考慮串補旁路的串補線路雙端故障測距解決方案

朱青成，解良，楊遠航，石恒初，游昊，趙明，張哲銘，張鑫

（云南電力調度控制中心，昆明 650011）

0 前言

在輸電線路中加入串聯補償裝置，是提高線路輸送能力，增加輸電線路的穩定裕度，改善電壓質量及無功功率平衡，優化多回輸電線路間潮流分布的重要手段，在長距離、大容量的高壓輸電線路中得到廣泛應用。雙端測距具有不受過渡電阻影響的優勢[1-2]，被大量運用于輸電線路故障測距，帶串補線路的雙端測距亦有不少研究[3-6]，基于雙端錄波的串補線路測距基本原理未考慮串補旁路的情況，但在實際運行過程[7-12]中，線路發生故障往往會聯動旁路線路串補，這就給測距方法的具體應用帶來困難，需要辨識出故障持續過程中是否需要進行測距補償。針對這一問題，本文對串補線路旁路情況進行分析研究，提出了考慮串補旁路情況的串補線路雙端測距方法，并利用工程案例對所提出的故障測距方法加以驗證。

1 串補模型簡介

圖1 固定串補模型

典型的串補模型及其保護方案如圖1所示，主要包括電容器組、金屬氧化物限壓器（MOV）、放電間隙、旁路開關、阻尼回路、電流互感器和輔助設備等。MOV為串補電容的過電壓保護，將電容器上的電壓限制到規定的最大水平。放電間隙作為MOV的保護，一是當MOV上的過電壓上升到一定程度，MOV吸收較多能量時迅速將串補旁路，防止MOV爆炸；二是當電容器發生故障或承受過大電流時，通過控制系統觸發放電間隙在幾個毫秒內將電容器旁路。旁路開關作為串補系統的后備保護，當MOV導通、放電間隙放電或線路保護聯跳串補保護時（線路故障時，線路保護向串補保護發出遠跳信號），旁路開關合閘以避免線路故障對串補系統造成損害。

2 串補旁路動作情況分析

設t0時刻為串補線路故障發生時刻，t1為線路兩端故障先隔離端開關熄弧時刻，t1一般在40～90 ms之間（考慮主流保護廠家線路保護動作時間一般為10～30 ms，加上斷路器的固有分閘時間及燃弧持續時間一般為30～60 ms）。

記MOV導通形成旁路的初始時刻為tpm，放電間隙放電形成旁路的初始時刻為tpg，旁路斷路器閉合形成旁路的時刻為tpb。當串補電容未被旁路時，串補裝置的阻抗表現為純容抗，當串補裝置被MOV、放電間隙、旁路斷路器任一旁路時，串補裝置都為純電阻性。在t0～t1期間，串補電容存在以下幾種旁路情況：

1）串補電容始終未被旁路，即MOV未導通、放電間隙未放電、旁路斷路器未閉合，串補裝置的容抗示意圖如圖2(a)所示。

2）MOV未導通，放電間隙未放電，旁路斷路器閉合形成旁路。此種情況旁路斷路器是線路保護聯跳串補使其閉合的，tpb通常大于40 ms（考慮主流保護廠家線路保護動作時間一般大于10 ms，斷路器固有合閘時間通常大于30 ms），串補裝置的容抗示意圖如圖2(b)所示。

3）當出現非常嚴重的故障，放電間隙在極短的時間（一般小于5 ms）內被強制觸發放電將串補電容旁路，因電壓被鉗制，此后MOV不會被導通，旁路斷路器未閉合或者閉合，串補裝置的容抗示意圖如圖2(c)、(d)所示。

4）MOV導通將串補電容旁路，放電間隙未放電，旁路斷路器未閉合或者閉合，串補裝置的容抗示意圖如圖2(e)、(f)所示。

5）MOV先導通形成旁路，隨后放電間隙放電再次旁路，旁路斷路器未閉合或者閉合，串補裝置的容抗示意圖如圖2(g)、(h)所示。上述分類情況可借助SCADA系統采集到的串補裝置MOV導通、放電間隙放電、旁路斷路器合位繼等信息輔助判斷。

圖2 串補不同旁路情況下的容抗示意圖

3 不同旁路情況下的測距方法

3.1 串補安裝在線路廠站端的測距方法

當串補未被旁路時，利用雙端測距原理進行測距計算，見式（1）。

其中：lM為故障點到M側的距離；l為線路總長度；分別為M側、N側測量到的故障相電壓；分別為M側、N側測量到的故障相電流；分別為M側、N側測量到的故障相電流零序分量；Z1為線路單位長度的正序阻抗；ZC為串補電容的工頻阻抗；K為線路零序電流補償系數。

當串補被旁路后，式（1）中ZC等于0，測距公式演變為式（2）。

對前文所述的五種分類情況，分別選擇相應的測距公式及特定的滑窗時段對經同步后的兩端故障錄波數據進行滑窗測距計算（一個數據窗時長取一個周波20 ms），可得到實際測距結果。

對第（1）種情況，數據窗首端從t0+20 ms時刻滑至t1時刻，利用式（1）進行測距計算，可得到(t1-t0-20)/k/1000個測距結果（k為錄波數據的采樣頻率，單位為Hz）。該序列測距結果維持在一個穩定的窄區間，以下簡述為可得到穩定的滑窗測距結果。該系列結果的平均值即為故障距離。

對第（2）種情況，數據窗首端從t0+20 ms時刻滑至tpb時刻，利用式（1）進行測距計算，可得到穩定的滑窗測距結果，該系列結果的平均值即為故障距離。當t1-tpb＞20 ms時，數據窗首端從tpb+20 ms時刻滑至t1時刻，利用式（2）進行測距計算，滑窗測距可得到穩定的結果，該系列結果的平均值亦為實際故障距離，可與前述結果相互校驗。

對第（3）種情況，數據窗首端從tpg+20 ms時刻滑至t1時刻，利用式（2）進行測距計算，可得到穩定的滑窗測距結果，該系列結果的平均值即為故障距離。

對第（4）、（5）種情況，數據窗首端從tpn+20 ms時刻滑至t1時刻，利用式（2）進行測距計算，可得到穩定的滑窗測距結果，該系列結果的平均值即為故障距離。當tpn＞20 ms時，數據窗首端從t0+20 ms時刻滑至tpn時刻，利用式（1）進行測距計算，滑窗測距可得到穩定的結果，該系列結果的平均值亦為實際故障距離，可與前述結果相互校驗。

3.2 串補安裝在線路中間的測距方法

對串補裝置安裝在線路中間的串補線路，當旁路情況為前述的情況（1），或情況（2）中t1-tpb＜20 ms時，對故障點所在位置做假設，用對應的測距公式進行滑窗測距計算。當旁路情況為前述的情況（3）、（4）、（5），或情況（2）中t1-tpb＞20 ms時，利用式（2）對旁路后至t1期間的錄波數據進行滑窗測距，取平均值可得到故障距離，不需要考慮故障點是位于串補裝置的M側還是N側。

4 串補旁路的工程案例測距驗證

云南電網某帶串補的220 kV MN線，線路長度為110.6 km，串補安裝在220 kV M 站，線路不帶串補的正序阻抗參數為：(0.050+j0.320)Ω/km，零序阻抗參數為：(0.341+j1.154)Ω/km，串補的容抗值為21.33 Ω，補償度為60%。

圖3 220 kV MN線式（2）滑窗測距結果

圖4 220 kV MN線式（1）滑窗測距結果

圖5 220 kV MN線滑窗測距示意圖

某日，該線路發生B相接地故障，串補的旁路情況為前述的圖2（e）的情況。數據窗首端從t0+20 ms時刻滑至t1時刻，利用式（2）進行測距計算，得到的測距結果如圖3所示。數據窗首端從t0+20 ms時刻滑至t0+27.33 ms時刻，利用補償后的測距公式（1）進行測距計算，得到的測距結果如圖4所示。圖3、圖4中t0+20 ms等時刻表示數據窗首端位于此時刻時的測距結果。圖5(a)、(b)、(c)、(d)分別為數據窗首端位于t0+20 ms、t0+27.33 ms、t0+47.33 ms、t0+48.99 ms（t1）四個時刻的示意圖。圖3中測距序列c的平均值為57.39 km，圖4中測距序列d的平均值為57.71 km。實際巡線結果是故障點距M站的距離為59.26 km，測距序列c的誤差為3.2%，測距序列d的誤差為2.6%，均具有較高的測距精度。

5 結束語

本文對串補裝置的各種旁路情況進行了分析，針對不同旁路情況，確定了相應的測距公式及滑窗時段進行滑窗測距，提出了考慮串補旁路的串補線路雙端測距方法。經工程實例驗證，本文提出的測距方法行之有效，且具有較高的測距精度，利用本文的方法對串補線路進行測距可對串補線路故障后的巡線提供參考。