串補電容對方向距離保護的影響及解決措施

沈衛(wèi)剛 王清 吳疆

摘 要：應(yīng)用串補電容提高線路輸送能力的同時影響了距離保護的正確動作。本文深入分析了串補電容線路對方向距離保護的影響，通過比較線路補償電壓與保護處測量電壓相量間的相位關(guān)系分析了不同串補電容接入位置、故障位置和串補度情況下，串補電容對方向阻抗繼電器的影響。并且通過EMTP仿真軟件對串補電容影響方向阻抗距離繼電器的重要的結(jié)論進行仿真驗證。

關(guān)鍵詞：串補電容；距離保護；距離繼電器；方向繼電器

0 引言

串聯(lián)電容補償是提高輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性和可靠性的有效且經(jīng)濟的手段。其主要作用在于：通過控制潮流提高電力系統(tǒng)的輸送能力；改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；改善電壓質(zhì)量及無功功率平衡；調(diào)節(jié)雙回線路之間的負荷使其達到最佳分配；減少系統(tǒng)的線路損耗。與增設(shè)輸電線路相比，其經(jīng)濟效益非常顯著。然而，應(yīng)用串補電容在提高線路輸送能力的同時，也給電力系統(tǒng)帶來了一些不利影響。

對輸電線路而言，其阻抗主要為感性，線路保護裝置的方向測量元件及阻抗測量元件均以線路參數(shù)的這一特點為基礎(chǔ)。而線路串補電容改變了線路參數(shù)的這一“感性”特點，必然會對線路保護帶來影響。線路加入串補電容后提高了輸送能力的同時也帶來一些問為：電壓反向；電流反向；LC諧振；電容的過電壓保護性能及電壓電流變換器安裝位置的選擇；引入暫態(tài)分量；次同步諧振等。這些問題將一定程度上影響繼電保護系統(tǒng)的運行性能，增加繼電保護系統(tǒng)判斷故障的難度與復(fù)雜性。

1 串補電容對方向距離保護的影響分析

串補電容的加入對距離保護的影響體現(xiàn)在對其動作原理和動作判據(jù)的影響，有時可能讓距離保護得出完全相反的結(jié)論；同時，串補電容安裝位置的不同、補償度的不同以及故障點和串補電容相對位置的不同也將對其產(chǎn)生進一步的影響。

線路增加串補電容后將對線路上各點的電壓電流相位關(guān)系，保護安裝處的電壓電流相位關(guān)系產(chǎn)生較大的影響，有時甚至?xí)勾a電容加入前后的相位產(chǎn)生反相。方向距離保護采用方向阻抗距離繼電器，它的原理是通過比較事先構(gòu)造的補償電壓相量和保護安裝處測量電壓相量間的相位差（如圖1），其動作判據(jù)為：

（1）

圖1 補償電壓與測量電壓的關(guān)系

如圖1所示，忽略輸電線電阻，則當(dāng)故障位置滿足時，與同相，即為區(qū)外故障；當(dāng)故障位置滿足時，與反相，即為區(qū)內(nèi)故障；當(dāng)處發(fā)生三相金屬性短路時，，M到整定點OP的阻抗，，與反相，滿足動作判據(jù)（1）。根據(jù)上述原理，串補電容位置不同時，串補線路發(fā)生金屬性短路可得以下結(jié)論：

（1）當(dāng)串補電容位于線路首端時（圖1中左上側(cè)電容位置），距離保護整定阻抗為。當(dāng)臨界點處發(fā)生金屬性三相短路故障時，，，ZOP-ZC>ZF-ZC，與反相，動作判據(jù)（1）成立，串補電容對方向阻抗距離繼電器沒有影響。

（2）當(dāng)串補電容位于線路末端時（圖1中右上側(cè)電容位置），距離保護整定阻抗為。當(dāng)臨界點處發(fā)生金屬性三相短路故障時，，這時，，與反相，動作判據(jù)（1）成立，串補電容對方向阻抗距離繼電器沒有影響。

（3）當(dāng)串補電容位于線路中間（不一定為正中央）時，距離保護整定阻抗為。如果故障位置在串補電容左側(cè)時，，有可能出現(xiàn)距離保護整定阻抗的情況，此時，與為同相關(guān)系，保護動作判據(jù)（1）不再成立，方向阻抗距離繼電器失效。

上述分析表明，當(dāng)串補電容位于線路的首端和末端時，對方向阻抗距離繼電器沒有影響。當(dāng)串補電容位于線路中間時，若故障發(fā)生于串補電容左側(cè)，當(dāng)線路補償度不同時，與的相位關(guān)系有可能同相，也有可能反相，動作判據(jù)（1）可能滿足亦可能不滿足；此外，若補償度不變，而故障位置不同，與的相位關(guān)系也可能發(fā)生變化，動作判據(jù)（1）可能滿足亦可能不滿足。

2 串補電容對方向距離保護影響的仿真分析

在EMTP仿真軟件中建立圖2所示的一個簡單的雙電源單回輸電系統(tǒng)。其中，線路長度120km，整定距離為100km，線路采用分布參數(shù)進行仿真，故障點位置分別為F1、F2，F(xiàn)1距首端M為55km，F(xiàn)2在串補電容之后，距首端70km。通過仿真分析分別得到串補位于線路位置不同、故障位置不同及串補度不同情況下補償電壓相量補償電壓相量與保護安裝處測量電壓相量之間的相位關(guān)系。

圖2 仿真系統(tǒng)示意圖

（1）當(dāng)串補位于線路中間，補償度為分別為40%、70%時，與的相位關(guān)系（兩相量夾角的余弦值），如下圖4所示。

由圖3可知，補償度40%時，當(dāng)故障發(fā)生在距首端M點55km處（F1）時，與保持反相關(guān)系；補償度70%時，兩電壓相量呈同相關(guān)系。當(dāng)故障發(fā)生在距首端M點70km處（F2）時，兩種補償度情況下，與從趨勢上看為反相關(guān)系，但受串補電容的影響，波形會產(chǎn)生振蕩。

（2）串補位于線路首端和末端，補償度均為40%，故障點位于測量點M點70km處（F2），與的相位關(guān)系，如下圖4所示。

圖4 串補位于首端和末端時故障后電壓相量相位關(guān)系

由上圖可知，當(dāng)串補電容位于線路首端時，方向距離保護受其影響非常大，這也是串補電容一般不在輸電線路首端的原因之一；當(dāng)串補電容位于線路末端時，對動作判據(jù)沒有影響，即與為反相關(guān)系，且與補償度無關(guān)，這與理論分析一致。

3 串補線路繼電保護的主要解決措施

為了解決上述問題，主要有以下幾個方面：

（1）縱聯(lián)距離保護或縱聯(lián)方向保護作為主保護。采用帶記憶的極化電壓可很好地解決對于串補線路中首端阻抗繼電器正方向電容外發(fā)生短路時的拒動及上級線路末端阻抗繼電器反方向電容外發(fā)生短路時的誤動問題，縱聯(lián)距離保護是目前固定串補線路中用得最多的主保護。在一定條件下，負（零）序功率方向元件或故障分量方向元件不受串補電容的影響，但縱聯(lián)方向保護實際應(yīng)用并不多。

（2）縱聯(lián)相差保護或分相電流差動縱聯(lián)保護作為主保護。縱聯(lián)相差保護保護與分相電流差動縱聯(lián)保護分別以線路兩側(cè)電流相差與大小作為保護動作判據(jù)，受串補電容的影響很小。因此，對串補線路及其相鄰一定范圍內(nèi)的線路保護，應(yīng)首先考慮選用縱聯(lián)相差保護或分相電流差動保護。

4 結(jié)論

通過串補電容對方向距離繼電器影響的理論分析和仿真驗證，可得到如下結(jié)論：

（1）串補電容對方向距離繼電器的穩(wěn)態(tài)影響是巨大的。當(dāng)串補電容安裝在線路首端時，對方向阻抗距離繼電器沒有影響；而當(dāng)串補電容安裝在線路中間時，方向距離繼電器失效；當(dāng)串補電容安裝在線路末端時，對方向阻抗距離繼電器沒有影響。

（2）如果串補電容的安裝位置對方向距離繼電器沒有影響，則補償度、故障點和串補電容位置也不會對其產(chǎn)生影響；如果串補電容的安裝位置對方向距離繼電器有影響，則補償度、故障點和串補電容也會對其產(chǎn)生影響。

參考文獻

[1]張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.

（作者單位：蘇州供電公司）