基于励磁绕组差模电流基频分...阀式并联电抗器匝间保护方案_郑涛.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1432-07 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 基于励磁绕组差模电流基频分量的新型磁阀式并联电抗器匝间保护方案郑涛1，孟令昆1，杨剑友2，田浩宇1，苏毅3（1新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206；2国网温州供电公司，浙江省 温州市 325000；3北京四方继保自动化股份有限公司，北京市 海淀区 100085）Turn to Turn Protection Scheme for Novel Magnetic Valve Controllable Reactor Based on Fundamental Frequency Component of Differential Mode Current of Excitation Winding ZHENG Tao1,MENG Lingkun1,YANG Jianyou2,TIAN Haoyu1,SU Yi3(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Source(North China Electric Power University),Changping District,Beijing 102206,China;2.State Grid Wenzhou Electric Power Supply Company,Wenzhou 325000,Zhejiang Province,China;3.Beijing Sifang Automation Co.,Ltd.,Haidian District,Beijing 100085,China)ABSTRACT:As a new type of reactive power compensation device,the magnetic valve controllable reactor(MVCR)realizes the smooth regulation of the reactive power in a wide range,and then effectively solve the problem of voltage fluctuation caused by reactive power imbalance.In this paper,a novel MVCR is studied.Firstly,the topology of the novel MVCR is introduced,and the electrical characteristics of the excitation winding during its normal operation are analyzed.On the basis,the fault characteristics of the novel MVCR excitation windings and working windings in case of the inter-turn fault are discussed,and the concept of differential mode current of the excitation winding is introduced to characterize the characteristics of inter turn fault.When the inter-turn fault occurs,there will be a big fundamental frequency component in the differential mode current of the novel MVCR excitation windings.Based on this feature,an inter turn fault protection scheme based on the fundamental frequency component of the differential mode current of the excitation windings is proposed,and the adaptability of this protection scheme in the transient process of the pre-excitation closing is analyzed.Finally,the feasibility and effectiveness of the novel MVCR inter-turn protection scheme proposed in this paper are verified by the Matlab/Simulink simulation experiments.KEY WORDS:magnetic valve reactor;excitation winding;differential mode current;inter-turn fault;pre-excitation closing transient 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2021YFB2401000)。Project Supported by The National Key Research and Development Program of China(2021YFB2401000).摘要：作为一种新型无功补偿装置，磁阀式可控电抗器(magnetic valve controllable reactor，MVCR)能够实现无功功率的大范围平滑调节，进而有效解决无功失衡导致的电压波动问题。该文针对一种新型 MVCR 开展研究，首先介绍了该种新型 MVCR 的拓扑结构，分析了其正常运行时励磁绕组的电气特性，在此基础上针对新型 MVCR 励磁绕组和工作绕组发生匝间故障时的故障特性开展研究，其中引入了励磁绕组差模电流的概念来表征匝间故障特征。当匝间故障发生后，新型 MVCR 励磁绕组差模电流中将产生较大的基频分量。基于该故障特性，提出了一种基于励磁绕组差模电流基频分量的匝间保护方案，并进一步分析了该保护方案在预励磁合闸暂态过程中的适应性。最后，通过 Matlab/Simulink仿真实验，验证了该文所提新型 MVCR 匝间保护方案的可行性及有效性。关键词：磁阀式电抗器；励磁绕组；差模电流；匝间故障；预励磁合闸暂态 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0935 0 引言 随着电网建设规模的不断扩大，输配电网络发展迅速，拓扑结构愈加复杂，伴随着各种电气设备接入电网，无功失衡导致的电压波动问题日益突出，同时由于太阳能、风能等新能源大量接入系统时的时空分布特性和不确定性1-2，加剧了无功电压问题，影响设备的安全稳定运行。可控并联电抗器作为一种动态无功补偿装置，可以有效地解决上述问题，其能够根据负荷大小和电压水平自动地调节容量，达到稳定电压的效果。与传统可控并联电第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1433 抗器相比，磁阀式可控电抗器(magnetic valve controllable reactor，MVCR)作为一种新型可控高抗，具有响应速度快、损耗低、噪声小并且谐波含量低等优点，因此可以灵活地控制无功功率平滑输出3-5。目前已有多套基于 MVCR 的动态无功补偿装置在各电压等级下的电网中投运使用6-10，MVCR 的使用显著提高了区域内的电压水平与电能质量，增强了用电可靠性，正逐步扩大区域推广使用，因此具有广阔的应用前景和发展潜力，同时有利于提升电网的智能化水平。因此，保障 MVCR的安全稳定运行对区域内的无功平衡和电压稳定至关重要，同时也对保护配置的可靠性提出了较高的要求。目前国内外有关 MVCR 的研究，主要集中在稳态工作特性方面。文献11提出了将 MVCR 铁心中单段磁阀结构分成多段从而实现提高整体性能的目的；文献12对 MVCR 铁心的磁阀结构及其局部过热问题展开了理论分析和案例解析，指出了MVCR 磁阀局部过热问题的原因及影响；文献13分析了 MVCR 不同绕组结构对其容量调节过渡过程的影响，进而说明了影响 MVCR 响应速度的根本原因。上述对于 MVCR 的研究均围绕于优化磁路结构、减少运行损耗以及提高励磁响应等方面来展开，而针对 MVCR 本体故障特性以及相应的保护配置研究甚少，亟需开展相应的研究工作。相较于其他类型的可控电抗器，MVCR 工作原理较为特殊，接线形式亦更为复杂，必须针对性地开展 MVCR 本体保护研究。目前对于磁阀电抗器的保护一般都是采用常规的固定电抗器保护或较为成熟的磁控高抗保护实现故障识别14-16，针对匝间故障，一般采用零序功率方向保护17，该保护对于短路匝比较大的匝间故障有较好的反应能力，但由于低压侧角形连接的励磁绕组在发生匝间故障后会分流大部分的零序电流14，从而限制零序功率方向保护对于小短路匝比的匝间短路的灵敏性，甚至导致保护的拒动。针对目前新型 MVCR匝间保护存在的局限性，本文在对其结构及工作原理详细分析的基础上建立起仿真模型并引入了差模电流的概念，重点针对新型 MVCR 工作绕组及励磁绕组的匝间故障特性进行研究，根据匝间故障前后励磁绕组差模电流谐波含量的差异，提出了一种基于励磁绕组差模电流基频分量的匝间故障保护方案，该保护方案逻辑清晰，可实现对不同容量下工作绕组和励磁绕组小匝间故障的正确识别，并具有较高的灵敏性。本文亦对该匝间保护方案在预励磁合闸暂态过程中的适应性开展研究，仿真结果验证了所提匝间保护方案的可行性和有效性。1 新型 MVCR 运行特性分析 1.1 新型 MVCR 拓扑结构 新型 MVCR 单相铁心结构及绕组联结方式如图 1 所示。与常规 MVCR 由单一电压等级下的励磁/工作复合绕组的结构不同18，新型 MVCR 由两个电压等级下的工作绕组和励磁绕组分别构成，增加了单独的工作绕组来输出无功功率，励磁绕组起到产生直流偏磁、改变铁心工作点的作用，因此与传统结构相比，扩大了无功容量。其中，两个工作绕组同极性串联接入电网；两个励磁绕组a和b各自均分为12/aa、12/bb两部分，并跨接缠绕在 p、q 心柱，不同心柱的励磁绕组相互交叉串联，如图 1所示的支路 1 和支路 2，两支路端口同极性并联；励磁绕组各部分(12/aa、12/bb)均有变比为的抽头引出，其中晶闸管1T跨接于 p 心柱励磁绕组1a和2b抽头之间，晶闸管2T跨接于q心柱励磁绕组2a和1b抽头之间，二极管 D 跨接于 p、q 心柱励磁绕组1a和1b末端。*T1Da1b2b1a2T2*iA*qpiwNwNkuwuAp心柱q心柱Nk12CT1CT2工作绕组励磁绕组 图 1 单相新型 MVCR 铁心结构及绕组联结方式 Fig.1 Structure and wiring connection of single-phase novel MVCR 通过给晶闸管1T和2T设置不同的触发信号，可以控制励磁绕组中产生直流偏磁的大小，进而调节 p、q 两心柱的饱和程度，最终改变新型 MVCR电抗值以及工作容量大小。图中wi和Ai分别为工作绕组、励磁绕组的端口电流；p和q分别为 p、q心柱的主磁通。1.2 新型 MVCR 励磁绕组电气特性分析 由图 1 可得，相较于工作绕组，新型 MVCR励磁绕组的拓扑结构与联结方式更为复杂，且电路中存在着交直流耦合的状态，有必要对励磁绕组的电气特性进行分析。以电源正半周时