陳文懷，高 亮

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

在現(xiàn)代超高壓輸電線路上加裝串聯(lián)電容補(bǔ)償(簡(jiǎn)稱(chēng)串補(bǔ))裝置可以減少線路感抗，縮小電氣距離，降低線路電壓降，減少兩端電壓相角差，從而提高線路傳輸功率，降低損耗，改善線路的電壓質(zhì)量，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定性.[1]但同時(shí)串補(bǔ)也改變了線路參數(shù)，隨著串補(bǔ)安裝位置的不同，將會(huì)引起距離保護(hù)超越、拒動(dòng)、誤動(dòng)等問(wèn)題.[2]對(duì)此現(xiàn)有的方案還存在一些缺點(diǎn).本文對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究與分析，提出了解決方案，并分析了其在越南南北500 kV雙回線路改造中的應(yīng)用.

1 線路加裝串補(bǔ)帶來(lái)的問(wèn)題

1.1 電壓反相

在無(wú)串補(bǔ)線路故障時(shí)電壓分布如圖1所示.

圖1a為無(wú)串補(bǔ)故障線路電壓分布.加裝串補(bǔ)后，假設(shè)串補(bǔ)裝在 N側(cè)且 XL2＜XC＜XL2+X2，這時(shí)在線路上發(fā)生故障，其電壓分布如圖1b所示.圖中N點(diǎn)出現(xiàn)了電壓反相，反相原因主要是由XC＞XL2引起的.當(dāng)故障點(diǎn)離串補(bǔ)點(diǎn)更遠(yuǎn)，電壓反相的可能性越小.圖1c為故障點(diǎn)在XL2=XC不出現(xiàn)電壓反相的臨界點(diǎn)的電壓分布.

當(dāng)故障在串補(bǔ)出口處時(shí)，電容器兩端電壓就是反向電壓，從圖1d可以看出，N側(cè)背后電壓反相直到A點(diǎn)為分界點(diǎn).

圖1 串補(bǔ)線路故障電壓分布圖2 電流反相時(shí)電壓分布

1.2 電流反相

所謂電流反相是指當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，故障線路的故障電流會(huì)呈容性電流.而一般線路中是不會(huì)出現(xiàn)電流反相的，即使在帶串補(bǔ)的線路上也很少出現(xiàn)，因此故障電流為容性的較少見(jiàn).

電流反相時(shí)電壓分布如圖2a所示，此時(shí)XC＞(XL2+X2).從圖2中不難看出，電流反相的前提就是串補(bǔ)處(N側(cè))的背后系統(tǒng)阻抗小于串補(bǔ)容抗值，即等值的綜合阻抗X2＜XC，N側(cè)背后是大系統(tǒng)，在這一前提下出現(xiàn)電流反相還與故障點(diǎn)位置密切相關(guān)，當(dāng)故障阻抗XL2＞XC－X2時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)電流反相情況，如圖2b所示.

圖1 串補(bǔ)線路故障電壓分布圖2 電流反相時(shí)電壓分布

因此，當(dāng)XL2+X2＞XC＞XL2時(shí)，電壓反相出現(xiàn)在串補(bǔ)的母線側(cè)，線路側(cè)電壓不反相.當(dāng) XC＞(XL2+X2)時(shí)，則出現(xiàn)電流反相，串補(bǔ)母線側(cè)電壓不反相，線路側(cè)電壓反相.當(dāng) XL2＞XC時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)電壓、電流反相.

1.3 低頻暫態(tài)分量

當(dāng)串補(bǔ)線路發(fā)生故障后，串補(bǔ)電容需要經(jīng)過(guò)一暫態(tài)過(guò)程才能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，短路電流中將出現(xiàn)低于工頻的周期性分量，其衰減時(shí)間常數(shù)較大，給以電流為參考量的保護(hù)帶來(lái)影響.這些低頻分量的頻率可能接近工頻，濾波過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題.[1]

2 串補(bǔ)電容對(duì)距離保護(hù)的影響

2.1 串補(bǔ)電容裝在線路中間

圖3為串補(bǔ)電容裝在線路中間對(duì)距離保護(hù)的影響.一般串補(bǔ)度不超過(guò)50%，如圖3a所示.對(duì)于保護(hù)2處，即使在串補(bǔ)背后B點(diǎn)發(fā)生故障，故障仍為感性，如圖3b所示，B點(diǎn)仍在動(dòng)作范圍的圓內(nèi).此時(shí)，為了防止N側(cè)母線及相鄰線路短路故障的產(chǎn)生，超越距離1段定值按公式 ZZD=(0.8 ～0.85)(ZL－jXC)來(lái)整定，但是區(qū)內(nèi)短路時(shí)串補(bǔ)很可能旁路，這會(huì)縮小距離1段的保護(hù)范圍.

圖3 串補(bǔ)在線路中間對(duì)距離保護(hù)的影響示意

2.2 串補(bǔ)電容裝于線路一側(cè)

圖4 為串補(bǔ)電容在線路一側(cè)示意.如圖4a所示，對(duì)于保護(hù)安裝2處，當(dāng)在電容器背后 B點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，故障特性為容性，若從B點(diǎn)往N側(cè)母線的阻抗接近XC的范圍，B點(diǎn)會(huì)位于圓外，距離保護(hù)1段為拒動(dòng)區(qū)，此時(shí)常規(guī)距離保護(hù)已不能滿(mǎn)足.此外，從B點(diǎn)往保護(hù)1段的XC的范圍內(nèi)阻抗呈感性，該范圍為誤動(dòng)區(qū).

在實(shí)際情況下，系統(tǒng)各點(diǎn)母線會(huì)有分支支路，將會(huì)出現(xiàn)助增電流使容抗放大的現(xiàn)象，如圖4b所示，在母線M 處助增電流I2.距離1段超越、拒動(dòng)及誤動(dòng)更加嚴(yán)重，距離1段甚至無(wú)保護(hù)區(qū).因此，必須采取有效措施解決這些問(wèn)題.

圖4 串補(bǔ)電容在線路一側(cè)示意

3 距離保護(hù)的對(duì)策

3.1 針對(duì)正向出口短路距離繼電器拒動(dòng)

由上述分析可知，拒動(dòng)問(wèn)題是由電壓反相引起的.選擇線路PT解決了拒動(dòng)，反之又出現(xiàn)反向誤動(dòng)問(wèn)題.可采用帶記憶的正序電壓極化，而不僅僅在正序電壓低于10%時(shí)帶記憶，線路區(qū)內(nèi)出口的各種類(lèi)型短路，即使電壓反相也能保證其正確動(dòng)作.[3]

其菜系發(fā)源于巴蜀地區(qū)，在歲月長(zhǎng)河中歷經(jīng)多次演變涅 ，自成體系，與早期的粵菜、魯菜、湘菜同列為中國(guó)四大菜系之一。其菜系中成都小吃亦是中國(guó)著名小吃之一，馳名中外。

3.2 針對(duì)正向區(qū)外故障時(shí)距離繼電器超越

如圖4b所示，保護(hù)正向有串補(bǔ)，若發(fā)生正向區(qū)外串補(bǔ)后故障，保護(hù)電流含有助增電流，電流助增使容抗放大，加上故障時(shí)產(chǎn)生的低頻分量的影響，會(huì)使保護(hù)超越.

為解決該問(wèn)題，可以考慮另外增加一個(gè)電抗型繼電器，如圖5的直線1.繼電器測(cè)量阻抗的下降值為(I1+I2)(－jXC)/I1，由電容上的壓降(I1+I2)(－jXC)產(chǎn)生.電容上的最大壓降是該電容MOV的保護(hù)級(jí)電壓Uprl，所以繼電器測(cè)量阻抗下降的最大值為 Uprl/I1.1段距離按(0.8～0.85)ZL整定.直線1下方為動(dòng)作區(qū)，它與圓2所示的阻抗繼電器構(gòu)成邏輯“與”關(guān)系.該電抗器的正方向保護(hù)范圍縮小(Φ1為線路阻抗靈敏角).由于串補(bǔ)電容兩端的最高電壓可能是MOV的保護(hù)級(jí)電壓 Uprl，因此在電容器短路后不再會(huì)引起保護(hù)超越，避免了誤動(dòng).

圖5 復(fù)合阻抗繼電器動(dòng)作特性

3.3 針對(duì)反方向經(jīng)電容短路故障時(shí)的誤動(dòng)

當(dāng)區(qū)外M側(cè)短路故障時(shí)(如圖4a保護(hù)2)，測(cè)量阻抗很可能落在動(dòng)作區(qū)引起誤動(dòng)，其動(dòng)作特性如圖6中的C1所示.阻抗繼電器帶有記憶時(shí)，方向元件動(dòng)作特性如圖6中的C2，跟電抗線X沒(méi)有交叉，故不會(huì)誤動(dòng)，但是當(dāng)記憶消失時(shí)動(dòng)作圓變?yōu)镃1就有誤動(dòng).兩個(gè)記憶時(shí)間不同的阻抗繼電器，在正向故障時(shí)兩個(gè)阻抗繼電器都動(dòng)作，反相短路時(shí)，記憶時(shí)間短的阻抗繼電器先動(dòng)作，記憶時(shí)間長(zhǎng)的阻抗繼電器后動(dòng)作，由兩個(gè)繼電器動(dòng)作時(shí)間的先后邏輯來(lái)閉鎖阻抗繼電器的動(dòng)作，反向故障仍保持準(zhǔn)確的方向性.

圖6 反向短路動(dòng)作特性

3.4 串補(bǔ)線路距離保護(hù)新方法

串補(bǔ)線路距離保護(hù)的關(guān)鍵是識(shí)別故障位置在串補(bǔ)電容前還是在串補(bǔ)電容后.保護(hù)與串補(bǔ)電容之間的計(jì)算電壓為補(bǔ)償電壓，分析串補(bǔ)前后故障時(shí)補(bǔ)償電壓的不同特征即可識(shí)別故障點(diǎn)位置.在串補(bǔ)前故障，保護(hù)安裝處與補(bǔ)償電壓相位相反;在串補(bǔ)后故障，保護(hù)安裝處與補(bǔ)償電壓相位接近.[4]

用Hilbert變換得到實(shí)信號(hào)幅值函數(shù)，串補(bǔ)前后故障時(shí)電流幅值函數(shù)是不同的.串補(bǔ)前故障時(shí)幅值函數(shù)不能表征故障電流的包絡(luò)線，串補(bǔ)后故障時(shí)幅值函數(shù)可以表征故障電流的包絡(luò)線.因此，由Hilbert變換得到的幅值函數(shù)可作為串聯(lián)補(bǔ)償線路故障點(diǎn)位置的識(shí)別判據(jù).[5]

將保護(hù)安裝處的電容間線路阻抗與測(cè)量阻抗之差定義為補(bǔ)償點(diǎn)阻抗，串補(bǔ)前后故障時(shí)補(bǔ)償點(diǎn)阻抗的阻抗角特征為:串補(bǔ)前故障時(shí)，補(bǔ)償點(diǎn)阻抗的阻抗角為70°～90°;串補(bǔ)后故障時(shí)，補(bǔ)償點(diǎn)阻抗的阻抗角為 90° ～270°.[6]

利用暫態(tài)低頻分量電流可以區(qū)分故障的位置.當(dāng)串補(bǔ)后故障時(shí)，線路中明顯含有低頻電流分量，而在電容前短路時(shí)無(wú)電流分量，因此可以通過(guò)檢測(cè)是否含有低頻電流分量來(lái)區(qū)分故障的位置，確保繼電器的正確動(dòng)作.

4 越南南北500 kV雙回含串補(bǔ)線路距離保護(hù)分析

水力發(fā)電廠包括北方的和平(1 920 MW)、萊州(1 200 MW)、山羅(2 400 MW)，以及中越邊境37個(gè)小型水電站，西原地區(qū)有13個(gè)水電站，總功率為3 270 MW，其中較大的為以阿利(720 MW)、亞德朗(600 MW)和咸順-多美(475 MW).火力發(fā)電在南、中、北部逐步發(fā)展，預(yù)計(jì)到2015年其總裝機(jī)容量可達(dá)27 261 MW，到2020年可達(dá)到40 111 MW.

隨著越南發(fā)電總裝機(jī)容量的逐年增加，各種可再生能源的逐步發(fā)展，導(dǎo)致南北500 kV雙回線路容易發(fā)生線路輸送容量過(guò)載、安全性和穩(wěn)定性較差等諸多問(wèn)題.

為了提高線路傳輸功率，降低損耗，改善線路的電壓質(zhì)量，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定性，加裝串補(bǔ)裝置是目前最好的解決方法，同時(shí)也需要處理串補(bǔ)所帶來(lái)的距離保護(hù)的問(wèn)題.越南電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)接線如圖7所示.

圖7 越南500 kV電網(wǎng)接線示意

500 kV雙回線路總長(zhǎng)為1 539 km，除了南北雙端電站外，從南到北有5個(gè)變電站.串補(bǔ)系統(tǒng)裝在線路首端和末端，總補(bǔ)償容量為40%，在任何地點(diǎn)出現(xiàn)故障距離保護(hù)1段都有超越、拒動(dòng)、誤動(dòng)的可能.在相鄰線路中間短路故障距離1段甚至沒(méi)有保護(hù)區(qū).現(xiàn)有的距離保護(hù)是將距離1段閉鎖，同時(shí)用電流速斷保護(hù)補(bǔ)救.在電容前后同時(shí)接用線路PT對(duì)識(shí)別故障點(diǎn)位置及系統(tǒng)距離保護(hù)有很大好處.此外，采用兩個(gè)記憶時(shí)間不同的阻抗繼電器就可以解決誤動(dòng)問(wèn)題.

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了超高壓線路串聯(lián)補(bǔ)償引起的距離保護(hù)超越、拒動(dòng)、誤動(dòng)等問(wèn)題及其對(duì)應(yīng)的解決方案和措施，并結(jié)合越南南北500 kV雙回串補(bǔ)線路的距離保護(hù)應(yīng)用，證明了上述方法的有效性.

[1]楊英.輸電線路串聯(lián)電容器補(bǔ)償研究[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2013，32(3):108-109.

[2]夏毅，王鳳嶺.500 kV上乘雙回線路保護(hù)與串補(bǔ)保護(hù)相互影響分析[J].中國(guó)電力，2010，43(8):87-90.

[3]凌剛.RCS-900系列超高壓線路保護(hù)應(yīng)用于串聯(lián)電容補(bǔ)償系統(tǒng)的研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2003.

[4]陳福鋒，錢(qián)國(guó)明.適用于串聯(lián)電容補(bǔ)償線路的距離保護(hù)新原理[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(12):61-65.

[5]張艷霞，宣文博，田武賓，等.基于 hilbert變換的串聯(lián)電容補(bǔ)償線路距離保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38(7):77-82.

[6]劉淑磊，陳福鋒.基于補(bǔ)償點(diǎn)阻抗的阻抗角特性的串補(bǔ)線路距離保護(hù)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(21):70-74.