TCT式并联电抗器控制绕组匝间故障保护方案

张芬芬，郑 涛，刘连光

（华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）

0 引言

采用并联电抗器补偿输配电系统长线路的容性无功是常用方法。随着全球能源互联战略的提出，一方面，采用超／特高压技术建设远距离、大功率输电线路的需求越来越大［1-2］；另一方面，新能源发电的大规模集中接入会使得超／特高压输电线路上潮流变化更加频繁，加剧了无功电压控制的难度。现有的固定电抗器已难以满足大电网容性无功补偿的需求，而补偿容量可控的电抗器将成为有效解决超／特高压输电系统中无功与电压控制难题的关键技术之一［3-5］。其中，晶闸管控制变压器 TCT（Thyristor-Controlled Transformer）式并联电抗器是一种新型的可控电抗器，其兼具分级式可控电抗器响应速度快［6］和磁控式可控电抗器容量平滑可调［7］的优点，是未来超／特高压电网并联电抗器技术可能的发展方向［8］。

TCT式并联电抗器本质上属于高漏抗变压器，其漏抗可达100%额定阻抗，其铁芯具有较大的过载能力，不易饱和。采用TCT式并联电抗器来解决超／特高压输电系统的无功电压问题比其他电抗器更具优势。匝间故障保护是可控电抗器保护的重点和难点。与固定电抗器、常规电力变压器相比，TCT式并联电抗器的结构复杂，其高漏抗的设计使控制绕组匝间故障时的故障特征不明显，且运行中需根据系统无功需求调节工作容量，这些结构和工作原理上的特殊性使得TCT式并联电抗器控制绕组匝间故障在保护配置上面临更多的难题。目前针对可控并联电抗器保护方案的研究主要集中于磁控式［9-11］和分级式［12-14］电抗器，而对TCT式并联电抗器的研究较少，其控制绕组匝间短路故障保护是尚未解决的难题之一，故有必要对其展开研究。文献［14］针对分级式可控并联电抗器，提出用控制绕组自产零序过流保护反映控制绕组匝间短路故障，但其存在灵敏性低、动作慢等缺点。固定电抗器匝间短路一般采用由电抗器首端自产零序电流、零序电压组成的零序功率方向的保护方案［15］；而TCT式并联电抗器发生控制绕组匝间故障时，因补偿绕组采用三角形连接形式分流了大部分的零序电流，导致网侧零序功率方向保护灵敏度不足。文献［16］给出了TCT式并联电抗器的整体保护配置方案，针对控制绕组匝间故障，指出其是因为高漏抗的结构导致基于磁平衡的纵联电流差动保护灵敏度不足。

综上所述，考虑到TCT式并联电抗器的特殊结构和运行方式，目前尚无针对其控制绕组匝间故障的有效保护方案，本文从不同工况下的电气量出发，提出在控制绕组匝间故障情况下，综合利用零序电压、零序电流等电气量特征，采取主、辅判据相结合的方式，能有效解决TCT式并联电抗器控制绕组匝间故障保护灵敏度不足的问题。

1 TCT式并联电抗器控制绕组匝间故障特征及其他工况影响分析

1.1 TCT式并联电抗器的结构及参数

典型的TCT式并联电抗器结构如图1所示，其由网侧绕组、控制绕组和补偿绕组构成。网侧绕组连接高压输电系统，末端经中性点直接接地（用作母线高抗）或经小电抗接地（用作线路高抗）；控制绕组通过反并联的晶闸管阀组构成相控式交流调压电路［17］，通过调节晶闸管触发角α，改变一个周期内控制绕组电流的平均值，从而平滑地调节电抗器的工作容量；补偿绕组采用△连接，并配有滤波支路，以减小正常运行时注入网侧的谐波。

图1 TCT式并联电抗器的本体结构Fig.1 Body structure of TCT shunt reactor

基于35 kV TCT式并联电抗器低压物理模型，在MATLAB／Simulink中搭建了精确仿真模型，其参数如下：额定频率为50 Hz，网侧绕组、控制绕组、补偿绕组额定相电压分别为网侧绕组、控制绕组、补偿绕组单相额定容量分别为10、10、3 Mvar，网侧绕组基波电流、控制绕组基波电流、补偿绕组角内基波电流分别为495、1667、500 A，网侧绕组-控制绕组、网侧绕组-补偿绕组、控制绕组-补偿绕组额定短路阻抗电压分别为96%、60%、35%。

1.2 控制绕组匝间故障

TCT式并联电抗器在满容量运行方式下控制绕组某相发生匝间故障时的零序等效电路如图2所示。图中，Xs0为等值系统零序电抗；XⅠ、XⅡ、XⅢ分别为TCT式并联电抗器网侧绕组、控制绕组、补偿绕组的漏抗；Xm为励磁电抗；Xk为匝间故障等效附加绕组电抗；U0为故障后零序电压相量。

图2 控制绕组匝间故障零序等效电路Fig.2 Zero-sequence equivalent circuit of control winding inter-turn fault

控制绕组匝间短路故障状态下，零序电源位于电抗器内部故障相上，根据图2可知，网侧绕组、控制绕组、补偿绕组、励磁支路并联，对总的零序电流形成分流。由35 kV TCT式并联电抗器低压物理模型参数设定可知，网侧绕组、控制绕组、补偿绕组的额定漏抗分别为 0.605、0.355、-0.005 p.u.。 忽略励磁支路上的电流，网侧绕组分流最小，控制绕组次之，补偿绕组分流最大，宜采用补偿绕组零序电流量来反映控制绕组匝间故障。另外，网侧零序电流很小，且系统零序电抗不大，故电抗器安装母线处电压互感器检测到的零序电压（以下简称“网侧零序电压”）很小，这也是不能采用常规变压器零序功率方向保护来反映控制绕组匝间故障的原因之一。概括而言，控制绕组匝间短路故障特征表现为：补偿绕组零序电流明显增大；网侧零序电压很小；网侧绕组零序电流、控制绕组零序电流较小。

图3给出了TCT式并联电抗器工作在40%容量下，控制绕组A相发生50%匝间故障时各绕组电气量仿真波形（故障时刻设置在3 s），各电气量均采用标幺值，后同。由图3可知，故障后网侧零序电压、零序电流以及控制绕组零序电流均很小，只有补偿绕组电流较大，验证了上述理论分析结果的正确性。由上述分析可得，可用补偿绕组零序电流构成控制绕组匝间短路故障保护的主判据。由于补偿绕组正常工作时流过多次谐波电流，为提高保护灵敏度和可靠性，宜提取补偿绕组零序电流工频分量。

图3 40%容量下控制绕组A相发生50%匝间故障时各电气量波形Fig.3 Voltage and current waveforms during 50%inter-turn fault of phase-A control winding，with 40%capacity

1.3 系统非全相运行或发生不对称接地故障

用作母线高抗的TCT式并联电抗器在系统非全相运行或发生不对称接地故障时，网侧三相电压的非对称性可能导致控制绕组晶闸管阀组触发紊乱，各绕组电气量均会呈现非对称的运行状态。TCT式并联电抗器在满容量运行方式下，当系统发生不对称接地故障时的零序等效电路如图4所示。此时零序电压源位于电抗器外部，网侧电压互感器检测到较大的零序电压，电抗器网侧绕组、控制绕组、补偿绕组均产生较大的零序电流。与1.2节控制绕组匝间短路故障特性相比，其最明显的区别在于网侧零序电压的大小：控制绕组匝间短路故障对网侧电压的对称性破坏很小，网侧零序电压很小；系统非全相运行或发生不对称接地故障时网侧绕组三相电压将出现明显的不对称，网侧零序电压较大。故为了防止系统非全相运行及发生不对称接地故障情况下保护主判据误判，宜采用零序高电压闭锁元件作为辅助判据，实现上述工况下零序电流保护的闭锁。

图5给出了TCT式并联电抗器工作在40%容量下，系统近端线路A相发生接地故障情况下网侧零序电压的波形图（故障时刻设置在3 s）。由图5可见，此时零序电压数值比控制绕组匝间故障时大很多，进一步验证了所提零序高电压闭锁的可行性。

图4 区外不对称接地故障零序等效电路Fig.4 Zero-sequence equivalent circuit of out-zone asymmetric grounding fault

图5 40%容量下区外A相接地故障时网侧零序电压波形Fig.5 Grid-side zero-sequence voltage during out-zone phase-A grounding fault，with 40%capacity

1.4 电抗器空投

TCT式并联电抗器投入运行时，网侧电压突变有可能产生励磁涌流，从而在补偿绕组中产生幅值较大的零序电流，易引起主判据误判。若通过抬高保护定值来躲过励磁涌流，则很可能会导致控制绕组匝间故障时保护拒动，降低了保护的灵敏度，且由于此时网侧零序电压很小，零序高电压闭锁的辅助判据也失效，因此必须增加电抗器空投闭锁判据。通常在进行TCT式并联电抗器空投操作时，首先将控制绕组晶闸管闭锁，其次断开补偿绕组的5次、7次滤波支路，最后在TCT式并联电抗器网侧进行合闸操作。由此可见，TCT式并联电抗器空投时，其结构已与常规Y-△电力变压器相类似，故其空投操作引起的暂态过程与常规电力变压器空载合闸过程相似。因此TCT式并联电抗器空投判据可借鉴传统变压器涌流闭锁判据［18-20］，如二次谐波制动、间断角原理等，本文不再赘述。

1.5 容量调节

为限制系统工频过电压、操作过电压以及抑制故障后潜供电流，TCT式并联电抗器需要频繁地进行容量调节。考虑到容量调节过程中三相控制系统的误差以及晶闸管触发脉冲的延时，各绕组运行状态可能会出现暂态不对称，导致基于补偿绕组零序电流的主判据误动，故TCT式并联电抗器的保护配置必须考虑到其容量调节暂态过程的影响，这是传统固定电抗器或者变压器保护不曾面临的新问题，也是TCT式并联电抗器保护研究的难点。

在电抗器阀控系统接收到容量调节指令的瞬间，处于导通状态的晶闸管仍将按照原触发角触发状态导通；而处在关断状态的晶闸管则将在收到触发信号之后，以新的触发角触发状态导通。换言之，在阀控系统改变触发角设定值后的一段时间内，6个晶闸管的触发角不再相同，导致控制绕组三相电流不再对称，这种不对称通过磁通耦合传递到网侧绕组和补偿绕组电流中，所以网侧绕组、补偿绕组也会出现较大的零序电流，进而造成主判据误判。此外，容量调节过程中网侧零序电压很小会导致零序高电压闭锁辅助判据也失效。

图6给出了容量10%至90%阶跃调节以及90%至10%阶跃调节时补偿绕组零序电流工频分量的波形，容量调节发生在1.5 s时刻。仿真结果显示容量调节的暂态过程中补偿绕组零序电流工频分量数值较大，甚至超过控制绕组匝间故障情况下的电流水平（见图3），必然会导致主判据失效。

图6 容量调节时电流波形Fig.6 Current waveforms during capacity adjustment

为防止工作容量调节过程中保护误动，同时兼顾匝间故障情况下保护的灵敏度，建议主判据采用两段式整定方法。固定容量运行方式下采用低定值的灵敏Ⅰ段保护，保护定值Iset1按躲过正常工作下补偿绕组的不平衡电流整定，保证保护的灵敏度；在阀控系统收到容量调节指令的瞬间，启用定值较高的不灵敏Ⅱ段保护，避免保护误动；经一定延时后再自动切换到灵敏I段零序过电流保护。不灵敏Ⅱ段保护定值Iset2按照躲过容量调节工况下补偿绕组出现的最大不平衡电流整定，Ⅱ段保护投入时间按照躲过容量调节暂态过程最大持续时间整定。

2 控制绕组匝间保护方案及其整定方法

综合1.2至1.5节的分析，提出TCT式并联电抗器控制绕组匝间故障保护的新方案，新方案采用主判据和辅助判据配合的形式：主判据采用零序过电流保护元件，检测补偿绕组零序电流工频分量的有效值，当容量不变时将之与灵敏Ⅰ段保护的整定值比较，若超过整定值则输出动作指令，在容量调节过程中将之与不灵敏Ⅱ段保护的整定值比较，若超过整定值则输出动作指令；辅助判据由区外异常闭锁判据和空投闭锁判据组成，其中区外异常闭锁判据用来检测零序电压并将之与整定值比较，若超过整定值则输出闭锁指令。当主判据输出动作指令，且辅助判据无闭锁指令输出时，延时跳开电抗器网侧开关。

考虑到TCT式并联电抗器安装处三相电压可能存在的不平衡，以及由设备制造误差造成的电抗器三相漏抗参数的差异均会导致正常运行时补偿绕组产生不平衡电流，故在主判据灵敏Ⅰ段保护整定时需考虑上述工况的影响。为了防止容量调节暂态过程对保护造成影响，不灵敏Ⅱ段保护整定时需躲过容量调节暂态过程中补偿绕组最大不平衡电流，不灵敏Ⅱ段保护投入时间整定需躲过容量调节暂态过程最长持续时间。

考虑到5%的设备制造误差，表1给出了35 kV TCT式并联电抗器仿真模型在不同工作容量下补偿绕组零序电流工频分量的有效值（标幺值，后同），其中最大不平衡电流I0max1=0.0804 p.u.。为了躲过其影响，灵敏Ⅰ段保护定值设定为Iset1=Krel1I0max1，灵敏Ⅰ段保护可靠系数Krel1取为1.2，则Iset1=1.2×0.0804≈0.1 In3，其中In3为补偿绕组额定电流。表2给出了电抗器容量调节工况下补偿绕组零序电流工频分量的有效值及暂态过程持续时间，其中最大不平衡电流I0max2=0.7583 p.u.。为了躲过其影响，不灵敏Ⅱ段保护定值设定为Iset2=Krel2I0max2，不灵敏Ⅱ段保护可靠系数Krel2取为 1.2，则 Iset2=1.2×0.7583≈0.9In3，投入不灵敏Ⅱ段保护可靠系数时间可设定为tS=200 ms。

表1 电抗器参数5%不平衡时补偿绕组不平衡电流Table 1 Unbalanced current of compensation windings，with 5%unbalance of reactor parameter

表2 容量调节暂态过程中补偿绕组零序电流Table 2 Zero-sequence current of compensation winding during capacity adjustment

至此，可给出主判据的动作方程。电抗器固定容量运行时Ⅰ段保护投入，动作方程为：

其中，3I0Ⅲ为补偿绕组零序电流工频分量有效值。电抗器容量调节暂态过程中Ⅱ段保护投入，动作方程为：

对于区外异常闭锁判据，零序高电压闭锁判据定值按照躲过正常工况下线路电压互感器最大不平衡电压整定，根据经验，取Uset=0.01Un1，其中Un1为电抗器网侧额定电压，闭锁方程为：

其中，3U0Ⅰ为网侧零序电压。

综上所述，本文设计的保护方案动作逻辑图如图7所示。

图7 控制绕组匝间保护逻辑图Fig.7 Protection logic of control winding inter-turn fault

3 匝间保护方案灵敏度分析

3.1 不同运行容量下匝间保护的灵敏度

基于35 kV TCT式并联电抗器仿真模型，对容量固定运行方式下电抗器发生控制绕组匝间故障进行了多组仿真测试，仿真结果如表3所示。其中，灵敏度计算方法为：Ksen1=3I0Ⅲ／Iset1。仿真结果表明，在控制绕组发生20%及以上匝间故障时，本文所提方案有一定灵敏性；在小容量工作方式下保护灵敏度较高，5%及以上匝间故障均能被保护检测到，而大容量工作方式下发生小匝比短路故障时保护灵敏度稍显不足。这是因为工作容量越大，控制绕组匝间故障对三相电流对称性的破坏性相对而言越小，故障特征越不明显。

表3 不同容量下匝间保护灵敏度Table 3 Sensitivity of inter-turn fault protection for different capacities

3.2 容量调节方式下匝间保护灵敏度

在容量调节过程中控制绕组也有发生匝间故障的可能性，为验证所提方案在此情况下的灵敏性，对容量调节期间控制绕组发生匝间故障的工况进行了仿真测试，仿真结果如表4所示。其中，灵敏度计算方法为：Ksen2=3I0Ⅲ／Iset2。仿真结果表明，本文所提匝间故障保护方案在容量调节暂态过程中仍具有一定的灵敏性，但目标容量较大时会出现保护灵敏度不足的情况。例如，40%至90%和70%至90%容量调节过程中发生50%及以下的匝间故障时，所提方案灵敏度不足，这与表3中反映出的电抗器在大容量工作方式下发生匝间短路时保护灵敏度会降低的规律相一致。另外，目标容量均为90%而调节过程不同时，保护灵敏度也会呈现出一定差异。例如，10%至90%和40%至90%容量调节过程中控制绕组均发生50%匝间故障时，10%至90%容量调节工况下保护能可靠动作，但40%至90%容量调节工况下保护灵敏度不足。笔者认为，这与电抗器容量调节暂态特性有一定联系，起始容量和目标容量的不同都会影响其暂态特性，保护灵敏度并不简单取决于短路匝比这一因素，同时与容量调节的具体暂态过程密切相关，详尽的物理解释有待更深入地分析。

表4 容量调节过程中保护灵敏度Table 4 Protection sensitivity during capacity adjustment

4 结论

a.本文结合TCT式并联电抗器的特点，分析了控制绕组匝间故障下的电气量特征，并对比分析了系统非全相运行及区外线路发生不对称故障、电抗器空投、容量调节暂态过程中电气量的异同，综合利用网侧零序电压以及补偿绕组零序电流工频分量，采用主判据和辅助判据结合的方式，兼顾保护的灵敏度和可靠性，提出了TCT式并联电抗器控制绕组匝间故障保护的新方案。

b.为防止容量调节过程中保护误动，主判据采取两段式的整定方式以兼顾匝间故障下保护的灵敏度和容量调节过程中的可靠性，电抗器固定容量运行方式下投入低定值高灵敏Ⅰ段保护，容量调节的暂态过程中启用高定值低灵敏Ⅱ段保护。

c.辅助判据是利用网侧零序电压构成区外异常闭锁判据，并增加空投闭锁判据，保证在系统非全相运行或发生不对称故障、电抗器空投等过程中保护可靠、不误动。

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