电气设计 快速开关型串联电容补偿装置保护策略研究 李静波 ，张孝晨 ，宋（１．北京门头沟供电公司，北京鑫 ，苏仲伟 ，杨 波。 １０００８５） １０２３００￣２．四方华能电网控制系统有限公司，北京［摘要］ 以北京门头沟１０ｋＶ线路快速开关串联补偿装置为研究主体，对此类串联补偿装置的保护与控制展开具体分 析，重点探讨了电容器组和非线性电阻的保护策略。 关键词 快速开关串补装置电容器保护过电压 中图分类号ＴＭ７７４０ ０引言 随着电网覆盖面的不断扩大和配电线路的急速延伸， 我国配网发展出现新动向，即快速增长的负荷需求与相对 滞缓的配网优化之间的矛盾。由于配网架构薄弱而导致的 线路电压问题（尤其是末端低电压）呈逐年增加之势口］，因 此除了加快配电网的改造升级外，还需借助串联电容补偿 技术来解决。该技术通过在线路中串接可控电容，使得线 路电抗等效减少，从而起到降低电压衰减、改善负荷端电 能质量的目的［２］。然而，配电线路短路故障的客观存在， 可能会导致串接电容出现过电压并引起电容损坏，因此在 实施串补技术时必须要充分考量相关保护措施（线路故障 情况下串联设备的自我保护）。鉴于此，本文以北京门头 沟１０ｋＶ线路快速开关串联补偿装置为研究主体，对此类 串联补偿装置的保护与控制展开具体分析。 １快速开关串补装置及其保护方式 １．１快速开关串补装置的结构 在各类串补装置中，基于快速开关的串补装置是近年 来应用广泛的一种Ｅ ，它用快速开关投切装置替代了原来 的火花放电间隙与旁路开关，实现了对串联电容的良好保 护，降低了对串补装置中氧化锌的需求［３］。快速开关串补 装置主要由电容器组、氧化锌组件、限流阻尼器件、快速 开关、采样ＣＴ、取样ＰＴ及控制器共同组成＿４ ］，如图１ 所示。其中，电容器组的作用是完成合理的补偿深度；氧 化锌组件的作用是电容器两端的电压，保证其不受 损；限流阻尼的作用是电容器放电冲击电流；快速开 关的作用是在馈线出现短路后快速导通电容器的放电回 路；采样ＣＴ和取样ＰＴ的作用是完成对串补装置安装处 的相关电气量检测；控制器的作用是依据检测量实施对多 元件的协制。 １．２快速开关串补装置的保护方式 由图１可知，快速开关串补装置的保护主要包括两个 收稿日期：２０１６—１２—２５ 作者简介：李静波（１９７８－），从事输配电运行管理工作． 部分：一是针对电容器组的保护；二是针对非线性电阻 （ＭＯＶ）的保护。其中，电容器组的保护包含不平衡电流 保护、谐波保护、阻抗保护、反时限过流保护等；非线性 电阻的保护主要包括组件过电流保护、组件能量保护等。 电容器组 采样ＣＴ Ｉ ｌ ｌ ｌ 氧化锌组件 Ｉ采 ————亡 —６＿一 ！量 ：集 限流阻尼 ，一 厂＿，— Ｌ－］ 快速开关Ｌ＿－一 图１ 快速开关串补装置结构图 ２电容器组的保护策略 ２．１快速开关串补装置的设置 北京门头沟地区山地多，ｌＯｋＶ线路的负荷分布较为 分散且线路供电半径偏大，由此导致线路末端的电压经常 偏低。针对以上情况，当地电力部门选择加装１０ｋＶ快速 开关串联补偿装置来进行应对。根据线路负荷、线路拓 扑、线路参数等实际，结合串补设计工具和前推回代潮流 法等校验方式，确定在电压损耗最严重的ｌＯｋＶ东山线、 ｌＯｋＶ水担线和１ＯｋＶ灵山线加装快速开关串补装置。表１ 为考虑线路损耗尽可能小及低负荷时避免串补点过电压的 串补装置理想设置点。 表１门头沟三条线路串补装置理想设置点 ２．２不平衡电流保护方案 由于表１中各条线路的实际情况不同，因此在进行快 速开关串补设置时，采用了不同的电容器组合方式。其 中，东山线与水担线的电容器组采取了Ｈ型连接方式，如 图２所示。 ２０１７ｉ ５（Ａ）期Ｉ ４１ 电气麓升 反时限过流保护系统。 ３非线性电阻的保护策略 图２ Ｈ型电容器组连接方式图 ３．１非线性电阻过电流保护 在快速开关串补装置中，非线性电阻使用了氧化锌组 对于Ｈ型连接方式，需配置不平衡电流保护。不平衡 电流保护原理：以横桥上多个电流互感器的串联来检测、 件。由于该组件在运行过程会吸收一定能量，因此需对非 线性电阻实施保护方案，以避免串补线路故障情况下氧化 锌组件阻损坏乃至爆炸。 比对不平衡电流，并视幅值大小执行不同保护策略，如图 ３所示。 不平衡比率告警动作值卜 不平衡告警 门头沟１０ｋＶ快速开关串补装置中，非线性电阻的过 电流保护采取了采样与旁路切换的方式，即对非线性电阻 的电流瞬时值进行连续采样，若３次以上采样结果值均大 至导 ｉＩ 立斗＋ ； — 低值旁路保护 不平衡电流高值旁路动作值卜＋高值旁路保护 图３ 电容器组不平衡电流保护策略图 ２．３阻抗保护方案 灵山线的串联补偿电容器组未采取Ｈ型连接方式，不 平衡电流保护方案将无效，因此需采取阻抗保护方案。阻 抗保护接线如图４所示，保护策略如图５所示。 图４阻抗保护接线图 告警动作 保护动作 图５电容器阻抗保护基本策略图 图５中，根据测量的Ｕｃ、 值，计算Ｕｃ／Ｉ 值。若 计算结果大于整定阻抗～５％Ｎ＋５ ，则保护系统会产生 告警动作；若计算结果大于整定阻抗一１０％～＋１０ ，则 保护系统产生保护动作。 ２．４反时限过流保护 在快速开关串补装置中，电容器两端允许出现过电压 但时间不能过长，否则会加速电容器老化。考虑到电压与 电流的对应关系，及过电流与时间的互为反比关系（即对 于特定元器件，过流值越大，ｉ１／ｉ￣￣－ｉＩ承受的时间越 短），引入反时限过流保护来达成电容器过压保护的目 的，如图６所示 检测ｌ＝ 嚣 卜竺 计算出延时时间＝ — — ＿—］暑 ｒ—＿ 蔓旦 当计时大于一 图６反时限过流保护流程图 由图６可知，当反时限过流保护系统监测到线路中存 在过流情况时，开始执行计时。按照反时限公式计算出延 时的时问Ｔ，如果计时大于计算出的延时时间Ｔ，就触发 ４２ Ｊ ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ Ｊ中国电工网 于限定值，则快速开关实施非线性电阻旁路，从而降低非 线性电阻对能量的吸收量，避免损坏。图７为非线性电阻 的 —Ａ特征曲线。 器．！ 娃枷茜ｊｆ ｝ ： ＿． Ｉ ｛ 。ｊ Ｉ｝ １， ； －Ｉ ， ｊｉ ’一蚴 鹧Ａ～＿一； ｌ ｌ… ０ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｌ０ 电流 ｐ ｕ） 图７非线性电阻 叫特，ｔ￣ｌｔｔ线图 由图７可知，非线性电阻的额定保护电压在一定电流 值基础上趋于相对稳定，因此可以额定保护电压为基础进 行电流限定值的设置。具体来说，就是以线路发生短路故 障时的电流值来计算非线性电阻的最大可通过电流。对于 门头沟１０ｋＶ线路串补装置的非线性电阻，其保护电流的 限定值为电容器额定电流的０．２倍。 ３．２非线性电阻能量保护 非线性电阻中，电流的存在会产生能量的积累。积累 的能量较大时，非线性电阻的温度便会急剧升高，损坏的 几率便会增加，因此非线性电阻必须配置能量限定的保护 方案。 在快速开关串补装置中，非线性电阻通常由多个氧化 锌组件串并联而成，因此在明确氧化锌组件的串并联数量 ￣．ｔｔＬＬ，根据氧化锌组件出厂时设定的能量值，便可计算 出非线 ＩＩ￣ＩＩＩＩＩｉＩＩＩＩ。非线性电阻在快速开关串补装置 中的能量积累为： Ｅ—ｆ‘“（ ） （ ）出 式中，“（ｆ）为非线性电阻的两端电压； （ ）为非线性电阻 的支路电流；ｔ 为非线性电阻动作开始时间；ｆ 为非线性 电阻动作结束时间。非线性电阻动作时的电压，通常是氧 化锌组件的导通电压，也等于电容器的保护电压。根据非 线性电阻动作的不变性，可将式（１）进一步改进为： ｒ， Ｅ—ＵＩ】ｌ】Ｉ （ ）出 （２） （下转第５０页） 电 设计 速快速下降并稳定到１ ３８０ｒ／ｍｉｎ。在３．６ｓ时刻，给电机负 ３系统仿真分析 本文采用ＭＡＴＬＡＢ仿真软件中的Ｓｉｍｕｌｌｎｋ工具箱进 行仿真，它可用图形将动态过程显示出来，具有直观和方 便的特点。用ＭＡＴＩ ＡＢ工具设计的基于模糊控制的异步 电机转差频率控制系统原理如图９所示，该系统主要有模 糊控制器和变频系统控制器。模糊控制由模糊控制器 （Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、微分环节（Ｄｖｅｒｉｖａｔｉｖｅ）、用于限 载设置了一个干扰，异步电机转速降低后再上升，并在 ３．７ｓ时刻恢复。采用本文设计方法得到的模糊控制器系统 响应速度快、转速超调小且回调迅速、电机控运行曲线平 滑，遇到干扰后能迅速恢复，采用模糊理论设计的控制器 的控制性能完全满足电机控制要求。 ４结束语 本文根据交流异步电机转差频率控制理论，运用变频 调速方案，通过分析模糊控制理论，设计了基于电机转差 幅的限幅环节（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）和用于计算误差的减法环节实 现。减法环节计算误差ｅ后，用微分环节得到误差ｅ的变 化量ｃｅ，当误差变化量ｃｅ大于设定值时限定输出，确保在 工作范围内。 频率控制的模糊控制器，并在ＭＡＴＬＡＢ上进行了仿真。 仿真结果显示，该控制器实现了对交流异步电机的精确化 控制，达到了预期的控制目标。由于该模糊控制器的设计 不需要准确的数学模型，因此对于那些难以得到准确数学 ￣ ｉｒｅ￣ ￣ｖｌｕｘ Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ 模型的控制系统，具有很好的推广和应用价值。 参考文献 图９ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下模糊控制模型图 根据设计的模糊控制模型，运用ＭＡＴＬＡＢ下的Ｓｉｅ—ｒ ［１］陈伯时，陈敏逊．交流调速系ｅＡＥＭ］．北京：机械工业出版社， １９９８ ｕｌｉｎｋ工具，对设计的模糊控制器控制的异步电机进行仿 真，得到的电机运行图如图１Ｏ所示。 ｉ ． ［２３－￣新．模糊系统与模糊控制北京ＥＭ］．北京：清华大学出版 社，２００３ ［３］戴柯，段善旭．三相电压整流器／逆流器的功能仿真方法［Ｊ］． 电力电子技术，２００２（５）：６０—６４ ［４］康华光．电子技术基础模拟部分［Ｍ］．４版．北京：高等教育出 版社，１９９９ Ｕ １ ２ ３ ４ ５ ６ ， 图１ ０ ＭＡＴＬＡＢ下控制系统电机调速运行图 Ｅｓ］李佳．模糊自整定ＰＩＤ控制在过热汽温控制系统中的研究与 应用［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，２０１２ 在开始２ｓ施加２２０Ｖ、５ＯＨｚ电源，０～０．０９ｓ时间段 ［６］潘凯岩，刘仲尧．负荷转供在线辅助决策系统在大型电网中 的应用［Ｊ］．电气技术，２０１３（５）：５４—５７ ＥＴ］胡怀伟，李向东．基于模糊控制的转差频率控制系统设计 ｌ－Ｊ］．电气传动自动化，２０１１（１）：３３—３６ 系统转速快速上升出现超速情况（速度超过１ ４６０ｒ／ｍｉｎ）， 同时异步电机转速快速下降并稳定在１ ４６０ｒ／ｍｉｎ直到２ｓ 时刻。在２ｓ时刻，电源频率降为４８Ｈｚ，此时异步电机转 （上接第４２页） 串补装置的保护与控制，防止由线路故障导致的过电压、 过电流问题造成串补装置运行不稳定甚至损坏。 参考文献 由式（２）计算出非线性电阻的能量积累值后，与非线 性电阻的能量限定值进行比较，给出是否执行能量保护的 决策。本文在文献［５］的基础上，提出能量积累值达到能 量限定值的９Ｏ 水平时，启用非线性电阻的能量保护。 实际上，对于非线性电阻，不论是过电流保护还是能 量保护，均是在串补线路故障产生条件下的动作。在大多 ［１］刘毅，刘汉伟，梅涛．一种确定保护受串补电容影响区域的仿 真方法ＥＪ］．电力系统保护与控制，２０１６，２３（４）：５６—５９ ［２］邵庆华．不同运行方式下串补保护装置工作状况的研究ＥＪ］． 陕西电力，２０１１，２０（１１）：７７—７９ 数情况下，过电流保护与能量保护是并发的，但过电流保 护动作的产生通常先于能量保护动作。 ［３］李东敏．简析ｌＯ００ｋＶ特高压固定串补装置保护整定计算 ［Ｊ］．电力电容器与无功补偿，２０１５，４４（１０）：５４—５６ Ｅ４］李嘉迪．中高压配网快速开关型串补保护控制研究ＥＤ］．北 京：华北电力大学，２０１５ ４结束语 配电网中快速开关串补装置的应用已经十分广泛。但 是，在快速开关串补装置的应用过程中，必须要充分注重 ［５］孙井学．基于快速开关的配网串补装置保护策略研究［Ｊ］．智 能电网，２０１５，２５（９）：４４—４８ ５０ Ｉ ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ Ｉ中国电工网
