摘要：本文介绍了水乡站STATCOM内部的具体保护，提出了保护按动作的结果可分为旁路保护、脉冲闭锁保护及跳闸保护三类，还提出了保护按功能逻辑主要形成位置可分为控制器级和功率模块级保护，使读者对看似凌乱的多种具体的STATCOM保护有清晰明确的概念。介绍了追加的失灵保护及STATCOM速断电流保护的改进。为类似的STATCOM保护设计提供实例借鉴。
关键词：STATCOM；保护；介绍
Introduction of Protection of 500kV Shuixiang Substation STATCOM
GUO Yuefa
(Dongguan Power Supply Bureau under Guangdong Power
Grid Corporation, Dongguan 523008, China )
Abstract :This paper introduces internal specific protection of Shuixiang Substation STATCOM, Proposes that the protection can be divided into three classes (bypass protection、pulse blocking protection and tripping protection) according to protection action result, proposes again that the protection can be divided into two ranks(controller rank protection and power module rank protection), makes reader have clear concept of many irregular specific protections of STATCOM. Introduces the superadded failure protection and the improvement of instantaneous current protection of STATCOM. Provides example of reference for similar protection design of STATCOM.
Keywords: STATCOM; protection; introduction
0 引言
2013年6月中国南方电网公司在东莞500kV水乡变电站投产了±200MVar的STATCOM装置，该装置容量世界最大。STATCOM保护是STATCOM重要的必不可少的组成部分，它们既保障STATCOM装置本身安全可靠运行，又保障电网不受STATCOM装置故障的负面影响,并充分发挥STATCOM在电力系统中应有的作用。
关于STATCOM的保护,已有不少的研究、设计及应用[1-5]。文献[1]提出STATCOM的保护系统既包含传统意义上的保护功能，又包含在装置瞬时性故障及电力系统故障或扰动发生时所采取的控制措施，称为控制性保护；文献[2]提出分级动作的过电流、过电压保护是整个STATCOM装置保护系统的核心；文献[3]、[4]提出分级保护体系设计的依据就是STATCOM所处的工作状态，即除了正常运行状态之外的异常、紧急和故障三种状态；文献[5]按异常、紧急及故障三种状态设计一套STATCOM保护系统并获得成功应用。本文介绍500kV水乡变电站STATCOM保护，旨在让有关技术人员对大容量STATCOM保护有深刻的认识和理解，促进学术交流，推动STATCOM技术进步，让STATCOM新技术的应用更加广泛。
1 STATCOM基本情况
为方便后文的理解，在此先介绍STATCOM基本情况如下：
1）水乡站采用集装箱式STATCOM，包括按相配置的阀组集装箱六个，按套配置的水冷集装箱两个。每个阀组集装箱主要分为低压控制区和高压阀组区。低压控制区主要安装脉冲控制柜和电源隔离柜。高压阀组区主要安装功率模块。水冷集装箱主要安装有水冷机组和水冷控制柜。控制等二次设备组屏安装在新建的专用继电器小室内，主要包括系统监控柜、系统控制柜、装置控制柜、低压配电屏、直流屏、故障录波屏、UPS[6]。
2) 整套±200MVar STATCOM装置由两套±100MVar 分STATCOM装置并联构成，它们共用一套控制系统而成为一个整体。STATCOM主电路每相由27级功率单元串联形成多电平链式结构（其中3级冗余及电平55个），每相主电路首尾各串联一个连接电抗器，三相采用三角形联接后接至35kV电压等级，再经500kV/35kV专用变压器升压连接到500kV母线。每个功率单元均相同，都是单相全桥结构（因形似俗称H桥），主要由四个全控制功率器件和充电电容组成，具有旁路功能（即故障功率单元交流侧从主电路中被短路自动退出，其余健全功率单元继续运行）。全控型功率器件选用IEGT[7]。
3）STATCOM基本技术参数：额定电压35kV；最高持续运行电压40.5kV；额定频率50HZ；额定容量±200MVar；三相接线方式是三角形联接;每相连接电抗14mH（2x7mH，首尾各一个）；功率单元直流电容8400uF；阀组功率单元总直流电压67.5kV，（2.5kVx27）；阀组功率单元开关频率250HZ；IEGT功率器件标称电压4500V；IEGT功率器件标称电流1500A；IEGT最大不可恢复浪涌电流10kA；输出电流由额定感性电流转换到额定容性电流的时间不超过20ms；在暂态定电压控制模式下的过载能力为输出电流达到1.5倍额定电流、或输出功率达到1.5倍额定容量(即300MVar)且持续时间不小于5秒[8、9]。
2 STATCOM保护分类
水乡站STATCOM装置内部保护按保护动作的结果可分为三类：旁路保护；脉冲闭锁保护；跳闸保护[8、9]。
2.1 旁路保护
旁路保护动作结果是：将故障功率模块H桥的交流侧通过合上旁路开关直接短路，使该功率模块从主电路中退出运行，而余下其它正常的功率模块构成的主电路继续正常运行。旁路保护动作速度极快。功率模块H桥直流侧电容充电直流电压过高或过低、IEGT驱动板故障、功率模块输出过流、功率模块控制电源故障等类型故障导致旁路保护动作。
2.2 脉冲闭锁保护
脉冲闭锁保护动作结果：通过停发控制脉冲，阻止所有功率模块H桥换相，关闭所有开关器件，STATCOM无电流和功率输出，STATCOM与电网依旧连接有高电压。脉冲闭锁保护是快速保护，从检测有故障发生到保护动作生效的时间仅几十微秒。除旁路保护之外的其他所有STATCOM内部保护均属脉冲闭锁保护，动作结果均闭锁脉冲。
2.3 跳闸保护
跳闸保护动作结果：跳开STATCOM与电网连接的断路器，使STATCOM与电网脱离，STATCOM无电流和功率输出，主电路没有来自电网的高电压。跳闸保护通过机械开关的开断实现，保护速度较慢，一般几百毫秒。STATCOM严重不可恢复的故障、或一般可恢复故障经多次复位仍未消除、或功率模块旁路失败均导致跳闸保护动作。
2.4 三类保护的关系
旁路保护、脉冲闭锁保护及跳闸保护的主要关系如下。
1）旁路保护动作失效，即需要旁路的功率模块未能正确旁路，脉冲闭锁保护动作，且跳闸保护动作。
2）一般可恢复故障首先导致脉冲闭锁保护动作。脉冲闭锁保护动作生效后，STATCOM仍会不断检测故障并判断故障是否已消除。如果故障消除，则自动进行复位操作重发控制脉冲，STATCOM重新投入运行。如果STATCOM重新投运后原故障再次发生，则脉冲闭锁保护再次动作。当连续复位操作次数超出限值次数之后，STATCOM认定故障为严重不可恢复故障，启动跳闸保护，使STATCOM脱离电网彻底退出运行。
3）一些具体保护既是脉冲闭锁保护，又是跳闸保护。如旁路功率模块个数超限保护同时是脉冲闭锁保护及跳闸保护，即该保护动作后既闭锁脉冲又跳开并网断路器。
3 STATCOM保护配置
水乡站STATCOM内部保护按保护功能逻辑主要形成位置可区分为控制器级保护和功率模块级保护。保护功能逻辑主要在控制器形成的保护称为控制器级保护；保护功能逻辑主要在功率模块形成的保护称为功率模块级保护。表1是STATCOM控制器级保护的主要配置情况；表2是STATCOM功率模块级保护的主要配置情况。
表1 主要控制器级配置的保护
Table 1 Main protection matched on controller rank
表2 主要功率模块级配置的保护
Table 2 Main protection matched on power module rank
4 失灵保护
在图1中DL1、DL2、DL3及DL4表示断路器，CT1及CT2表示电流互感器。
水乡站STATCOM工程竣工验收时，保护归口管理部门系统运行部要求增加了失灵保护。该失灵保护是STATCOM装置之外的、用于保护STATCOM装置的保护，其独立组一面屏。增加失灵保护的原因有两个：其一，经过整定计算，专用连接变压器高、低压两侧后备保护对STATCOM过流等故障灵敏度不够，充当不了STATCOM的后备保护；其二，水乡站STATCOM属高技术昂贵设备，要加强保护。
该失灵保护的启动条件是:#1STATCOM内部跳闸型保护动作不返回加上检测到CT1中有电流同时成立；#2STATCOM内部跳闸型保护动作不返回加上检测到CT2中有电流同时成立。失灵保护启动后经过T1延时跳闸DL1和DL2，失灵保护启动后经过T2延时（T2>T1）跳闸DL3和DL4。
5 速断电流保护的改进
此处的速断电流保护是指STATCOM内部的保护。
5.1 一起速断电流保护动作基本情况
2013年7月15日，广东电网500kV北增线发生A相接地故障，56ms后保护动作跳闸，重合成功。水乡站#1、#2STATCOM在北增线故障后6.6ms启动进入暂态快速无功补偿控制模式，在暂态模式运行54.4ms后因#1、#2STATCOM CA相速断电流保护动作而闭锁脉冲。
5.2 保护动作性质
水乡站STATCOM最重要的、最关键的作用是在电力系统出现故障时能快速响应，向系统提供可能最大的无功，支撑系统电压，减少直流换相失败，缩短系统电压恢复时间，保障系统安全稳定运行[10]。只要STATCOM内部没有故障，在电力系统出现故障时，STATCOM就应该不脱离系统并提供足够无功支持。因此，该起速断电流保护动作属于保护误动作性质。
5.3 保护误动作原因分析
1)速断电流一次整定值为2805A，是线电流有效值。#1、#2 STATCOM采用三角形联结，STATCOM三角形环内相电流是环外线电流的1/√3倍。换算后，STATCOM环内相电流一次整定值为2805A÷√3=1620A。STATCOM三角形环内相电流的额定值为952A。按标么值计算，速断电流整定值为1620A/952A=1.7pu。STATCOM进入暂态控制模式运行时、其过负荷能力为输出电流可达额定电流的1.5倍且持续5秒。如此，可计算出速断电流可靠性系数仅为1.7pu/1.5pu=1.13，可靠性低，容易误动作。
2)通过分析故障电流记录结果证明，#1、#2STATCOM AB相、CA相三角形环内相电流有效值均超过1.68pu，十分接近速断电流定值1.7pu。而STATCOM暂态运行时输出电流的正确表现应为:最大输出电流有效值不超过1.5pu。
3）用于STATCOM三角形环内相电流测量的CT采用了电压LEM型CT(HAX2000-5型号)，其绝缘水平低（仅800V），抗干扰能力差，测量出的电流波形长期带有毛刺。
综合上述1）、2）、3）条可知，速断电流保护误动作是必然的。
5.4 防误的改进措施
1）针对误动作的主要原因是STATCOM控制算法未实现对暂态运行最大输出电流的有效控制，致使超调量太大。通过分析和仿真实验，将STATCOM输出电流的电流环PI控制器的比例系数KP由0.6改为0.8，效果良好。
2）将测量三角形环内电流用的CT改用电流LEM型CT（LT2005-S型号），提高了抗干扰能力，较好地消除了测量电流波形的毛刺。
改进后，在较长的运行时间内，STATCOM经历了多次系统故障，进入暂态运行时均未出现速断电流保护误动作现象。
6结语
本文介绍了水乡站STATCOM内部的具体保护，提出了保护按动作的结果可分为旁路保护、脉冲闭锁保护及跳闸保护三类，还提出了保护按功能逻辑主要形成位置可分为控制器级和功率模块级保护，使读者对看似凌乱的多种具体的STATCOM保护有清晰明确的概念。本文还介绍了追加的失灵保护及STATCOM速断电流保护的改进。本文为类似的STATCOM保护设计提供实例借鉴。
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论文作者:郭约法
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：功率论文; 旁路论文; 脉冲论文; 故障论文; 动作论文; 水乡论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第19期论文;