基于串補(bǔ)電容對(duì)輸電線路距離保護(hù)的影響研究

周文杰

(廣西電網(wǎng)公司崇左供電局，廣西 崇左 532200)

1 引言

隨著我國(guó)大容量、遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)展，串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)在超高壓遠(yuǎn)距離輸電中得到了廣泛應(yīng)用。串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)已是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，通過串補(bǔ)電容補(bǔ)償線路感抗，縮短了交流傳輸?shù)碾姎饩嚯x，降低了線路輸送損耗，改善了線路的電壓質(zhì)量，提高了線路的傳輸功率，使輸送功率的分布更加合理，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定性。

但串聯(lián)補(bǔ)償電容的存在破壞了傳輸線路阻抗的均勻性，使串補(bǔ)線路發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)電壓反向、電流反向及引入暫態(tài)分量和次同步諧振等現(xiàn)象，這些問題給線路保護(hù)帶來了重大影響。

2 輸電線路距離保護(hù)及串補(bǔ)電容技術(shù)原理簡(jiǎn)介

2.1 距離保護(hù)基本原理

距離保護(hù)是利用短路時(shí)電壓、電流同時(shí)變化的特征，測(cè)量電壓與電流的比值，反應(yīng)故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離而工作的保護(hù)。圖1為其基本的原理圖。

圖1 距離保護(hù)原理圖

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，首先判斷故障的方向，若故障位于保護(hù)區(qū)的正方向上，則測(cè)出故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離LK，然后與整定距離Lset進(jìn)行比較:若LK＜Lset，說明故障點(diǎn)(圖中k1點(diǎn))位于保護(hù)范圍之內(nèi)，保護(hù)應(yīng)該立即動(dòng)作;若LK＞Lset，則說明故障點(diǎn)(圖中 k2點(diǎn))位于保護(hù)范圍之外，保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。若故障點(diǎn)(圖中k3點(diǎn))位于保護(hù)區(qū)的反方向上，則無(wú)需進(jìn)行故障距離的測(cè)量，直接判為區(qū)外故障，保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。

通常情況下，距離保護(hù)通過測(cè)量短路阻抗的方法間接測(cè)量和判斷故障距離。在距離保護(hù)中，測(cè)量阻抗Zm，定義為保護(hù)安裝處測(cè)量電壓Um和測(cè)量電流Im的比值，即

電力系統(tǒng)發(fā)生金屬性短路時(shí)，Zm為短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處的線路阻抗。

式中:z1為單位長(zhǎng)度線路阻抗;LK為故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的故障距離。

式中，Zset為整定阻抗;Lset為整定距離。

因此只要比較測(cè)量阻抗與整定阻抗的大小便可判斷故障點(diǎn)是否位于保護(hù)范圍之內(nèi)。

2.2 串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)簡(jiǎn)介

2.2.1 串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)基本原理

串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)是通過在線路上加裝串聯(lián)補(bǔ)償電容，以補(bǔ)償線路的電感。其等效于縮短線路的電氣距離，提高線路的傳輸功率，降低線路的輸送損耗，改善線路的電壓質(zhì)量，降低線路的電壓降及減少兩端電壓的相角差。通過加裝串聯(lián)補(bǔ)償電容使的輸送功率分布更加合理化，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定性也得到了顯著地提高。串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)幕驹砣鐖D2所示。

圖中XL為線路的等效電抗，則電容補(bǔ)償前輸送功率為:

電容補(bǔ)償后輸送功率為:

設(shè)Kc為線路串聯(lián)補(bǔ)償電容補(bǔ)償度，即

由以上式可知，保持兩端電壓不變時(shí)，串聯(lián)電容補(bǔ)償線路的輸送能力可提高1/(1－Kc)倍。由此可得，線路串聯(lián)補(bǔ)償電容后可以顯著提高線路的傳輸容量。串聯(lián)補(bǔ)償電容的主要作用還在于通過補(bǔ)償線路感抗，降低線路兩端的電壓降和相角差，從而提高線路的動(dòng)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定裕度，為大功率傳輸電力提供了條件。

2.2.2 串聯(lián)補(bǔ)償電容的主要作用

串聯(lián)補(bǔ)償電容主要通過補(bǔ)償線路電感，縮短交流傳輸?shù)碾姎饩嚯x，從而提高線路的傳輸容量以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串聯(lián)補(bǔ)償電容主要有以下的作用:

(1)提高輸電線路的輸送容量，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性;補(bǔ)償電容串聯(lián)在線路中，補(bǔ)償了線路的感抗，進(jìn)而減小了線路電抗。等效于縮短了電氣傳輸?shù)碾姎饩嚯x，降低了線路上的電壓降和線路兩端的相角差，從而提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)降低電壓偏差，改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓和無(wú)功平衡條件，在配電網(wǎng)中主要用來補(bǔ)償線路壓降，提高電壓質(zhì)量;

(3)改善傳輸功率的分配，更加合理地分配并聯(lián)線路或環(huán)網(wǎng)中的潮流;

(4)降低網(wǎng)損，更加經(jīng)濟(jì)。

串聯(lián)電容相當(dāng)于減小了線路感抗，降低了輸電線路損耗;同時(shí)在長(zhǎng)距離大容量輸電線路中，串聯(lián)電容可以減少輸電線路回?cái)?shù)，從而減少投資。

3 串補(bǔ)電容對(duì)輸電線路距離保護(hù)的影響

隨著電力系統(tǒng)輸送容量的增大，串補(bǔ)電容作為提高線路輸送能力的經(jīng)濟(jì)適用方法，將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。然而，應(yīng)用串補(bǔ)電容提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、改善電壓質(zhì)量、提高線路輸送能力的同時(shí)，也給電力系統(tǒng)帶來了一些不利影響。對(duì)一般輸電線路而言，其阻抗參數(shù)均為感性的參數(shù)，且線路保護(hù)裝置的方向測(cè)量元件及阻抗測(cè)量元件均以線路參數(shù)的這一“感性”特點(diǎn)為基礎(chǔ)。線路串補(bǔ)電容改變了線路參數(shù)的這一“感性”特點(diǎn)，必然會(huì)對(duì)線路保護(hù)特別是距離保護(hù)造成影響。

3.1 輸電線路串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備接線

用串補(bǔ)電容的容抗補(bǔ)償線路的感抗，使兩側(cè)電源間的總電抗減小，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備原理接線如圖3所示。當(dāng)電容器兩端的電壓升高時(shí)，MOV電阻減小。當(dāng)MOV電壓升至Upr時(shí)，放電間隙GAP被擊穿，對(duì)放電間隙起保護(hù)作用(串補(bǔ)的最高電壓為Upr)。阻尼繞組對(duì)故障時(shí)高頻分量起衰減作用。

圖3 串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備原理接線圖

輸電線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作發(fā)跳閘命令的同時(shí)將串補(bǔ)電容旁路開關(guān)接通，串補(bǔ)電容被短接。這時(shí)候串補(bǔ)電容只對(duì)快速動(dòng)作的距離Ⅰ段產(chǎn)生影響，而對(duì)帶延時(shí)的距離保護(hù)Ⅱ、Ⅲ段沒有影響。

3.2 串補(bǔ)電容安裝位置對(duì)距離保護(hù)的影響

(1)串補(bǔ)電容安裝在保護(hù)的正方向

圖4 線路正方向有串補(bǔ)時(shí)示意圖

串補(bǔ)電容安裝在保護(hù)的正方向時(shí)，如圖4所示。當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)測(cè)量阻抗Zm=－jXc，過原點(diǎn)的方向阻抗繼電器將拒動(dòng)，但對(duì)以記憶電壓為極化量的阻抗繼電器，由于XC＜ZS，繼電器不會(huì)誤動(dòng)。K2點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)測(cè)量阻抗Zm=Z1－jXc，可能引起距離Ⅳ段阻抗繼電器誤動(dòng)，如圖5所示。

圖5 線路正方向有串補(bǔ)修正后的距離保護(hù)特性

(2)串補(bǔ)電容安裝在保護(hù)的反方向

串補(bǔ)電容安裝在保護(hù)的反方向時(shí)，如圖6所示。K1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)測(cè)量阻抗為Zm=jXc，如果XC＞Xset，阻抗繼電器將會(huì)誤動(dòng)，如圖7所示。

圖6 線路反方向有串補(bǔ)時(shí)示意圖

圖7 線路反方向有串補(bǔ)修正后的距離保護(hù)特性

4 現(xiàn)有的解決方案及評(píng)價(jià)

4.1 解決方案

4.1.1 圓特性距離保護(hù)

(1)串補(bǔ)電容安裝在保護(hù)的正方向

串補(bǔ)電容上所產(chǎn)生的最大壓降為電容MOV的保護(hù)級(jí)峰值電壓Upr，故障時(shí)串補(bǔ)上的壓降－jLXc最大值不超過Upr/2I。為解決區(qū)外短路距離Ⅰ段超越問題，在距離Ⅰ段的整定阻抗基礎(chǔ)上再增加1個(gè)電抗型繼電器。

如圖5所示，直線下方為動(dòng)作區(qū)，距離保護(hù)Ⅰ段的保護(hù)范圍將縮小(縮小值為Upr/2I)，隨著運(yùn)行方式的變化而變化有一定的自適應(yīng)能力，防止了區(qū)外短路距離Ⅰ段的超越。

(2)串補(bǔ)電容安裝在保護(hù)的反方向

串補(bǔ)安裝在保護(hù)的反方向，如果XC＞Xset，可配置如圖7所示的電抗型繼電器防止反方向故障時(shí)誤動(dòng)。電抗器下方為動(dòng)作區(qū)。

4.1.2 四邊形特性距離保護(hù)

(1)距離方向元件

四邊形特性距離保護(hù)的距離元件分為距離測(cè)量元件和距離方向元件。距離方向元件采用記憶電壓，用故障前的記憶電壓同故障后電流的比相來判別故障方向。采用記憶電壓判別方向，避免了保護(hù)反方向時(shí)由串補(bǔ)引起的阻抗繼電器誤動(dòng)。采用故障后電流，降低了距離方向元件的靈敏性。距離元件的動(dòng)作條件為方向元件時(shí)判為正方向，且計(jì)算阻抗在整定的四邊形范圍內(nèi)。

(2)距離測(cè)量元件

沒有串補(bǔ)的距離保護(hù)動(dòng)作特性如圖8所示。圖中，正方向保護(hù)范圍AB為防止經(jīng)過渡電阻短路引起保護(hù)誤動(dòng);保護(hù)范圍BC為躲過負(fù)荷阻抗;保護(hù)范圍AD、CD為保證正方向出口短路時(shí)，保護(hù)有足夠的靈敏性。

圖8 四邊形特性阻抗保護(hù)動(dòng)作特性

對(duì)于有串補(bǔ)電容的線路，為保證電容器故障后保護(hù)能正確動(dòng)作，在反向自動(dòng)取Xc的1.25倍定值。同時(shí)為避免正方向區(qū)外故障的超越，降低電抗的整定值，阻抗特性采用圖9所示特性。改進(jìn)后的阻抗特性保證了保護(hù)正方向有串補(bǔ)時(shí)距離保護(hù)Ⅰ段，避免了出口死區(qū)及正方向區(qū)外故障保護(hù)的超越問題。

4.2 方案評(píng)價(jià)

(1)對(duì)于圓特性阻抗繼電器，通過增加不同電抗型繼電器，可以有效避免保護(hù)正方向和反方向有串補(bǔ)引起的保護(hù)誤動(dòng)。

(2)對(duì)于四邊形阻抗繼電器，通過采用記憶電壓和故障電流判別方向，避免了保護(hù)反方向有串補(bǔ)引起的保護(hù)誤動(dòng)。通過改進(jìn)的四邊形阻抗特性，避免了保護(hù)正方向有串補(bǔ)引起保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)。

圖9 線路正方向有串補(bǔ)修正后的保護(hù)特性

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了距離保護(hù)和串補(bǔ)技術(shù)的基本原理，針對(duì)串聯(lián)電容補(bǔ)償線路，詳細(xì)分析了串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)距離保護(hù)的影響。并且指出串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)距離保護(hù)的影響主要在于:正向經(jīng)串聯(lián)補(bǔ)償電容短路故障時(shí)，阻抗繼電器可能發(fā)生拒動(dòng);反向經(jīng)串聯(lián)補(bǔ)償電容短路故障時(shí)，阻抗繼電器可能發(fā)生誤動(dòng)作。針對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償電容給距離保護(hù)帶來的不良影響，文章介紹了現(xiàn)有的兩種解決方案并作出了綜合的評(píng)價(jià)。但仍需指出的是，目前針對(duì)距離保護(hù)I段的超越問題依然沒有得到很好的解決，仍將成為今后研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

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