深圳市長城樓宇科技有限公司北京分公司 肖 楠

電力系統(tǒng)中的用電設(shè)備運行時產(chǎn)生無功功率，使電力系統(tǒng)性能降低，通過增加適當(dāng)?shù)碾娙菘梢愿纳齐娏ο到y(tǒng)性能，這種方式被稱為電容補(bǔ)償。電容補(bǔ)償使得電力系統(tǒng)能夠改變無功潮流的分布，提高用戶側(cè)的電壓質(zhì)量，降低電力系統(tǒng)的電壓和功率損耗。無功補(bǔ)償方式主要分為并聯(lián)電容器和串聯(lián)電容，其中可控的串聯(lián)電容補(bǔ)償更加靈活、經(jīng)濟(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)、參數(shù)優(yōu)化以及電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行。迄今為止，國內(nèi)外許多研究都集中在電容器的研究上，其中最常見的是對電容器優(yōu)化配置的研究，對于電容補(bǔ)償對電力系統(tǒng)節(jié)點參數(shù)的影響研究較少。電容器投切會影響整個電力系統(tǒng)的電氣參數(shù)，因此有必要對其進(jìn)行深入研究。

當(dāng)前學(xué)術(shù)界關(guān)于電容補(bǔ)償?shù)难芯糠较蛑饕请娙菅a(bǔ)償?shù)哪康囊约熬唧w方法，關(guān)于電容補(bǔ)償如何影響電力系統(tǒng)節(jié)點參數(shù)地研究不多?？煽卮?lián)電容補(bǔ)償方式能顯著改善電力系統(tǒng)運行效能，得到廣泛應(yīng)用。但含串補(bǔ)的線路對原有繼電保護(hù)有較大影響。因此，需要深入研究可控串聯(lián)電容補(bǔ)償對繼電保護(hù)的影響，可控串聯(lián)電容補(bǔ)償可以有效增強(qiáng)電力系統(tǒng)性能，應(yīng)用潛力很大。但含串補(bǔ)的線路會顯著影響現(xiàn)有繼電保護(hù)，因此有必要深入研可控串聯(lián)電容補(bǔ)償對繼電保護(hù)的影響。

本文重點探討可控串聯(lián)電容補(bǔ)償對點對輸電線路繼電保護(hù)的影響，其中主要包括可控串聯(lián)電容補(bǔ)償對距離保護(hù)、電流差動保護(hù)、功率方向元件、縱聯(lián)保護(hù)的影響，并提出可控串聯(lián)電容補(bǔ)償輸電線路的繼電保護(hù)配置要點。

1 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償對距離保護(hù)的影響

1.1 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)幕驹?/h3>

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，相當(dāng)于縮短了線路的電氣距離，提高線路傳輸功率，降低線路輸送損耗，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相角差，更加合理地分布輸送功率，提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定性?？煽卮?lián)電容補(bǔ)償?shù)幕驹?，是通過在線路上添加一個串聯(lián)補(bǔ)償電容器來補(bǔ)償線路電感，可以起到縮短線路的電氣距離、傳輸功率、傳輸損耗，提升電能質(zhì)量、減小兩端電壓相角差的作用，從而提高系統(tǒng)的動靜態(tài)穩(wěn)定性。可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)幕驹硪妶D1。

圖1 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)幕驹?/p>

1.2 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償動態(tài)基頻阻抗對輸電線路距離保護(hù)的影響

距離保護(hù)最常用于高壓和超高壓電力線路。距離繼電器是距離保護(hù)的關(guān)鍵元件。常規(guī)情況下，如被保護(hù)線路短路，測量阻抗與母線到短路點的距離成正比。在包含串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路上則不存在上述關(guān)系，從而影響距離繼電器的動作特性。在包含可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路上，短路故障后可控串聯(lián)電容補(bǔ)償動態(tài)基頻阻抗的變化范圍類似FSC（串聯(lián)電容器組補(bǔ)償，fixes series capacitor），即在正常運行時的容性電抗與旁路運行時的感性阻抗之間變化。因此，電壓反轉(zhuǎn)和電流互感器的位置也是影響電力線路繼電保護(hù)性能的關(guān)鍵因素。這些因素對線路保護(hù)、可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)挠绊懀绢愃艶SC。但由于可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)幕l阻抗與FSC基頻阻抗的存在差異，二者對傳輸線的距離保護(hù)效果也不同[1]。

首先，在可控串聯(lián)電容補(bǔ)償中，是否發(fā)生電壓反向取決于運行條件，以及故障后可控串聯(lián)電容補(bǔ)償是否被旁路。如果由可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)碾娙萜魇Р⒈慌月?，則不會發(fā)生電壓反向；如果可控串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)碾娙萜鳑]有被旁路，通常會發(fā)生電壓反向。如果發(fā)生這種情況可以用極化電壓以及閉鎖措施來防止拒動或誤動?？煽卮?lián)電容補(bǔ)償后的阻抗在失效后一段時間內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)阻，但對保護(hù)性能影響不大。

其次，當(dāng)母線側(cè)電壓下降時，由于在同一整定保護(hù)范圍下的可控串聯(lián)電容補(bǔ)償導(dǎo)致距離保護(hù)拒動的概率增加，即在補(bǔ)償程度相同的情況下，可適當(dāng)擴(kuò)大可控串聯(lián)電容器補(bǔ)償線距的整定保護(hù)范圍[2]。

在同樣整定保護(hù)范圍下，可控串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的保護(hù)動作比FSC電路的保護(hù)動作慢。當(dāng)線路側(cè)電壓正向短路時，可控串聯(lián)電容補(bǔ)償與FSC線路的距離保護(hù)的作用相同。在反向短路的情況下，可控串聯(lián)電容補(bǔ)償線路的距離保護(hù)能更好地克服反向電壓的影響。

1.3 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)闹C波特性對距離保護(hù)的影響

保護(hù)裝置兩端的電壓取決于源阻抗、線路阻抗和短路點等因素?？煽卮?lián)電容補(bǔ)償電路也與可控串聯(lián)電容故障后是否旁路密切相關(guān)。如果保護(hù)裝置和短路之間沒有可控串聯(lián)電容器補(bǔ)償，則保護(hù)裝置的電壓一般不受可控串聯(lián)電容器補(bǔ)償電壓諧波的影響，否則保護(hù)裝置處電壓受可控串聯(lián)電容補(bǔ)償上電壓的諧波的影響由短路點決定。如果用可控串聯(lián)電容器補(bǔ)償外部附近短路，則可控串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)碾娍乖跍y量阻抗的占比增加，其電壓諧波的影響更為明顯。在可控串聯(lián)電容補(bǔ)償外部遠(yuǎn)距離發(fā)生短路時，電壓諧波的影響相對較小。

2 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)闹C波對故障線路實測阻抗的影響

測得的從短路點到保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)基頻阻抗對保護(hù)繼電器的性能有決定性的影響。測量傳輸線基頻的阻抗計算可以使用頻域或時域方法。頻域法的基本算法是傅里葉變換法，該算法不可避免地會受到直流分量、高次諧波和低次諧波的影響。常用的濾波方法包括差分濾波和帶通濾波，帶通濾波器對直流分量、低頻分量和高次諧波有極好的過濾作用，而低通濾波器對直流分量和低頻分量有一定的放大作用。差分濾波器可以消除直流分量的影響，即使對低頻分量也有很強(qiáng)的抑制作用，但會放大大部分高次諧波。

例如，異相60度的差分濾波器可以使三次諧波增益加倍。由于電壓諧波分量非常復(fù)雜，在包含可控串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的線路中，由可控串聯(lián)電容補(bǔ)償后的LC諧振回路產(chǎn)生的諧波分量非常突出，而這個諧波分量相距不遠(yuǎn)三次諧波較近。因此，差分濾波器對這個諧波分量非常敏感，會增加阻抗計算中的誤差。考慮到阻抗計算的精度，在可控串聯(lián)電容補(bǔ)償電路中盡量使用帶通濾波器[3]。

研究表明，使用150Hz以上頻率分量有顯著衰減的低通濾波器可以確保300km線路的微分方程算法結(jié)果準(zhǔn)確度。對于短線路，低通濾波器的截止頻率可以適當(dāng)提高。然而，微分方程算法是在R-I電路模型的基礎(chǔ)上建立的。如果計算模型包括電容，針對R—L—C模型目前沒有成熟的計算方法[4]。因此，微分方程算法只能在計算電路不包括固定電容或可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)那闆r下使用?？煽卮?lián)電容補(bǔ)償補(bǔ)償?shù)闹C波影響測量阻抗的計算。在短距離故障的情況下，諧波的影響比較大，對被測阻抗的影響也很大。

另一方面，在短距離故障的情況下，故障位置遠(yuǎn)離整定保護(hù)區(qū)，距離元件的動作有效范圍大，極化電壓也會增加動作特性圓的覆蓋范圍，進(jìn)而影響精度。對于遠(yuǎn)距離故障，距離保護(hù)通常采用超范圍整定措施，以限制諧波對被測阻抗的影響，使其不受諧波影響。因此，通過適當(dāng)?shù)臑V波措施，可控串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)闹C波不會明顯影響距離元件。

3 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)闹C波對電抗元件和方向元件的影響

在電力系統(tǒng)距離保護(hù)中，電抗元件通常通過動作信號與極化信號比相，方向元件極化信號則通過極化型號比相。方向元件基本上不受比相影響。對于電抗元件，如果相間出現(xiàn)故障，其動作信號由保護(hù)安裝處的電壓及線路電流合成，如其動作信號的諧波含量較大，但ZR1也非常大。當(dāng)遠(yuǎn)程位置出現(xiàn)短路時，諧波含量變小，ZR1相應(yīng)降低。因此，諧波含量對的影響不大，因此對電抗元件的工作特性影響不大。

4 串補(bǔ)對縱聯(lián)差動電流保護(hù)的影響

電流差動保護(hù)的原理是比較兩端電流的相位。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時電流大致同相，而當(dāng)發(fā)生外部故障時電流將異相。當(dāng)輸電線路出現(xiàn)區(qū)域內(nèi)金屬故障時，輸電線路兩側(cè)故障之間的相位關(guān)系由輸電線路阻抗和兩側(cè)等效系統(tǒng)阻抗決定。如圖2所示，區(qū)內(nèi)故障發(fā)生時，線路兩端故障電流相位差取決于Zsm+ZK1與Zsn+ZK2的阻抗角差。對一般輸電線路，阻抗角差很小，故區(qū)內(nèi)金屬性故障時，Im,In幾乎同相。

可控串聯(lián)電容的存在使得上述規(guī)律被打破。架設(shè)串聯(lián)電容補(bǔ)償系統(tǒng)安裝在系統(tǒng)的N一側(cè)，如圖2所示，兩端之間的電流相位差取決于Zsm+ZK1與Zsn+ZK2-XC的阻抗角差。Zsn+ZK2-XC由于串聯(lián)補(bǔ)償點的補(bǔ)償作用，阻抗角減小，導(dǎo)致該區(qū)域閉合時電流Im與In的之間的相位差增大[5]。

圖2 線路區(qū)內(nèi)故障兩端電流相位分析圖

但一般情況下，補(bǔ)償電容的阻抗模值XC一般小于保護(hù)反方向的等效系統(tǒng)阻抗Zsn+ZK2，導(dǎo)致保護(hù)裝置的保護(hù)靈敏度較低。當(dāng)包含串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)木€路出現(xiàn)內(nèi)部故障時，通常旁路串聯(lián)電容補(bǔ)償，所以影響更小。如果保護(hù)線外發(fā)生短路，無論是否存在串聯(lián)補(bǔ)償電容，串聯(lián)補(bǔ)償電容是否被短接或擊穿，測相元件都不會失效。因此，縱聯(lián)差動保護(hù)通常對串聯(lián)補(bǔ)償電容器不太敏感。

5 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償輸電線路對繼電保護(hù)的配置要求

基于以上分析，建議包含可控串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路需要遵循以下配置要求：

首先，可以采用全電流差動保護(hù)。理論上說，全電流差動保護(hù)完全不受串聯(lián)補(bǔ)償電容的影響。隨著光纖技術(shù)、GPS通信技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在不久的將來我國光纖縱聯(lián)差動設(shè)備的性能也將大幅提升。

其次，可以采用方向阻抗元件組成的縱聯(lián)保護(hù)。包含極化電壓的方向性阻抗元件可以解決串聯(lián)補(bǔ)償電容引起的方向性損耗問題，解決超范圍整定與縱向測量相結(jié)合時的超范圍或欠范圍問題。縱聯(lián)保護(hù)由方向阻抗元件組成，如果保護(hù)位置選擇正確且保護(hù)裝置安裝點的電流不改變電流故障條件的方向，則可用于具有串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)氖芸剌旊娋€路中。

6 結(jié)語

可控串聯(lián)電容補(bǔ)償是輸電線路的關(guān)鍵組成部分，通過對電容器進(jìn)行旁路、投入或調(diào)制，串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置可以調(diào)節(jié)有效容抗值，從而達(dá)到提高系統(tǒng)傳輸能力，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。但串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的引入會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，只要補(bǔ)償節(jié)點的無功功率變化，整個電網(wǎng)的無功潮流分布也會相應(yīng)變化。同時，隨著有功功率潮流的變化，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的電壓和支路消耗的功率也發(fā)生變化?？煽卮?lián)電容補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)基頻阻抗、諧波分量都會對距離保護(hù)產(chǎn)生顯著影響。因此實際應(yīng)用中，一定要詳細(xì)準(zhǔn)確判斷補(bǔ)償電容器的影響程度，采取有效措施減少負(fù)面影響，提高電力系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。