周文杰

(廣西電網公司崇左供電局，廣西 崇左 532200)

1 引言

隨著我國大容量、遠距離輸電的發(fā)展，串聯(lián)電容補償技術在超高壓遠距離輸電中得到了廣泛應用。串聯(lián)電容補償技術已是一項成熟的技術，通過串補電容補償線路感抗，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)的動態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定性。

但串聯(lián)補償電容的存在破壞了傳輸線路阻抗的均勻性，使串補線路發(fā)生故障時可能會出現(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帶來了重大影響。

2 輸電線路距離保護及串補電容技術原理簡介

2.1 距離保護基本原理

距離保護是利用短路時電壓、電流同時變化的特征，測量電壓與電流的比值，反應故障點到保護安裝處的距離而工作的保護。圖1為其基本的原理圖。

圖1 距離保護原理圖

當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，首先判斷故障的方向，若故障位于保護區(qū)的正方向上，則測出故障點到保護安裝處的距離LK，然后與整定距離Lset進行比較:若LK＜Lset，說明故障點(圖中k1點)位于保護范圍之內，保護應該立即動作;若LK＞Lset，則說明故障點(圖中 k2點)位于保護范圍之外，保護不應動作。若故障點(圖中k3點)位于保護區(qū)的反方向上，則無需進行故障距離的測量，直接判為區(qū)外故障，保護不應動作。

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

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

式中:z1為單位長度線路阻抗;LK為故障點至保護安裝處的故障距離。

式中，Zset為整定阻抗;Lset為整定距離。

因此只要比較測量阻抗與整定阻抗的大小便可判斷故障點是否位于保護范圍之內。

2.2 串聯(lián)電容補償技術簡介

2.2.1 串聯(lián)電容補償技術基本原理

串聯(lián)電容補償技術是通過在線路上加裝串聯(lián)補償電容，以補償線路的電感。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)補償電容使的輸送功率分布更加合理化，系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定性也得到了顯著地提高。串聯(lián)電容補償?shù)幕驹砣鐖D2所示。

圖中XL為線路的等效電抗，則電容補償前輸送功率為:

電容補償后輸送功率為:

設Kc為線路串聯(lián)補償電容補償度，即

由以上式可知，保持兩端電壓不變時，串聯(lián)電容補償線路的輸送能力可提高1/(1－Kc)倍。由此可得，線路串聯(lián)補償電容后可以顯著提高線路的傳輸容量。串聯(lián)補償電容的主要作用還在于通過補償線路感抗，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)補償電容的主要作用

串聯(lián)補償電容主要通過補償線路電感，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;補償電容串聯(lián)在線路中，補償了線路的感抗，進而減小了線路電抗。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)的運行電壓和無功平衡條件，在配電網中主要用來補償線路壓降，提高電壓質量;

(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)網中的潮流;

(4)降低網損，更加經濟。

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

3 串補電容對輸電線路距離保護的影響

隨著電力系統(tǒng)輸送容量的增大，串補電容作為提高線路輸送能力的經濟適用方法，將會得到廣泛的應用。然而，應用串補電容提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、改善電壓質量、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“感性”特點為基礎。線路串補電容改變了線路參數(shù)的這一“感性”特點，必然會對線路保護特別是距離保護造成影響。

3.1 輸電線路串聯(lián)補償設備接線

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

圖3 串聯(lián)補償設備原理接線圖

輸電線路發(fā)生故障時，保護動作發(fā)跳閘命令的同時將串補電容旁路開關接通，串補電容被短接。這時候串補電容只對快速動作的距離Ⅰ段產生影響，而對帶延時的距離保護Ⅱ、Ⅲ段沒有影響。

3.2 串補電容安裝位置對距離保護的影響

(1)串補電容安裝在保護的正方向

圖4 線路正方向有串補時示意圖

串補電容安裝在保護的正方向時，如圖4所示。當K1點發(fā)生短路時，保護測量阻抗Zm=－jXc，過原點的方向阻抗繼電器將拒動，但對以記憶電壓為極化量的阻抗繼電器，由于XC＜ZS，繼電器不會誤動。K2點發(fā)生短路時，保護測量阻抗Zm=Z1－jXc，可能引起距離Ⅳ段阻抗繼電器誤動，如圖5所示。

圖5 線路正方向有串補修正后的距離保護特性

(2)串補電容安裝在保護的反方向

串補電容安裝在保護的反方向時，如圖6所示。K1點發(fā)生短路時，保護測量阻抗為Zm=jXc，如果XC＞Xset，阻抗繼電器將會誤動，如圖7所示。

圖6 線路反方向有串補時示意圖

圖7 線路反方向有串補修正后的距離保護特性

4 現(xiàn)有的解決方案及評價

4.1 解決方案

4.1.1 圓特性距離保護

(1)串補電容安裝在保護的正方向

串補電容上所產生的最大壓降為電容MOV的保護級峰值電壓Upr，故障時串補上的壓降－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段的整定阻抗基礎上再增加1個電抗型繼電器。

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

(2)串補電容安裝在保護的反方向

串補安裝在保護的反方向，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誤動。電抗器下方為動作區(qū)。

4.1.2 四邊形特性距離保護

(1)距離方向元件

四邊形特性距離保護的距離元件分為距離測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，避免了保護反方向時由串補引起的阻抗繼電器誤動。采用故障后電流，降低了距離方向元件的靈敏性。距離元件的動作條件為方向元件時判為正方向，且計算阻抗在整定的四邊形范圍內。

(2)距離測量元件

沒有串補的距離保護動作特性如圖8所示。圖中，正方向保護范圍AB為防止經過渡電阻短路引起保護誤動;保護范圍BC為躲過負荷阻抗;保護范圍AD、CD為保證正方向出口短路時，保護有足夠的靈敏性。

圖8 四邊形特性阻抗保護動作特性

對于有串補電容的線路，為保證電容器故障后保護能正確動作，在反向自動取Xc的1.25倍定值。同時為避免正方向區(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。改進后的阻抗特性保證了保護正方向有串補時距離保護Ⅰ段，避免了出口死區(qū)及正方向區(qū)外故障保護的超越問題。

4.2 方案評價

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

(2)對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，避免了保護反方向有串補引起的保護誤動。通過改進的四邊形阻抗特性，避免了保護正方向有串補引起保護誤動和拒動。

圖9 線路正方向有串補修正后的保護特性

5 結語

本文簡要介紹了距離保護和串補技術的基本原理，針對串聯(lián)電容補償線路，詳細分析了串聯(lián)補償電容對距離保護的影響。并且指出串聯(lián)補償電容對距離保護的影響主要在于:正向經串聯(lián)補償電容短路故障時，阻抗繼電器可能發(fā)生拒動;反向經串聯(lián)補償電容短路故障時，阻抗繼電器可能發(fā)生誤動作。針對串聯(lián)補償電容給距離保護帶來的不良影響，文章介紹了現(xiàn)有的兩種解決方案并作出了綜合的評價。但仍需指出的是，目前針對距離保護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熱點。

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