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基于三次谐波的晶闸管控制电抗器保护

段昊  
【摘要】:静止无功补偿器可以提高超高压输电系统动态无功储备和响应速度水平,增强其静态稳定、暂态稳定及电压稳定性,因而在电力系统中获得了广泛的应用。当前,晶闸管控制电抗器保护配置方案一般将差动保护和基波电流不平衡保护作为装置的主保护,过电流保护为其后备保护,此外还会配置防止相控电抗器过热的非电量保护。然而,差动保护通过提取晶闸管控制电抗器的两个相电流和相应的线电流判断装置内部是否发生故障,可以对装置的引线间短路起到保护作用,但并不适用于相控电抗器的匝间短路;电流不平衡保护的动作电流是晶闸管控制电抗器角内的基波不平衡电流,可以对匝间短路起到保护作用,但由于基波不平衡电流随晶闸管触发角的增大急速减小,按正常运行时可能出现的最大不平衡电流整定时会导致保护死区很大;过电流保护通常按3-5倍的晶闸管控制电抗器额定电流选取,受触发角的影响同样很大。晶闸管控制电抗器传统保护存在的这些问题,在某些情况下会导致保护误动或拒动,严重影响了静止无功补偿装置的安全稳定运行,甚至会对系统及其他元件造成损害。因此,有必要研究新的晶闸管控制电抗器保护方法来解决此类问题。 本文将解决传统保护方法中存在的问题作为核心内容展开深入研究,提出了利用三次谐波对晶闸管控制电抗器进行保护的新思路,有效的克服了传统保护方法的缺陷。具体的研究工作主要有: (1)提出了晶闸管控制电抗器接入交流系统准静态模型的概念,给出了计算中晶闸管控制电抗器可以采用准静态模型表示的条件,并说明了对于实际运行晶闸管控制电抗器这些条件是满足的。为后续进行晶闸管控制电抗器运行特性和故障特征分析奠定了基础。 (2)在采用晶闸管控制电抗器准静态模型的基础上,分析了各触发角下单相晶闸管控制电抗器运行时的电流、晶闸管阀两侧电压及相控电抗器两侧电压,计算了晶闸管控制电抗器电流的各次谐波含量,并给出了各次谐波电流随触发角的变化曲线,得到了触发角变化对基波电流的影响远大于对三次谐波电流影响的结论。 (3)在采用晶闸管控制电抗器准静态模型的基础上,分析了三相晶闸管控制电抗器的运行情况,此时三相晶闸管控制电抗器电流中的各次谐波满足6k+1(K=0,1,2,3,...)次谐波为正序分量,6k+5(K=0,1,2,3,...)次谐波为负序分量,3k+3(K=0,1,2,3,...)次谐波为零序分量。由于晶闸管控制电抗器是角型连接的,正常运行时三次谐波仅能在角内流通,线电流中不会存在三次谐波。 (4)针对实际应用的晶闸管控制电抗器装置,分析了其发生故障的各种原因及过程,并将该装置运行时可能发生的故障进行了详细的分类。为了定量的描述其故障特征,提出了非特征三次谐波电流的概念,并给出了晶闸管控制电抗器内部各种故障情况下非特征三次谐波电流的理论计算方法。 (5)在对各种故障下非特征三次谐波电流进行分析的基础上,提出了非特征三次谐波电流保护方法,并给出了整定的原则及灵敏度的计算公式。该方法既可以保护晶闸管控制电抗器角内的引线间短路及两点接地短路,又可以保护匝间短路。虽然非特征三次谐波也受触发角的影响,但与传统的电流不平衡保护相比,非特征三次谐波电流保护保护死区更小且具有更高的灵敏度。 (6)构造了故障时晶闸管控制电抗器三次谐波恒流源模型,通过理论分析发现:当晶闸管控制电抗器内部发生故障时,加在晶闸管控制电抗器上的正序三次谐波电压滞后其线电流中的正序三次谐波电流90°;而当外部异常运行或大容量电力电子装置产生正序三次谐波电流时,加在晶闸管控制电抗器上的正序三次谐波电压超前其线电流中正序三次谐波电流90°,据此提出了正序三次谐波方向保护判据。该方法利用正序三次谐波电压与电流相位关系判断晶闸管控制电抗器内部是否发生故障,无需加入延时即可解决外部异常运行保护误动的问题,使其在保证选择性的基础上,具备保护的快速性。 (7)搭建了静止无功补偿系统低压物理模型,开发了实现三次谐波保护方法的硬件系统和软件程序,在此基础上对非特征三次谐波电流保护和正序三次谐波方向保护进行了试验验证,试验结果表明了这两种保护方法的有效性及可行性。 本文基于晶闸管控制电抗器运行特性和故障特征提出的非特征三次谐波电流保护和正序三次谐波方向保护两种晶闸管控制电抗器保护新方法,受晶闸管触发角影响小,灵敏度高,保护死区小,能够较好的解决传统晶闸管控制电抗器保护方法存在的问题,给晶闸管控制电抗器保护乃至大容量电力电子装置的保护提供了新的思路。本文的研究成果对于保证超高压电力系统中静止无功补偿器安全可靠运行,提高系统的稳定性具有十分重要的意义。


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