CN103701096A - 一种tct式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。测量高压侧零序电压U₀并与整定值U_0set比较；测量TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)，求其相量；计算TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流中3次谐波正序分量I₃₊(α)；当U₀＜U_0set且I₃₊(α)＞I_3set时判定为匝间故障，输出跳闸信号；二者条件有任意一条不满足时保护不动作。本发明利用TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间故障时三角形联结绕组线电流中3次谐波正序分量含量与正常运行时的区别，一方面有效解决了传统零序功率方向保护灵敏度不足的问题，另一方面只需测量三角形联结绕组角外的线电流，不涉及三相一体结构角内电流无法测量的问题，对于TCT式可控高抗的保护配置具有工程实际意义。

Description

一种TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护方法

技术领域

本发明涉及一种TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

晶闸管控制变压器式可控高抗（简称：TCT式可控高抗）作为可控高压并联电抗器家族的重要成员，具有响应速度快、过负荷能力强、容量大范围连续可调等优点，既可作为线路高抗解决无功补偿和过电压抑制间的矛盾，又可作为母线高抗控制系统无功电压。其兼具分级式可控高抗响应速度快和磁控式可控高抗容量大范围平滑可调的优点，在我国风电大规模集中接入的超/特高压交流输电系统中应用前景广阔。

目前国内外有工程投运经验的TCT式可控高抗三相结构如图1所示，图1是三相TCT式可控高抗结构示意图，其每相结构包括高压绕组和低压绕组，高压绕组三相接成星形，中性点直接接地或经小电抗接地；低压绕组三相采用三角形联结，引出线接晶闸管阀支路，三相晶闸管阀支路也接成三角形。TCT式可控高抗正常运行时，通过改变三角形联结绕组所连接的晶闸管阀的导通角以改变低压侧绕组的等效电抗进而调节可控高抗的工作容量。

TCT式可控高抗和传统的晶闸管控制电抗器（TCR）有所不同，TCR在晶闸管阀支路两端接有负载电抗，其晶闸管的导通控制范围为90°～180°；TCT式可控高抗晶闸管阀支路不连接负载电抗，而是以其本体漏抗用作负载，故一般TCT式可控高抗的本体都采用高漏抗结构，其晶闸管的导通控制范围为120°～165°。

匝间保护一直以来是TCT式可控高抗保护配置的难点，尤其是针对三角形联结绕组的匝间故障。传统的可控高抗匝间保护方案往往采用高压侧零序功率方向保护，然而对于TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间故障，故障产生的零序电流在三角形联结绕组内形成环流，不会流经高压侧，造成高压侧的零序功率方向保护灵敏度不足。具体来说，以35kV电压等级可控高抗为例，如图2所示，图2是TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间故障时高压侧测量到的零序电流波形图，TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间故障时（故障时段为8s-8.2s），高压侧测量到的零序电流为10^-1A数量级，远小于零序功率方向保护的启动值，保护拒动。另外文献（A Working Group of Substation Protection Subcommitteeof the IEEE Power Relaying Committee.Static var compensator protection[J].IEEE Trans on Power Delivery,1995，10(3):1224-1233.）提出了三角形联结绕组角内基波平衡电流保护，但该方法需要测量TCT式可控高抗三角形联结绕组的角内电流，而实际工程中110kV以下电压等级的可控高抗采用的是三相一体结构，无法在三角形联结绕组角内设置电流互感器，限制了该方法的应用。

综上所述，有必要寻求一种针对TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间故障的有效且适用于工程应用的匝间保护新方法。

发明内容

本发明针对上述TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间保护灵敏度不足的问题，利用匝间故障与非故障情况下TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流中3次谐波正序分量有效值的差别，公开了一种TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护方法，有效克服了传统零序功率方向保护方案在TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间故障时灵敏度不足的问题。本发明通过计算TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流中3次谐波电流正序分量的有效值，将其与保护整定值进行比较，并配合零序电压启动元件，使保护能够有效地动作于匝间短路故障，且保证区外故障时保护不动作，首次将3次谐波电流的正序分量应用于TCT式可控高抗的匝间保护领域。

当TCT式可控高抗晶闸管阀的触发角为120°时，每个晶闸管导通180°，此时TCT式可控高抗三角形联结绕组角外线电流为连续的正弦波，这是满容量时的理想情况，而当触发角被控制在120°～165°之间时，电流波形发生畸变，不再是标准正弦波，但仍然对称分布于正、负半波，此时三角形联结绕组角外线电流中存在奇次谐波分量，可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_A\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{Ak}}\cos \mathrm{n\ωt}\\ i_B\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{Bk}}\cos n(\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ i_C\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{Ck}}\cos n(\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.,\left(1\right)$

式中,n=2k+1,k=1,2,3…，a_Ak,a_Bk,a_Ck分别为各相k次谐波电流幅值。

对于3次谐波电流，同样可以像基波电流一样映射到频域里形成相量，只是其旋转角频率为基波相量的3倍。将（1）式中3次谐波分量写成相量的形式，有：

式中，α为晶闸管阀的触发角，表明电流的幅值是触发角的函数

在三相电路中，任意一组不对称的三相量都可以分解为三组三相对称的分量，分别为正序、负序和零序分量。计算TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流3次谐波的正序分量得：

${\stackrel{\·}{I}}_{3+}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\β}& {\mathrm{\β}}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{3A}\left(\mathrm{\α}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{3B}\left(\mathrm{\α}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{3C}\left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right],\left(3\right)$

式中，β＝e^j120°，分别为TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流3次谐波相量。

TCT式可控高抗正常运行时，式（2）中a_AK＝a_BK＝a_CK，此时3个相量幅值相等，相位相同，由式（3）计算得

即在正常运行时，对称分量法计算TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流中不含3次谐波正序分量。当TCT式可控高抗三角形联结绕组发生匝间故障时，绕组参数3相不再对称，相当于接入不对称负载，此时a_Ak≠a_Bk≠a_Ck，此时由式（3）计算得

即三角形联结绕组匝间故障时线电流中将出现3次谐波正序分量。

综上分析，TCT式可控高抗正常运行时，三角形联结绕组线电流中不含3次谐波正序分量，而三角形联结绕组匝间故障时线电流中含有3次谐波正序分量，据此提出带零序电压启动的基于3次谐波电流正序分量匝间保护方案。

为了保证区外故障时保护可靠不动作，增加零序电压启动元件，零序电压U₀取自高压侧PT，将U₀与零序电压整定值U_0set比较，将比较结果和3次谐波电流正序分量的比较结果相与后经延时输出跳闸信号，其逻辑框图如附图3所示（图3是适用于TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护新方案原理图。），当U₀＜U_0set且I₃₊(α)＞I_3set时匝间保护才动作。区外故障时，高压侧测零序电压较大，通过零序电压启动元件将匝间保护闭锁，保证区外故障时保护可靠不动作。

本发明的技术方案是，

一种TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护方法，该方法包括以下步骤：

1）测量高压侧零序电压U₀并将测量结果与整定值U_0set比较；

2）测量TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)；

3）滤出i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)中3次谐波分量并求取其相量

4）由公式（3）计算TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流中的3次谐波正序分量；所述公式（3）为：

${\stackrel{\·}{I}}_{3+}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\β}& {\mathrm{\β}}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{3A}\left(\mathrm{\α}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{3B}\left(\mathrm{\α}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{3C}\left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right],\left(3\right)$

式中，β＝e^j120°，

分别为TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流3次谐波相量；

5）计算

的有效值I₃₊(α)并将其与保护整定值I_3set比较，结合第1）步零序电压的比较结果，当U₀＜U_0set且I₃₊(α)＞I_3set时判定为匝间故障，输出跳闸信号；二者条件有任意一条不满足时保护不动作。

本发明的有益效果为：本发明利用TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间故障时三角形联结绕组线电流中3次谐波正序分量含量与正常运行时的区别，提出的基于3次谐波电流正序分量的匝间保护方法，一方面有效解决了传统零序功率方向保护应用于TCT式可控高抗三角形联结绕组灵敏度不足的问题，另一方面只需测量三角形联结绕组角外的线电流，不涉及三相一体结构角内电流无法测量的问题，工程上适用范围广。通过在保护装置中增加零序电压启动元件区分内部绕组的匝间故障和区外故障，保证保护在区外故障时不误动。因此本发明对于TCT式可控高抗的保护配置具有工程实际意义。

附图说明

图1是三相TCT式可控高抗结构示意图。

图2是TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间故障时高压侧测量到的零序电流波形图。

图3是适用于TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护新方案原理图。

图4是不同触发角下TCT式可控高抗三角形联结绕组发生10%匝间故障时，三角形联结绕组线电流中的3次谐波正序分量的有效值计算结果和保护整定值的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护方法，包括以下步骤：

1）测量高压侧零序电压U₀并将测量结果与整定值U_0set比较；

2）测量TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)；

3）滤出i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)中3次谐波分量并求取其相量

4）由式（3）计算TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流中的3次谐波正序分量；

5）计算I

的有效值I₃₊(α)并将其与保护整定值I_3set比较，结合第1）步零序电压的比较结果，当U₀＜U_0set且I₃₊(α)＞I_3set时判定为匝间故障，输出跳闸信号；二者条件有任意一条不满足时保护不动作。

[实施例]

针对额定电压35kV，额定电流490A的TCT式可控高抗在不同触发角（即不同的工作容量）下发生三角形联结绕组10%匝间故障，采用新方法对匝间故障进行判别：

1）首先测量出高压侧零序电压U₀＝0.016V，将其与零序电压整定值U_0set比较，一般取U_0set＝50V，有U₀＜U_0set。

2）再用电流互感器测量TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流，

3）滤出三次谐波电流并求取电流相量，

4）然后按（3）式计算出TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流中的3次谐波正序分量的有效值，

5）不同触发角下的计算结果如图4所示，图4是不同触发角下TCT式可控高抗三角形联结绕组发生10%匝间故障时，三角形联结绕组线电流中的3次谐波正序分量的有效值计算结果和保护整定值的对比图，保护整定值按照躲过系统参数不平衡或设备制造误差引起的最大3次谐波正序分量整定，这里设置为3.7A。从图中可以看出，所有可能的触发角范围内，均满足I₃₊(α)＞I_3set条件，又因为满足U₀＜U_0set，保护动作，即TCT式可控高抗在不同触发角（即不同的工作容量）下发生三角形联结绕组10%匝间故障使保护元件均能可靠动作。

如上所述，本发明能够有效地动作于TCT式可控高抗三角形联结绕组匝间短路故障，克服了传统保护方案应用于TCT式可控高抗三角形联结绕组灵敏度不足的问题，同时只需测量三角形联结绕组角外的线电流，不涉及三相一体结构角内电流无法测量的问题，工程上适用范围广。

Claims (1)

1.一种TCT式可控高抗三角形联结绕组的匝间保护方法，其特征在于，该方法包括步骤：

1）测量高压侧零序电压U₀并将测量结果与整定值U_0set比较；

2）测量TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)；

3）滤出i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)中3次谐波分量并求取其相量

4）由公式（3）计算TCT式可控高抗三角形联结绕组线电流中的3次谐波正序分量；

所述公式（3）为：

${\stackrel{\·}{I}}_{3+}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\β}& {\mathrm{\β}}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{3A}\left(\mathrm{\α}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{3B}\left(\mathrm{\α}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{3C}\left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right],\left(3\right)$

式中，β＝e^j120°，

分别为TCT式可控高抗D形绕组线电流3次谐波相量；

5）计算

的有效值I₃₊(α)并将其与保护整定值I_3set比较，结合第1）步零序电压的比较结果，当U₀＜U_0set且I₃₊(α)＞I_3set时判定为匝间故障，输出跳闸信号；二者条件有任意一条不满足时保护不动作。

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