CN106058893A - 高压大容量链式statcom装置的保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，该系统以35kV±200Mvar链式STATCOM装置的为研制背景，系统地介绍高压大功率链式STATCOM装置的保护设计问题，主要包括链式STATCOM基本结构、闭锁保护及复位单元、装置级保护单元、结构保护单元、操作保护单元、系统级保护单元。其连接关系为：作为系统保护对象的所述链式STATCOM基本结构分别与闭锁保护及复位单元、装置级保护单元、结构保护单元、操作保护单元、系统级保护单元电性连接；本发明的保护系统对整个高压大容量链式STATCOM装置的保护充分可靠，保证了其安全运行。整个系统工作稳定，系统故障率低，可有效地解决现有技术中存在的不足。

Description

高压大容量链式STATCOM装置的保护系统

技术领域

本发明涉及无功功率补偿技术领域，尤其涉及高压大容量链式STATCOM装置的保护系统。

背景技术

无功功率补偿，简称无功补偿，在供电系统中起到提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功补偿装置在电力供电系统中有着不可或缺的地位，合理的选择无功补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的消耗，使电网质量提高。STATCOM技术是基于变流器的柔性交流输电系统(FACTS)的基础，近年来一直是电力系统领域极受关注的热门课题。在高压大功率方面，H桥链式结构STATCOM以其特有的优秀性能、价格优势和技术先进性而受到重视。目前，研究主要集中在拓扑结构、建模、调制与控制策略、直流电压平衡控制等方面，关于STATCOM的保护虽有提及,但主要从控制策略和脉冲调制上考虑，仅涉及过流、过压、欠压和超温等几个主要保护电路，未见深入系统的讨论。然而保护设计是一个系统工程，涉及多个方方面面，对STATCOM装置的长期稳定运行和电力系统的安全都起到非常重要的作用。另外，针对目前高压大容量STATCOM装置的保护设计没有完整的标准问题，为了其长期稳定运行和保障电力系统安全，因此需要一种更加安全可靠、保护精度更高的高压大容量链式STATCOM装置的保护系统供设计选用。

发明内容

本发明的目的在于以35kV±200Mvar链式STATCOM装置的为研制背景，提供一种更加安全可靠、保护精度更高的高压大容量链式STATCOM装置的保护系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，该系统以35kV±200Mvar链式STATCOM装置的为研制背景，包括链式STATCOM基本结构、闭锁保护及复位单元、装置级保护单元、结构保护单元、操作保护单元、系统级保护单元。

其连接关系为：作为系统保护对象的所述链式STATCOM基本结构分别与闭锁保护及复位单元、装置级保护单元、结构保护单元、操作保护单元、系统级保护单元电性连接；

所述闭锁保护及复位单元分别与闭锁和跳闸两级保护、保护动作顺序、闭锁自动复位电性连接；

所述装置级保护单元分别与中心控制器层次保护、链节层次保护、冗余系统监测电性连接；

所述结构保护单元分别与屏柜布局设置、接地设备、配线和接线、备用端子、电源和照明、屏柜防护等级、屏柜机械结构特性、抗电磁干扰措施、内外防锈措施电性连接；

所述操作保护单元分别与分级操作权限设置、软闭锁、硬闭锁、关键数据校验电性连接；

所述系统级保护单元分别与控制系统保护、击穿保护、过流保护、丢脉冲和丢同步保护、同步相序和频率超限保护、母线低电压、过电压保护、死机保护、通讯故障保护、水冷系统保护、保护设备抗干扰措施、保护后处理设计电性连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开的高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，该系统以35kV±200Mvar链式STATCOM装置的为研制背景，系统地介绍高压大功率链式STATCOM装置的保护设计问题，主要包括链式STATCOM基本结构1、闭锁保护及复位单元2、装置级保护单元3、结构保护单元4、操作保护单元5、系统级保护单元6。其连接关系为：作为系统保护对象的所述链式STATCOM基本结构1分别与闭锁保护及复位单元2、装置级保护单元3、结构保护单元4、操作保护单元5、系统级保护单元6电性连接；本发明的保护系统对整个高压大容量链式STATCOM装置的保护充分可靠，保证了其安全运行。整个系统工作稳定，系统故障率低，可有效地解决现有技术中存在的不足。

附图说明

图1是本发明的基本结构图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

参照附图1所示，所述高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，该系统以35kV±200Mvar链式STATCOM装置的为研制背景，包括链式STATCOM基本结构1、闭锁保护及复位单元2、装置级保护单元3、结构保护单元4、操作保护单元5、系统级保护单元6。其连接关系为：作为系统保护对象的所述链式STATCOM基本结构1分别与闭锁保护及复位单元2、装置级保护单元3、结构保护单元4、操作保护单元5、系统级保护单元6电性连接；

所述闭锁保护及复位单元2分别与闭锁和跳闸两级保护22、保护动作顺序23、闭锁自动复位24电性连接；

所述装置级保护单元3分别与中心控制器层次保护25、链节层次保护26、冗余系统监测27电性连接；

所述结构保护单元4分别与屏柜布局设置28、接地设备29、配线和接线30、备用端子31、电源和照明32、屏柜防护等级33、屏柜机械结构特性34、抗电磁干扰措施35、内外防锈措施36电性连接；

所述操作保护单元5分别与分级操作权限设置7、软闭锁8、硬闭锁9、关键数据校验10电性连接；

所述系统级保护单元6分别与控制系统保护11、击穿保护12、过流保护13、丢脉冲和丢同步保护14、同步相序和频率超限保护15、母线低电压、过电压保护16、死机保护17、通讯故障保护18、水冷系统保护19、保护设备抗干扰措施20、保护后处理设计21电性连接。

所述链式STATCOM基本结构1采用±2*100Mvar结构的35kV±200Mvar链式STATCOM装置，每套STATCOM由3个换流链和3套水冷系统组成。其中，每个换流链由26个阀组单元串联而成；功率开关器件首次采用IEGT。全套设备包括连接电抗器、阀组、控制系统以及供电系统等。为减小占地面积和安装方便，35kV直挂式±200Mvar链式STATCOM装置整体结构采用集装箱方式，系统由6个阀组集装箱和1个控制集装箱组成。每个阀组集装箱内安装1个换流链，1套水冷系统，1面脉冲柜，以及附属设备。控制集装箱由UPS电池柜，低压进线隔离柜，2个低压配电柜，3个直流屏，故障录波柜，远程监控柜，系统监控柜，系统控制柜，2个装置控制柜，共13面屏柜组成。

所述闭锁保护及复位单元2包括闭锁和跳闸两级保护22、保护动作顺序23、闭锁自动复位24，用于保证STATCOM设备安全可靠运行为目标，满足可靠性、选择性、灵活性和速动性的要求，保护定值和延时的选择与上级保护配合，防止越级动作。STATCOM装置的保护系统在所有设备上采用嵌入式保护子系统，通过通讯接口与监控系统进行信息交换。保护用继电器和设备与STATCOM控制设备和接口分开安装。

所述闭锁和跳闸两级保护22是由于电力系统的扰动或STATCOM装置中设备部件异常等原因，可能导致STATCOM装置运行异常，并导致出现装置过电压或过电流情况。电力电子器件对于瞬时过电压或瞬时过电流比较敏感，严重情况下可能导致器件损坏，必须在电压应力或电流应力达到危险值之前，迅速采取保护措施，避免造成开关器件损坏。

电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置设计的保护动作分为脉冲闭锁和跳闸保护两级。

脉冲信号闭锁保护是在STATCOM装置出现故障时将换流链的所有开关器件全部关断，以保护开关器件免受损坏，防止故障的进一步扩大。脉冲闭锁保护从检测到故障发生到保护动作生效的延时在101μs数量级。对于STATCOM装置所有类型的故障，都先进行脉冲闭锁保护。

STATCOM跳闸是在STATCOM装置出现故障时，控制系统判断故障符合跳闸保护条件，保护通过断开STATCOM装置的进线开关，使装置退出运行，脱离开电力系统。由于跳闸保护通过断开机械开关实现，保护速度较慢(102μs级)，主要用于严重不可恢复故障，防止故障扩大到电网当中。

为了提高保护系统的可靠性，南方电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置在主保护基础上设计了后备保护，后备保护独立于主保护，有自己的独立直流后备电源和测量回路。两种保护互相校验信息。保护系统能接受从CT或PT设备单元传送的输入信号。

所述保护动作顺序23、闭锁自动复位24是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置设计的保护顺序为：中心控制器层次的故障保护动作时，中心控制器通过通信光纤向链节单元下发脉冲闭锁信号，使全部链节处于闭锁状态，闭锁整个装置。

对于一般的可恢复性故障，STATCOM装置保护首先进行脉冲闭锁，在几十微秒内完成保护动作，实现对装置的快速保护。闭锁保护期间，监控系统不断通过定时间隔的复位信号自动检测故障是否已消除。如果故障消除，则命令自动进行复位操作，STATCOM装置立刻重新投入运行。对装置重新投入运行后的故障，则再次采取闭锁保护，并自动记录复位次数。如果同一故障的连续复位次数超出设定的限制值，将判断为不可恢复故障，STATCOM装置采取跳闸保护。

STATCOM装置换流链的逆变单元又称为链节。STATCOM装置的STATCOM装置的功率回路各链节相互独立，故障由中心控制器统一处理。检测到故障链节，故障链节首先将自身的脉冲信号闭锁，完成自身保护；同时，通过通信光纤向中心控制器传递故障闭锁信号。接收到任何链节的闭锁信号后，中心控制器立即向其余全部链节下发闭锁信号，进行整个STATCOM装置的闭锁保护。脉冲闭锁通过链节控制单元具体实现，整个保护过程20μs内完成。同时，中心控制器根据运行情况和获取的信息数据判断链节是否可以旁路。符合旁路条件，则命令在脉冲闭锁期间进行故障链节旁路操作，操作结束后STATCOM装置立刻重新投入运行。经多次复位故障仍未消除或链节旁路失败，视为发生严重不可恢复故障，进行跳闸保护，STATCOM装置脱开电网。

可靠的保护设计的重点在于对系统可能出现的任何故障毫无遗漏。借鉴以往SVC和STATCOM的设计和运行经验，电网35kV±200Mvar链式STATCOM的保护设计分为跳闸、闭锁和报警3个层次。

跳闸保护主要项目：1.专用变故障、2.水冷系统严重故障、3.控制器操作屏与主控板通信异常、4.保护单元更新数据超时限、5.与链节通信故障、6.旁路链节数超限、7.旁路失败、8.阀组臂电流超限、9.同步频率变化超限、10.同步相序错乱、11.触发脉冲丢失、12.相丢同步、13.保护单元死机闭锁保护。

闭锁保护主要项目：1.换流链过流、2.控制器自控异常、3.PT断线、4.交流母线过压超限超时、5.冷却系统异常、6.阀主件故障、7.触发/控制通常故障、8.后备触发频繁动作、9.母线电压欠压超限超时报警。

报警保护主要项目：1.启动逻辑错误、2.操作越权、3.主控板与监控系统通信异常、4.监控与远方通信异常、5.控制直流电源故障切换备用电源、6.控制交流电源故障切换备用电源、7.母线电压过压不超限、8.母线电压欠压不超限、9.水冷系统一般故障。

所述装置级保护单元3包括中心控制器层次保护25、链节层次保护26、冗余系统监测27，所述中心控制器层次保护25是在中心控制器层次保护设计中，复位次数超限跳闸保护的故障类别包括：换流链过流，控制器自检异常，PT断线，交流母线过压，冷却系统异常等；直接跳闸的故障类别包括：与链节通信故障，旁路链节个数超限等。站内其它设备通过硬节点传递的联动保护信号采取闭锁保护。

所述链节层次保护26是在链节层次的保护中，旁路失败故障直接跳闸保护。其余故障先采取闭锁保护，复位次数超限后跳闸保护，包括：链节直流过压或欠压，IEGT驱动故障，链节输出过流，控制脉冲异常，链节过温，与中心控制器通信故障，链节控制电源故障等。

不平衡电流电压保护电网电压频率、相位发生扰动，或电压不平衡以及幅值突降等，或发生对称或不对称故障，都有可能造成STATCOM过流，危害装置安全。除了采用封锁脉冲外，针对系统三相不平衡运行，需要设计过流保护。短路时避免保护动作的电抗器输出的最大的不平衡电流为：

I_dz＝K_kK_fzqK_txf_iI_max (1)

式中：K_k为不平衡电流保护可靠性系数；K_fzq为非周期分量系数；K_tx为同型系数；f_i为电流互感器的最大相关误差；I_max为短路时电抗器输出的最大的周期电流。为避免电流互感器二次回路故障时误动作，动作电流应该高于STATCOM最大电流为：

I_dz＝K_kI_ek (2)

式中：I_ek为STATCOM额定电流最大值。

零序电压保护的动作电压为：

U_dz＝K_zU₁ (3)

式中：K_z为零序电压保护的敏感度系数，设计取0.4～0.5；U₁为单相母线短路接地的电压互感器电压。

链节过压和过流保护链节过电压保护设计主要包括：IEGT关断过电压保护，瞬态浪涌过电压保护，直流侧过电压保护。IEGT可以在没有关断过电压吸收电路的情况下正常工作。因系统电压异常或控制失灵引起的直流电容过电压，通过封锁脉冲及放电电路进行保护。

瞬态浪涌过电压保护采用阀两端并联避雷器方式。设计时需要考虑的绝缘配合有4种：持续工频电压下的绝缘配合；暂时过电压的绝缘配合；操作过电压的绝缘配合；雷电过电压下的绝缘配合。

以电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置为例，忽略正常运行条件下的工频电压的波动，取设备最高电压39.6kV；对接地故障、负载突变、谐振等暂时过电压认为设备自身绝缘能够耐受，短时工频耐受电压一般均能满足正常运行电压和暂时过电压的要求。设计避雷器时，避免其在暂时过电压时动作。因此，着重研究操作过电压和雷电过电压下的绝缘配合。

绝缘配合首先要考虑过电压保护的措施。项目设计采用避雷器进行过电压保护。电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置选用的避雷器HY5WR-51/134额定电压为51kV，雷电冲击残压为134kV，操作冲击残压为105kV。对内绝缘取值，Ks＝1.15；对外绝缘取值，K_s＝1.05。

考虑配合系数，所有设备的雷击过电压耐受水平应该大等于避雷器雷电冲击残压的1.15倍，1.15×134kV＝154.10kV。内绝缘耐压水平应大于避雷器操作冲击残压的1.15倍，1.15×105kV＝120.75kV，外绝缘耐压水平应大于避雷器操作冲击残压的1.05倍，1.05×105kV＝110.25kV。所有设备中雷电冲击耐压值最小的为185kV，大于154.1kV，符合绝缘配合的原则。所有设备中内绝缘工频耐压有效值最小为95kV，峰值为134.33kV，大于120.75kV；外绝缘工频耐压有效值最小为80kV，峰值为113.13kV，大于110.25kV，符合绝缘配合的原则。在避雷器的保护下，所有的设备绝缘均能满足在各种过电压情况，不会发生绝缘击穿等事故。

继电保护过电压的动作电压为：

U_dz＝K_uU_em/N_u (4)

式中：U_dz为保护动作电压；K_u为长期过电压的安全系数，设计取1.15；N_u为电压互感器变比；U_em为电力系统母线额定电压。

低电压保护的动作电压按下式计算：

U_dz＝K_minU_em/N_u (5)

式中：K_min为正常运行的系统电压系数。/

接地故障保护动作电流为：

I_0dz＝3K_kU_φωC₀ (6)

式中：U_φ为相电压；C₀为相对地电容；K_k为接地故障保护的可靠性系数,设计取1.5～2.0；ω为基波角频率。

导致IEGT过电流有3种原因：过负荷，系统侧短路，桥臂直通。过负荷或系统侧短路引起的过电流峰值小于安全关断值时，通过快速检测出电流并发出关断信号，可有效地关断IEGT，进行保护；峰值大于安全关断值的过电流，针对关断IEGT危险，采取的方法是，保持IEGT驱动脉冲状态，避免发生关断操作，依靠IEGT的浪涌电流能力承受短时过电流,同时通过跳闸进行保护。桥臂直通通过逻辑互锁和死区设置保护。

链节的旁路操作是链式STATCOM每相桥臂都由多个链节串联构成。为了保证STATCOM运行可靠，设计上，在满足额定输出电压的基础上，每个桥臂额外串入冗余链节。冗余链节数量因不同系统需要可以是1个或数个。N个链节串联可达到额定输出要求，实际使用N+i个链节串联，称为N+i冗余运行方式。200Mvar STATCON采用N+2设计。当某个链节因故障必须退出运行时，将其旁路后，链式STATCOM将仍能继续正常运行。

链节故障状态传送到主控制器后，控制器将自动调整脉冲策略，并通过光纤编码通信方式向相应的链节发出旁路指令。链式STATCOM三相桥臂的脉冲发生及分配分相处理，如果某相桥臂的一个逆变单元发生故障而被旁路，其它桥臂并不改变投入运行的逆变单元数目和PWM策略。这时三相桥臂所投入运行的逆变单元数目将会不同，但只要三相输出电压的调制比M相同，并不会影响三相电压的对称性。

当故障链节被旁路后，其余链节自动共同分担这个链节原来所承受的直流电压，保持相直流电压和输出电压仍不变，保持三相对称状态。

所述冗余系统监测27是系统设计时，充分考虑各种干扰问题，并采取对应措施，同时在关键信号采集软件中加入抗干扰技术，提高数据的准确性。此外，水冷系统和控制器均采用冗余结构设计，通过冗余结构实时比对关键数据的正确性和准确性，保证设备正常工作时不会出现误动作。如果发现异常，发出警告信息并切换到备用装置。

所述结构保护单元4包括屏柜布局设置28、接地设备29、配线和接线30、备用端子31、电源和照明32、屏柜防护等级33、屏柜机械结构特性34、抗电磁干扰措施35、内外防锈措施36，为了充分发挥STATCOM装置在电力系统中稳定电压、快速无功补偿以及突发故障时电压支撑的效果，STATCOM装置的安装选址通常在负荷集中区域的中心。如果新建电站，除了巨大的项目投资和较长的施工工期外，占地面积也成为制约这一选择的重要因素。为了减少投资，多数STATCOM项目选择利用现有电站。

由于高压大容量STATCOM装置的组成设备众多，利用现有电站房屋作为安置点，除了地方空间根本无法满足需求外，STATCOM装置与电站原有的其它设备的电磁兼容问题也难以解决。结构保护成为STATCOM装置保护设计中的重要内容。电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置在整体结构设计上采取集装箱模块化结构。

STATCOM集装箱按《工业控制装置及系统的外壳》(NEMA-ICS6)严格验收，要求能防雨雪，防尘土，防风沙。对所有STATCOM屏柜，包括安装其中的成套设备或单个组件，全部进行应力计算和校验以及合理布置，所有集装箱符合外壳、交流电气装置接地设计、电磁兼容、绝缘强度、防雷保护设计等按标准规范要求，符合电磁屏蔽要求。

STATCOM装置采取集装箱模块化结构可以减少占地面积，按照用户技术条件在工厂调试装置后整体运输到现场，大幅度缩短施工和调试工期，解决电磁兼容问题；此外，还可以工厂标准化生产，减低STATCOM装置设备成本。

所述屏柜布局设置28是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置屏柜的设计选材执行(NEMA-ICS6)7.1.1标准。按照(NEMA-ICS6)7.1.3要求进行设计，屏柜的结构采用前后开门方式。前门为带有安全锁和便于观查屏柜内设备的玻璃窗的单门；后门为带有安全锁的便于检修和调试的对开双门；屏底部设置有设备和器件安装孔。门的开闭不会造成装置误动作，整体屏柜可靠接地具有电磁屏蔽效能。此外，根据不同安装现场的具体条件，屏柜的尺寸和开门方式等可以方便重新更改设计。对换流链屏柜采取特殊安全措施，所有开门与屏柜内设备设计为机电连锁保护STATCOM装置运行期间和退出运行电容未放电结束时，屏柜门可靠闭锁。

所述接地设备29是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的接地设备设计执行(NEMA-ICS6)5.2和国家标准《交流电气装置接地设计规范》(DB50065)，采用截面大于100mm2的接地铜排牢固连接到集装箱主框架的所有金属上。接地铜排末端装有专用压接端子，用于连接变电所接地网。每个连接处设计多于2个紧固螺丝，以保证可靠连接。

所述配线和接线30是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的屏柜内配线设计执行国家标准和《工业控制设备及系统的端子板》(NEMA-ICS4)，选用耐热、耐潮、阻燃的绝缘皮的铜导线，导线额定绝缘电压高于500V，要求一般控制导线大于1.5mm²，CT和PT线大于2.5mm²。STATCOM装置的屏柜内设备接线方式为：嵌入式或半嵌入式安装；屏后接线。

所述备用端子31是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的每个屏柜在设计上留有总端子数15％的端子作为备用。为了长期运行安全，所有端子的电压额定值大于800V，电力额定值大于10A；为了可靠连接，每个端子只允许连接一根导线。端子排安装在屏的两侧，同屏上各套设备及端子排的布置保持各自独立。断路器和隔离开关控制箱设计采用防潮型。

所述电源和照明32是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的屏柜内电源和照明按照标准设计，屏柜内配有照明灯和220V交流电源。为了节能，照明灯与门连锁，门开灯亮，门关灯灭。同时为了运行安全和便于检修，冗余设计配有备用电源和开关，可手动控制照明灯。

所述屏柜防护等级33是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的屏柜防护执行标准《工业控制装置及系统的外壳》(NEMA-ICS6)，等级为IP40。

所述屏柜机械结构特性34是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的屏柜机械结构能有效防护：灰尘、潮湿、虫和动物，并满足用户所规定的耐高温和高湿条件，具有防振特性和良好的抗电磁干扰特性。

所述抗电磁干扰措施35是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的屏柜屏蔽电磁干扰功能按《电磁兼容标准》(IEC61000)进行设计，同时要求良好的抗振性。满足下列试验标准：(1)绝缘强度试验：2.5kV，150Hz，1min；(2)高频干扰试验：III级；(3)快速瞬变电脉冲群干扰：IV级；(4)辐射电磁场：III级；(5)静电放电：III级。

所述内外防锈措施36是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的屏柜内外采取油漆进行防锈。

所述操作保护单元5包括分级操作权限设置7、软闭锁8、硬闭锁9、关键数据校验10，是STATCOM设备的启停和参数修改等是重要操作，需要采取一些防止误操作措施。其中包括：水冷系统启停，整个设备启停。

所述分级操作权限设置7是电网35kV±200Mvar链式STATCOM设备启停和参数修改等重要操作，设计采用分级操作权限管理。从监控后台对STATCOM装置进行的操作，首先必须输入操作人员的相应密码，系统根据其权限判断是否执行此操作。输入密码错误两次以上，系统报警。每进行一次操作均需要输入密码，系统对操作的相关信息进行记录。

所述软闭锁8是电网35kV±200Mvar链式STATCOM设备启停操作必须按设定逻辑进行，否则不予与执行，并给出相应告警。启动顺序设计为，水冷系统首先启动，并进行自检；水冷系统自检合格后，发出允许操作信号，这一过程有一定的时间延时。得到水冷系统合闸允许信号后，可进行STATCOM的直流电容充电操作。充电完成后，设备进行自检，合格后才能进行断路器的合闸操作。在这一过程中，发现任何故障或逻辑错误，均不能启动，并报出相应的警告信息。STATCOM设备在正常退出过程中也严格按照设定逻辑进行，出现错误发出相应的警告。

所述硬闭锁9是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置采用高压大功率器件，电压等级较高，为了彻底杜绝人为误操作造成意外，主电路室锁门具采取机电连锁设计，只有在主开关断开且STATCOM直流电容放电完毕才能打开。门上液晶屏显示主开关状态和直流电容状态及对操作者的警示信息。

所述关键数据校验10是电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置对一些重要参数进行修改操作时，系统除了对操作人员进行按操作权限检验外，同时对数据进行正确性校验。修改数据超出了设定范围，则系统认为操作有误，进行告警，并按原参数执行。

所述系统级保护单元6包括控制系统保护11、击穿保护12、过流保护13、丢脉冲和丢同步保护14、同步相序和频率超限保护15、母线低电压、过电压保护16、死机保护17、通讯故障保护18、水冷系统保护19、保护设备抗干扰措施20、保护后处理设计21。

所述控制系统保护11是控制系统的线路布线和安装，特别是距功率器件较近的地方，注意对电磁干扰的屏蔽。保护用的继电器和设备与STATCOM控制设备和接口分开安装。保护装置符合STATCOM设备安全可靠运行的要求，满足可靠性、选择性、灵活性和速动性要求，保护定值和延时的选择与上级保护配合，防止越级动作。

保护系统设有主保护和后备保护。保护系统能够接受从CT，PT提供的STATCOM设备单元传送的输入信号。控制系统本体设计有电磁屏蔽抗干扰措施，并配有以下保护：UPS故障保护，输入信号异常保护，电源故障保护，硬件故障保护，子系统故障保护。

所述击穿保护12的击穿保护设定是为了保护阀组上的IEGT在各种工况下免受损坏。当STATCOM任一相上的IEGT阀组单元故障数量等于或大于冗余数+1时，保护系统立即发出断路器跳闸命令，进行跳闸保护。设备跳闸后，人机界面显示出击穿IEGT阀组单元的确定位置，便于更换和维修。操作人员可通过人机界面修改设定值。

当STATCOM装置任一相上的IEGT阀组单元故障数量小于桥臂上的冗余数量时，控制系统发出报警信号，此时STATCOM仍能正常运行。在此情况下，报警信号经过适当延时后，提高报警级别，如果STATCOM可以短时退出运行，强烈建议用户停机维护，更换损坏的阀组单元，以免故障扩大。

所述过流保护13是STATCOM装置过流保护与换流链的链节过流保护不同，保护设定的目的是保护STATCOM装置回路上设备免受因过流造成的损坏。当阀组任一臂上的电流超过设定值时，保护跳闸。速断保护电流按下式计算：

I_dz＝I_rK_s/N_i (7)

式中：N_i为电流互感器变比；K_s为速断保护的可靠性系数，出厂设计取4；I_r为电流整定值。

过流保护电流按下式计算：

I_dz＝I_rK_k/N_i (8)

式中：K_k为过流保护的可靠性系数，设计取1.6，反时限10s跳闸；取1.2，反时限60s跳闸。

所述丢脉冲和丢同步保护14是三相系统的STATCOM设备有多路触发脉冲，如果其中有一路触发脉冲丢失，将在系统中产生过压，产生灾难性的后果。为了最大程度地避免这种情况，需要设定丢脉冲保护。当任一路触发脉冲在触发回路和反馈回路的任何环节丢失时，保护跳闸。

因现场工况复杂，同步有可能会丢失。虽然同步丢失的情况极少发生，但是一旦出现有可能会给用户造成严重的损失，所以设定了丢同步保护。当检测到任一相同步丢失时，保护跳闸。

所述同步相序和频率超限保护15是现场的同步信号有时会误接成负序，此种情况下若发出触发脉冲会超出STATCOM可控范围，导致不可预测的结果。所以在控制系统中设定了同步相序保护。控制系统上电后，一旦发现同步为负序，则保护跳闸。同步频率变化超出一定范围时，触发位置发生了变化，有可能会引起STATCOM角型接线中环流的产生，危害系统运行，所以设定了同步频率超限保护。当同步频率超出设定值时，保护跳闸。

所述母线低电压、过电压保护16因各现场的微机保护系统都设有母线过电压、低电压的保护功能，为使STATCOM装置的保护功能更好地与变电站的其它设备的保护功能相兼容，在STATCOM装置控制系统保护中增加了母线过压及欠压保护，与原有保护系统并行连接，实行双重保护，保证变电站STATCOM装置及其它设备都能安全可靠的运行。

所述死机保护17是借鉴SVC等其他系统的运行经验，STATCOM程序在保护单元死机后偶尔会出现控制系统仍在正常工作情况，就在失去保护情况下运行是一种极其危险的非正常工作状态。所以在STATCOM装置控制系统中专门设计了保护板死机保护，使设备运行更加稳定可靠。死机保护通过各功能单元互相检测实现，各功能单元都有独立的跳闸出口，检测到任一单元工作异常时，保护跳闸。

所述通讯故障保护18是STATCOM装置控制系统能高效可靠稳定的运行，很大程度上依赖于各种数据的准确传输，如果通讯发生故障，设备将不能正常运行，所以设定了通讯故障保护。当保护单元在规定时间内，通常设定为60ms，没有接收到更新的数据，则保护跳闸。

所述水冷系统保护19是水冷系统是保证在运行期间链节阀元件及辅助元件处于允许的温度范围的装置。水冷系统中如果出现一种或多种异常运行方式，可能对阀组产生严重危害，为保证主设备安全，应退出STATCOM。电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置的水冷系统设计有独立的监控单元，对自身运行状态和冷却介质进行监测，并向上级上传其运行参数、异常状态。

冷却系统可由STATCOM监控系统远程启动和停止，同时可就地控制，具备定值整定、参数显示、报警显示、密码更改、手动试验等功能。冷却系统具有独立完整的监控系统，对冷却系统一般的故障发出报警信号，对严重故障发出跳闸信号，同时以报文形式上报STATCOM监控系统。冷却系统的监控部分需采用一用一备模式。

冷却系统与STATCOM监控系统之间通过通讯协议传递冷却系统状态和参数，通过开关量信号传递报警和跳闸等重要信息，冷却系统监控采集和上报的信息和状态：冷却水流量；供水压力；主泵进口压力；供水温度；回水温度；阀组室温度；阀组室湿度；冷却水电阻率；缓冲罐压力；缓冲罐液位；主循环泵状态；风机状态；电加热器状态。

所述保护设备抗干扰措施20是一次设备的操作、短路事故、雷电波侵袭等可能导致具有破坏能力的高频电磁干扰，如果没有适当的保护措施，电磁干扰将辐射或传导至二次回路及电气设备，造成电气损害、误动作和数据丢失等问题。为保障运行的可靠性，电网35kV±200Mvar链式STATCOM装置除二次设备本身的抗干扰能力外，工程设计还对二次电缆均采取屏蔽电缆，屏蔽层按照国家标准要求良好接地，不同电压等级回路不放在同一根电缆内；布置上尽可能远离干扰源或采取适当的电气隔离。

所述保护后处理设计21是STATCOM装置保护动作后，需要进行相应的处理。任何保护动作后，在人机界面上都要准确显示出故障类型及故障有关详细信息，供用户查阅和进行简单的故障处理，以使STATCOM装置能迅速恢复正常运行。所有保护装置通过通讯接口与STATCOM装置监控系统进行信息交换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，以35kV±200Mvar链式STATCOM装置为研制背景；其特征在于：该系统包括链式STATCOM基本结构、闭锁保护及复位单元、装置级保护单元、结构保护单元、操作保护单元、系统级保护单元；其连接关系为：作为系统保护对象的所述链式STATCOM基本结构分别与闭锁保护及复位单元、装置级保护单元、结构保护单元、操作保护单元、系统级保护单元电性连接。

2.根据权利要求1所述高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，其特征在于：所述闭锁保护及复位单元分别与闭锁和跳闸两级保护、保护动作顺序、闭锁自动复位电性连接。

3.根据权利要求1所述高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，其特征在于：所述装置级保护单元分别与中心控制器层次保护、链节层次保护、冗余系统监测电性连接。

4.根据权利要求1所述高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，其特征在于：所述结构保护单元分别与屏柜布局设置、接地设备、配线和接线、备用端子、电源和照明、屏柜防护等级、屏柜机械结构特性、抗电磁干扰措施、内外防锈措施电性连接。

5.根据权利要求1所述高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，其特征在于：所述操作保护单元分别与分级操作权限设置、软闭锁、硬闭锁、关键数据校验电性连接。

6.根据权利要求1所述高压大容量链式STATCOM装置的保护系统，其特征在于：所述系统级保护单元分别与控制系统保护、击穿保护、过流保护、丢脉冲和丢同步保护、同步相序和频率超限保护、母线低电压、过电压保护、死机保护、通讯故障保护、水冷系统保护、保护设备抗干扰措施、保护后处理设计电性连接。