参数识别原理在磁控型并联电抗器保护中的应用

行武，郭晓，王哲，史博伦

（南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211151）

0 引言

随着特高压技术的发展及远距离大容量输电线路的增加，线路容性电流越来越大、过电压情况越来越严重，并联电抗器因具有限制过电压和无功补偿的作用在高压系统中得到广泛的应用［1-3］。并联电抗器主要分为3类：固定容量电抗器，容量固定不可调节、结构简单、运行可靠；分级可控电抗器，容量只能分级调节，无法连续调节容量；磁控型并联电抗器，容量可在5%～100%之间连续调节。

高压系统一旦出现故障，将会对电网产生很大冲击，影响电网的稳定运行，因此，并联电抗器的安全稳定运行极其重要，对其保护的可靠性也有较为严苛的要求。磁控型并联电抗器目前已在特高压系统中得到广泛应用。

1 磁控型并联电抗器工作原理及保护配置

磁控电抗器早在1999年就出现并开始应用，经过不断改进发展至今，学者们一直对其进行着研究和分析［4-9］。文献［4-5］对磁控型并联电抗器的工作原理及过程进行了详细的介绍，同时对电抗器配备的保护也进行了描述。

1.1 磁控型并联电抗器工作原理

磁控型并联电抗器的基本结构和工作过程如图1所示。控制绕组1和2中通入大小相等、方向相反的直流电流，在电抗器铁心1和2中会产生等幅、反向的偏置磁通，使得2个芯柱在交流磁通的正、负半周内轮流饱和。通过改变直流电流的大小，可以改变主铁心的饱和程度，变相改变铁心磁导率，进而控制电抗器的电抗值和工作容量。

图1 磁控型并联电抗器简化运行结构Fig.1 Simplified running structure of a magnetic shunt reactor

1.2 磁控型并联电抗器保护配置

磁控型并联电抗器的稳定工作关系到整个系统的安全运行，必须对其进行可靠地保护，DL／T 242—2012《高压并联电抗器保护装置通用技术条件》规定了相关的保护功能配置，如图2所示（图中：TV为电压互感器；TA为电流互感器）。

图2 磁控型并联电抗器保护配置Fig.2 Configuration of amagnetic shunt reactor protection

磁控型并联电抗器保护主要分为3部分：第1部分为主电抗器的保护，分别配置了差动保护、零序差动保护；第2部分为中性点电抗器保护，配置了过流保护及过负荷保护；第3部分为电抗器控制绕组的保护，配置了电压差动保护及间隙过流保护。匝间保护为主保护，零序过流保护、相过流保护及过负荷保护为后备保护。

目前，电抗器主保护中的差动保护及匝间保护、后备保护的保护参数都是以恒定容量、恒定额定电流为基准设定的。但由于磁控型电抗器的容量可调，当其容量变化较大时额定电流的变化也较大，如果保护参数依然以恒定电流为参考，会导致保护出现拒动或误动，影响电抗器的正常工作［10］。为了改善磁控型电抗器保护的灵敏性及可靠性，本文提出了参数识别原理。

2 参数识别原理应用

参数识别原理在磁控型并联电抗器保护中的具体实现过程分为2部分：首先是对磁控型并联电抗器的阻抗参数进行识别，实时监测电抗器运行容量；然后利用电抗器的实时阻抗参数对保护参数进行修正，保证保护的灵敏性和可靠性。

2.1 阻抗参数识别

为了实时判定磁控电抗器的运行工况，必须对电抗器的阻抗参数进行实时监测：用图2中的TV获取电抗器的三相工作电压，用TA1获取流过可控电抗器首端的三相电流，利用获得的采样电流、电压量求取电流、电压的基波有效值，进而求取电抗器的阻抗参数。磁控型并联电抗器为饱和运行，可能会出现轻微的非对称性运行和零序电流流过中性点电抗器。为了真实反映出可控电抗器的阻抗参数，必须消除中性点电抗对可控电抗参数识别的影响。

式中：ZCA，CB，CC为可控电抗器三相阻抗值；Zg为中性点电抗阻抗值；I1A，1B，1C＝I1A+I1B+I1C，为流过TA1首端的三相基波电流有效值，UA，B，C为电抗器所在线路的电压，即TV的三相基波有效值。

电抗器容量在调节过程中会引起电抗器电流的不断变化，影响电抗器阻抗参数的识别，导致阻抗参数计算误差较大。电抗器参数计算必须在电抗器运行稳定（电流变化不大）时才有效，因此引入保护装置的启动元件作为参数识别修正算法的闭锁元件：电抗器容量调节时如果电流电压变化较大，会启动保护元件，不进行阻抗参数计算；当启动元件返回后才认为电抗器运行稳定，开始阻抗参数的计算。这样就可以避免电抗器容量调节对电抗器阻抗参数识别产生的不利影响，保证阻抗参数识别的准确性。

2.2 保护算法改进

目前工程中磁控型电抗器所用的电抗器保护装置的主保护（差动及匝间保护）及后备过流保护的保护动作电流值（Iop）均基于电抗器的额定电流（Ie）进行整定，即

若电抗器容量调节变化时保护动作电流值还是基于恒定的额定电流会引起保护灵敏度下降、保护拒动误动。

本文将参数识别方法应用到电抗器保护中，利用电抗器的运行电压及电流实时跟踪电抗器阻抗参数的变化，并根据电抗器阻抗参数的变化去修正电抗器保护参数，保证保护的灵敏性和可靠性。

同时为了避免在电抗器容量调节过程中频繁修正电抗器保护参数，增加了修正保护参数的修正阈值：只有当电抗器容量变化超过5%时，才对电抗器保护参数进行修正；其次，为避免故障引起的电抗器阻抗参数变化对保护参数进行的误修改，可利用保护的启动元件对保护参数修正逻辑进行闭锁，只有当保护未启动且电抗器容量变化达到阈值时，才对保护算法进行修正，电抗器保护参数修正流程如图3所示。

图3 电抗器保护参数修正流程Fig.3 Flow chart of reactor protection parameter correction

通过增设2种修正逻辑投入门槛，可以保证修正逻辑的可靠运行，同时不会过多增加保护装置的计算负担，避免电抗器运行状态未稳定及故障时进行保护参数修正引起的保护装置运行异常，提高了修正算法的实用性和可靠性，切实改善了磁控型并联电抗器保护的灵敏性和可靠性，保证了对电抗器保护的高可靠性及灵敏性。

3 算例分析

以实际工程中投运的某磁控型并联电抗器保护装置的保护算法为算例，对前述分析和结论进行验证。BKDFZT-110000／750型单相磁控式可控并联电抗器额定容量为110.0MV·A，容量调节范围为5.5～110.0MV·A，频率为50Hz，网侧绕组额定电压为800 kV，最高运行电压为800 kV，网侧绕组额定电流为238.2 A，联结组标号（三相）为YNyn 0-yn0d11。

以A相为例，分析该电抗器主保护差动保护及后备保护动作特性，

式中：Ida为A相差流有效值；Ira为A相制动电流有效值；˙Iai为A相i侧电流向量；ki为i侧电流平衡系数。

比例制动曲线为2折段，如图4所示，折线以上为动作区域，折线以下为制动区域，采用如下动作方程，

式中：Iopmin为差动启动定值，Iopmin＝0.3Ie；Ir为制动电流有效值；Id为差动电流有效值；k1为制动曲线斜率，如图4所示。

图4 差动保护动作特性Fig.4 The differential protection characteristic

后备过流保护动作特性见式（2），其中常数k取1.5。

根据磁控型并联电抗器工程实际参数及投运保护装置的保护算法进行计算分析，修正容量后电抗器运行容量在5%～100%间变化时，不同故障情况下差动保护及后备过流保护动作特性及计算分析结果见表1，故障简化电路如图5所示，其中R%为故障匝数百分比。

图5 电抗器故障简化电路Fig.5 Simplified reactor fault circuit

表1 修正容量（S n）前、后保护动作特性分析Tab.1 Characteristics analysis on protection before and after taking corrected capacity（S n）

通过表1的算例分析结果可以看出：在不进行电抗器容量补偿的情况下，电抗器在小容量运行时出现区内接地故障时保护会出现拒动的情况，无法切除故障，这可能导致故障进一步发展，损坏一次设备，影响电网安全稳定运行；在进行电抗器容量补偿后，电抗器运行在各种容量下都不会出现保护拒动的情况，保护都能够正确动作切除故障，保护一次设备的安全运行。

4 结论

磁控型并联电抗器应用于超高压及特高压系统中，对其进行可靠地保护尤为重要。目前工程中应用的所有保护装置都是采用固定容量的保护算法，在电抗器容量变化较大时，发生故障保护有可能出现保护拒动及误动的情况，引发事故。

本文将参数识别原理运用到磁控型并联电抗器保护中，通过对电抗器阻抗参数的实时识别，确定电抗器的运行工况，实时跟踪电抗器容量的变化，对保护参数进行实时修正，保证保护的灵敏性。为了保证保护的可靠性，引入了修正容量及阻抗参数计算的门槛值，保证了电抗器容量调节时阻抗参数识别的准确性。

参数识别原理的引入大大改善了电抗器保护的可靠性及灵敏性，对电抗器能够进行更加完善的保护，保证电网更加可靠安全的运行。