）支路，当线路保护切除故障相后，系统电压恢复，将会导致母线电压明显升高1。由于线路故障带来TCR支路跳闸，将对系统的稳定运行带来巨大影响。SVC普遍连接在自偶变压器低压母线。当负荷线路发生不对称接地故障，低压母线电压同样发生不对称变化，引起TCR支路电压电流变化。考虑不对称短路特点、母线残余电压，分析不对称接地故障对变压器低压母线及TCR支路电流电压特征，及对TCR支路晶闸管触发导通的影响。通过对比分析线路保护与SVC控制和保护逻辑，指出线路发生不同接地故障对SVC继电保护带来的影响；结合梧州站SVC的欠电压保护误动作场景，提出避免SVC误动作的保护整定定值。通过仿真验证了以上结论。对改善SVC欠电压保护整定具有现实意义。1线路故障对TCR支路的影响为应对负荷大面积转移，保证系统安全和节点电压水平，500 kV枢纽变电站通常装设SVC进行动态无功补偿8-14。变电站、SVC典型接线如图1。主变为三绕组自耦变压器，高中低压绕组采用Y0/Y0/D接线，SVC接于35 kV母线处。图1 500kV变电站SVC接线图Fig.1 SVC wiring diagram of 500 kV substation SVC wiring diagramSVC的TCR支路，是典型的交流调压电路15。考虑TCR支路中电抗器，支路阻抗角。为简化起见，以单相支路为例进行分析,如图2。由于TCR支路的结构特点，稳态运行时，晶闸管触发角。当时刻T1导通，则电抗器电流满足式（1）：图2 单相交流调压线路Fig.2 Single phase AC voltage regulating circuit (1)利用边界条件： (2)可以解得电抗器支路电流：(3)式（3）中，为晶闸管导通角。当负荷出线发生短路，同样引起变压器低压母线电压降低。假设短路发生在时刻如图3。图3 阻感负载单相调压电路波形Fig.3 Resistance load single phase voltage regulation waveform 则U1的负半周电压幅值会下降到U2，则式（3）任然满足，而在t时刻以后，电流方程为：(4)式（3）（4）中，U1 U2。考虑TCR支路的连接方式及其阻感负荷特性如图1，在支路中会形成衰减直流环流，衰减周期与式（4）中指数相相关。直流环流大小，与短路时刻和短路后各相间电压大小相关。直流环流的存在，会引起晶闸管支路电流过零点偏移，导致正（或反）向晶闸管不能有效触发导通，导致TCR支路故障。一般SVC均装设TCR支路故障保护以及欠电压保护。2相邻线路故障分析220kV出线故障概率较高，发生短路故障时，中压母线电压下降，导致35kV母线下降。其电压下降幅度与短路点的距离与短路类型相关。2.1 单相接地短路220kV绕组采用Y0接线，当出线发生单相接地短路时，在中压母线处，故障相电压下降，非故障相电压不变。随着故障点与母线距离减小，母线故障相残余电压明显偏低，引起低压母线电压变化。在负荷出线发生单相接地短路后，在中低压母线处电压特征如图4（在220kV线路发生A相接地），35kV母线处的CA与AB相线电压会明显下降，其下降程度与故障点距离相关。a. 220kV母线相电压 b. 35kV母线线电压图4 负荷出线A单相接地故障母线电压特征Fig.4 Voltage characteristics of Lline A single-phase earth fault bus voltage characteristics2.2相间短路接地对于直接接地的输电线路发生相间短路接地时（往往由于雷击造成），在220 kV母线故障相电压急剧下降，导致高压母线点发生变化，低压母线电压下降，如图5。当220kV线路发生BC相短路接地时，中压母线故障相电压明显下降。低压母线各相的线电压均发生变化，尤其两故障相（BC相）线电压下降最为严重，引起35kV侧CA相电压显著下降。a. 220kV母线相电压 b. 35kV母线线电压图5 负荷出线B、C相接地故障母线电压特征Fig.5 Line BC earth fault bus voltage characteristics220kV线路主保护一般为纵差保护和距离保护，保护灵敏度高，考虑继电器与断路器固有动作时间，线路短路，继电保护装置会在3-5个周波（约70 ms）左右切除线路故障。考虑不对称短路引起的TCR支路的直流环流，其持续时间将会维持在整个故障期间。随着故障切除，直流环流将快速衰减。3仿真分析采用文献8, 9的500 kV梧州站主接线及其参数。分别对220 kV线路在3.4 kM和15 kM处发生A相接地以及BC相接地故障进行仿真。3.1短路电压基于文献8,9的结构，以及梧州变电站当前运行状况，对梧苍线A相故障以及梧苍线BC相故障进行仿真。仿真故障距离分别是3.4 kM和15 kM，仿真结果如表1和表2。表1 35kV母线线电压（A相接地短路，距离3.4 kM）Tab.1 35kV bus line voltage (3.4 kM) to A phase short circuit故障相UabUbcUcaA17.66 kV29.64 kV33.40 kVBC27.58 kV21.15 kV6.89 kV表2 35kV母线线电压（BC相短路接地，距离15kM）Tab.2 35kV bus voltage (BC phase short circuit to ground,15 kM)故障相UabUbcUcaA27.32 kV30.84 kV35.50 kVBC31.70 kV31.22 kV18.73 kV表1仿真数据显示，当线路发生近端A相大接地短路时，35 kV母线AB和BC线电压分别下降到17.66 kV和29.64 kV。如果发生B、C相短路接地，则AB、BC和CA的线电压分别下降到27.58 kV、21.15 kV和6.89 kV。表明，当近端发生不对称接地故障时，35 kV侧故障相间电压下降最为剧烈。表2显示，当线路在中等距离处单相接地短路时，低压母线电压分别为：27.32 kV，30.84 kV和35.50 kV。发生BC相短路接地时，低压母线电压为：31.70 kV,31.22kV和18.73 kV。在发生相间短路接地时，故障相的线电压同样急剧下降。仿真结果验证了前文分析。3.2TCR支路电流当220kV出线3.4 kM 处发生A与BC相接地，故障发生在5.20 s，于5.282 s故障切除。TCR各支路电流（p.u.）如图6，7。图6 A相接地，AB支路电流Fig.6 A phase faultgrouding fault, AB branch current从图6，7仿真结果可知，当负荷出线发生近端不对称接地短路时，极端情况下（短路合闸角接近0度），TCR支路出现较大的衰减直流分量，导致电流过零点偏移，A相接地时，在故障切除以前，AB支路电流没有过零点，正向晶闸管始终无法导通。当发生BC相短路时，AB支路电流也存在过零点的偏移，必须加大触发角以保证晶闸管的双向导通。图7 BC相接地，AB支路电流Fig.7 BC phase grounding fault, AB branch current同样条件故障发生在5.205 s（短路合闸角约为90度），TCR各支路电流如图8, 9。图8 A相接地，AB支路电流Fig.8 A phase grounding fault, AB branch current图9 BC相接地，BC支路电流Fig.9 BC phase grounding fault, AB branch current在图8中，三条TCR支路均无明显的直流环流，电流过零点无明显偏移，三条支路在SVC低压控制逻辑下，可有效导通，仅无功输出不平衡。如图9，则在BC和CA支路存在较大的直流环流，其短路电流特征与图6相似。仿真结果显示，短路时间与短路距离的不同，不可避免地在TCR支路中存在较大的直流环流，如果出现图6，图9的短路情况，SVC的低压控制逻辑（加大导通角）也不全能保证晶闸管的可靠导通。4控制和保护策略4.1梧州站SVC电压控制逻辑按照SVC电压常规控制方式，当系统电压跌落时，SVC控制器快速响应，会在几十毫秒内将TCR晶闸管导通角从110调整到165。如果发生的是永久性故障，随着故障持续，控制器会切除TCR支路，以满足系统电压恢复的要求7。如果发生瞬时性故障，当故障被切除和自动重合闸成功引起电压恢复，此时SVC输出大量无功，会导致系统电压快速升高，一般会辅以低电压控制模式。当系统电压因故障跌落（U0.7 p.u）持续一段时间后(0-l s)，低电压策略取消。SVC根据系统不同的电压改变到其他控制状态。4.2梧州站SVC保护逻辑表3 梧州SVC保护逻辑(部分)Tab.3 Wuzhou SVC protection logic (part)HMI跳闸逻辑判断逻辑定值TCR节点信号异常全部跳闸120msTCR支路故障TCR跳闸,120ms35kV侧过压全部跳闸41kV35kV侧欠压全部跳闸17.5kV0.1s如表3，梧州站SVC低电压保护定值为：启动电压17.5kV，动作时间0.1s，SVC全部退出。当相邻线路发生故障，随着母线电压降低，SVC控制保护系统欠电压保护，依据阀组和击穿检测整定数据，同步板检测输入的同步信号并生成可靠的同步方波信号，从而确定的运行保护数值，主要考虑在35kV母线电压过低，时间持续较长时，系统内部控制及触发功能将造成较大偏差，从而影响SVC系统向系统的无功输出的准确性，因此厂家在内部固化设置了欠电压保护功能。4.3事故分析2011年6月25日20时51分57秒，220 kV梧苍线发生B相瞬时接地故障（保护测距故障点距梧州站2公里左右，为雷电活动频繁天气，根据雷电定位系统分析，线路故障原因为雷击），故障在70 ms左右后切除，与此同时SVC设备发生欠压保护动作跳闸。SVC监控系统报警并显示“35kV侧欠压：AB”，SVC装置4组滤波电容器组开关及TCR电抗器开关全部处于分闸位置，SVC设备退出运行。故障录波显示，在故障发生后的70 ms左右，35 kV侧Uab大约为55%（19.26 kV）。考虑故障后谐波影响及工程测量误差，导致SVC低电压保护动作。4.4控制和保护调整基于前文分析、仿真和对事故的分析，以及考虑低电压辅助控制模式，对梧州站SVC的低电压保护整定需进行调整，避免误动和拒动。（1）调整低电压辅助控制延时。将辅助低电压启动延时（tc）与故障时TCR导通角增加的“爬坡”率进行配合，保证其在“爬坡”完成前启动，tc调整为0-40 ms，加速辅助低电压控制模式启动。（2）将低电压保护电压限值进行更改，确认阀组和击穿检测整定数据工作正常，并且尽量减小保护定值。根据上述原则，考虑近端单相接地短路可能引起的最低电压，以及考虑相间短路接地时，短路点的分布于不同地点，将欠电压保护的电压限值更改为10kV。（3）在辅助低电压控制的前提下，将欠电压保护动作时间应与低电压控制时间进行配合。式中td为低电压保护动作时间；tc为低电压控制启动时间；为保护延时，考虑到常规不对称短路故障在100200ms内均能够消除，故保护延时可取120ms。（4）由于现有TCR支路故障和TCR节点信号异常故障在多次线路故障中没有动作，基于前文分析，考虑到线路故障切除时间均能保证在120 ms之内，对以上两项保护可不做调整。5结束语SVC已在超高压输电通道广泛应用，其优良的动态无功补偿能力可以显著提高负荷突然变化时的系统性能，增强稳定性，但SVC保护整定的不完备，也导致当变电站出线故障时不恰当的误动作。反而对于改善系统的运行特性带来不良影响。通过对变电站出线线路瞬时性故障的特征及其对TCR支路电流的影响分析、仿真验证及结合梧州500 kV站故障实例分析，提出了SVC低电压保护的整定方法及定值，可以有效避免出线故障引起的SVC误动，提高SVC在线路故障时的运行可靠性，改善系统无功补偿能力。在故障期间，极端情况下，TCR支路存在正向（或反向）晶闸管不能导通的情况，会加剧TCR支路和SVC的运行工况，对其保护的改善需加强后续研究。参 考 文 献1 全杰雄, 温才权, 陆彦伯. 500 kV梧州变SVC跳闸逻辑分析与改进J. 电力电容器与无功补偿, 2014, 35(5): 30-34. 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