串聯(lián)補償線路距離保護方案及其在越南500kV雙回線的應(yīng)用

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)電容補償(簡稱串補)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]但同時串補也改變了線路參數(shù)，隨著串補安裝位置的不同，將會引起距離保護超越、拒動、誤動等問題.[2]對此現(xiàn)有的方案還存在一些缺點.本文對該問題進行了研究與分析，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 線路加裝串補帶來的問題

1.1 電壓反相

在無串補線路故障時電壓分布如圖1所示.

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

當(dāng)故障在串補出口處時，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點為分界點.

圖1 串補線路故障電壓分布圖2 電流反相時電壓分布

1.2 電流反相

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

電流反相時電壓分布如圖2a所示，此時XC＞(XL2+X2).從圖2中不難看出，電流反相的前提就是串補處(N側(cè))的背后系統(tǒng)阻抗小于串補容抗值，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位置密切相關(guān)，當(dāng)故障阻抗XL2＞XC－X2時就不會出現(xiàn)電流反相情況，如圖2b所示.

圖1 串補線路故障電壓分布圖2 電流反相時電壓分布

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

1.3 低頻暫態(tài)分量

當(dāng)串補線路發(fā)生故障后，串補電容需要經(jīng)過一暫態(tài)過程才能進入穩(wěn)態(tài)，短路電流中將出現(xiàn)低于工頻的周期性分量，其衰減時間常數(shù)較大，給以電流為參考量的保護帶來影響.這些低頻分量的頻率可能接近工頻，濾波過程也會產(chǎn)生一些問題.[1]

2 串補電容對距離保護的影響

2.1 串補電容裝在線路中間

圖3為串補電容裝在線路中間對距離保護的影響.一般串補度不超過50%，如圖3a所示.對于保護2處，即使在串補背后B點發(fā)生故障，故障仍為感性，如圖3b所示，B點仍在動作范圍的圓內(nèi).此時，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)來整定，但是區(qū)內(nèi)短路時串補很可能旁路，這會縮小距離1段的保護范圍.

圖3 串補在線路中間對距離保護的影響示意

2.2 串補電容裝于線路一側(cè)

圖4 為串補電容在線路一側(cè)示意.如圖4a所示，對于保護安裝2處，當(dāng)在電容器背后 B點發(fā)生故障時，故障特性為容性，若從B點往N側(cè)母線的阻抗接近XC的范圍，B點會位于圓外，距離保護1段為拒動區(qū)，此時常規(guī)距離保護已不能滿足.此外，從B點往保護1段的XC的范圍內(nèi)阻抗呈感性，該范圍為誤動區(qū).

在實際情況下，系統(tǒng)各點母線會有分支支路，將會出現(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、拒動及誤動更加嚴(yán)重，距離1段甚至無保護區(qū).因此，必須采取有效措施解決這些問題.

圖4 串補電容在線路一側(cè)示意

3 距離保護的對策

3.1 針對正向出口短路距離繼電器拒動

由上述分析可知，拒動問題是由電壓反相引起的.選擇線路PT解決了拒動，反之又出現(xiàn)反向誤動問題.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%時帶記憶，線路區(qū)內(nèi)出口的各種類型短路，即使電壓反相也能保證其正確動作.[3]

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3.2 針對正向區(qū)外故障時距離繼電器超越

如圖4b所示，保護正向有串補，若發(fā)生正向區(qū)外串補后故障，保護電流含有助增電流，電流助增使容抗放大，加上故障時產(chǎn)生的低頻分量的影響，會使保護超越.

為解決該問題，可以考慮另外增加一個電抗型繼電器，如圖5的直線1.繼電器測量阻抗的下降值為(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的保護級電壓Uprl，所以繼電器測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范圍縮小(Φ1為線路阻抗靈敏角).由于串補電容兩端的最高電壓可能是MOV的保護級電壓 Uprl，因此在電容器短路后不再會引起保護超越，避免了誤動.

圖5 復(fù)合阻抗繼電器動作特性

3.3 針對反方向經(jīng)電容短路故障時的誤動

當(dāng)區(qū)外M側(cè)短路故障時(如圖4a保護2)，測量阻抗很可能落在動作區(qū)引起誤動，其動作特性如圖6中的C1所示.阻抗繼電器帶有記憶時，方向元件動作特性如圖6中的C2，跟電抗線X沒有交叉，故不會誤動，但是當(dāng)記憶消失時動作圓變?yōu)镃1就有誤動.兩個記憶時間不同的阻抗繼電器，在正向故障時兩個阻抗繼電器都動作，反相短路時，記憶時間短的阻抗繼電器先動作，記憶時間長的阻抗繼電器后動作，由兩個繼電器動作時間的先后邏輯來閉鎖阻抗繼電器的動作，反向故障仍保持準(zhǔn)確的方向性.

圖6 反向短路動作特性

3.4 串補線路距離保護新方法

串補線路距離保護的關(guān)鍵是識別故障位置在串補電容前還是在串補電容后.保護與串補電容之間的計算電壓為補償電壓，分析串補前后故障時補償電壓的不同特征即可識別故障點位置.在串補前故障，保護安裝處與補償電壓相位相反;在串補后故障，保護安裝處與補償電壓相位接近.[4]

用Hilbert變換得到實信號幅值函數(shù)，串補前后故障時電流幅值函數(shù)是不同的.串補前故障時幅值函數(shù)不能表征故障電流的包絡(luò)線，串補后故障時幅值函數(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)補償線路故障點位置的識別判據(jù).[5]

將保護安裝處的電容間線路阻抗與測量阻抗之差定義為補償點阻抗，串補前后故障時補償點阻抗的阻抗角特征為:串補前故障時，補償點阻抗的阻抗角為70°～90°;串補后故障時，補償點阻抗的阻抗角為 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)串補后故障時，線路中明顯含有低頻電流分量，而在電容前短路時無電流分量，因此可以通過檢測是否含有低頻電流分量來區(qū)分故障的位置，確保繼電器的正確動作.

4 越南南北500 kV雙回含串補線路距離保護分析

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個小型水電站，西原地區(qū)有13個水電站，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)計到2015年其總裝機容量可達(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)生線路輸送容量過載、安全性和穩(wěn)定性較差等諸多問題.

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，加裝串補裝置是目前最好的解決方法，同時也需要處理串補所帶來的距離保護的問題.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雙回線路總長為1 539 km，除了南北雙端電站外，從南到北有5個變電站.串補系統(tǒng)裝在線路首端和末端，總補償容量為40%，在任何地點出現(xiàn)故障距離保護1段都有超越、拒動、誤動的可能.在相鄰線路中間短路故障距離1段甚至沒有保護區(qū).現(xiàn)有的距離保護是將距離1段閉鎖，同時用電流速斷保護補救.在電容前后同時接用線路PT對識別故障點位置及系統(tǒng)距離保護有很大好處.此外，采用兩個記憶時間不同的阻抗繼電器就可以解決誤動問題.

5 結(jié)語

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

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

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

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

[4]陳福鋒，錢國明.適用于串聯(lián)電容補償線路的距離保護新原理[J].電力系統(tǒng)自動化，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)電容補償線路距離保護[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(7):77-82.

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