论文部分内容阅读
摘 要：应用串补电容提高线路输送能力的同时影响了距离保护的正确动作。本文深入分析了串补电容线路对方向距离保护的影响，通过比较线路补偿电压与保护处测量电压相量间的相位关系分析了不同串补电容接入位置、故障位置和串补度情况下，串补电容对方向阻抗继电器的影响。并且通过EMTP仿真软件对串补电容影响方向阻抗距离继电器的重要的结论进行仿真验证。
关键词：串补电容；距离保护；距离继电器；方向继电器
0 引言
串联电容补偿是提高输电系统经济性和可靠性的有效且经济的手段。其主要作用在于：通过控制潮流提高电力系统的输送能力；改善电力系统的稳定性；改善电压质量及无功功率平衡；调节双回线路之间的负荷使其达到最佳分配；减少系统的线路损耗。与增设输电线路相比，其经济效益非常显著。然而，应用串补电容在提高线路输送能力的同时，也给电力系统带来了一些不利影响。
对输电线路而言，其阻抗主要为感性，线路保护装置的方向测量元件及阻抗测量元件均以线路参数的这一特点为基础。而线路串补电容改变了线路参数的这一“感性”特点，必然会对线路保护带来影响。线路加入串补电容后提高了输送能力的同时也带来一些问为：电压反向；电流反向；LC谐振；电容的过电压保护性能及电压电流变换器安装位置的选择；引入暂态分量；次同步谐振等。这些问题将一定程度上影响继电保护系统的运行性能，增加继电保护系统判断故障的难度与复杂性。
1 串补电容对方向距离保护的影响分析
串补电容的加入对距离保护的影响体现在对其动作原理和动作判据的影响，有时可能让距离保护得出完全相反的结论；同时，串补电容安装位置的不同、补偿度的不同以及故障点和串补电容相对位置的不同也将对其产生进一步的影响。
线路增加串补电容后将对线路上各点的电压电流相位关系，保护安装处的电压电流相位关系产生较大的影响，有时甚至会使串补电容加入前后的相位产生反相。方向距离保护采用方向阻抗距离继电器，它的原理是通过比较事先构造的补偿电压相量和保护安装处测量电压相量间的相位差（如图1），其动作判据为：
（1）
图1 补偿电压与测量电压的关系
如图1所示，忽略输电线电阻，则当故障位置满足时，与同相，即为区外故障；当故障位置满足时，与反相，即为区内故障；当处发生三相金属性短路时，，M到整定点OP的阻抗，，与反相，满足动作判据（1）。根据上述原理，串补电容位置不同时，串补线路发生金属性短路可得以下结论：
（1）当串补电容位于线路首端时（图1中左上侧电容位置），距离保护整定阻抗为。当临界点处发生金属性三相短路故障时，，，ZOP-ZC>ZF-ZC，与反相，動作判据（1）成立，串补电容对方向阻抗距离继电器没有影响。
（2）当串补电容位于线路末端时（图1中右上侧电容位置），距离保护整定阻抗为。当临界点处发生金属性三相短路故障时，，这时，，与反相，动作判据（1）成立，串补电容对方向阻抗距离继电器没有影响。
（3）当串补电容位于线路中间（不一定为正中央）时，距离保护整定阻抗为。如果故障位置在串补电容左侧时，，有可能出现距离保护整定阻抗的情况，此时，与为同相关系，保护动作判据（1）不再成立，方向阻抗距离继电器失效。
上述分析表明，当串补电容位于线路的首端和末端时，对方向阻抗距离继电器没有影响。当串补电容位于线路中间时，若故障发生于串补电容左侧，当线路补偿度不同时，与的相位关系有可能同相，也有可能反相，动作判据（1）可能满足亦可能不满足；此外，若补偿度不变，而故障位置不同，与的相位关系也可能发生变化，动作判据（1）可能满足亦可能不满足。
2 串补电容对方向距离保护影响的仿真分析
在EMTP仿真软件中建立图2所示的一个简单的双电源单回输电系统。其中，线路长度120km，整定距离为100km，线路采用分布参数进行仿真，故障点位置分别为F1、F2，F1距首端M为55km，F2在串补电容之后，距首端70km。通过仿真分析分别得到串补位于线路位置不同、故障位置不同及串补度不同情况下补偿电压相量补偿电压相量与保护安装处测量电压相量之间的相位关系。
图2 仿真系统示意图
（1）当串补位于线路中间，补偿度为分别为40%、70%时，与的相位关系（两相量夹角的余弦值），如下图4所示。
由图3可知，补偿度40%时，当故障发生在距首端M点55km处（F1）时，与保持反相关系；补偿度70%时，两电压相量呈同相关系。当故障发生在距首端M点70km处（F2）时，两种补偿度情况下，与从趋势上看为反相关系，但受串补电容的影响，波形会产生振荡。
（2）串补位于线路首端和末端，补偿度均为40%，故障点位于测量点M点70km处（F2），与的相位关系，如下图4所示。
图4 串补位于首端和末端时故障后电压相量相位关系
由上图可知，当串补电容位于线路首端时，方向距离保护受其影响非常大，这也是串补电容一般不在输电线路首端的原因之一；当串补电容位于线路末端时，对动作判据没有影响，即与为反相关系，且与补偿度无关，这与理论分析一致。
3 串补线路继电保护的主要解决措施
为了解决上述问题，主要有以下几个方面：
（1）纵联距离保护或纵联方向保护作为主保护。采用带记忆的极化电压可很好地解决对于串补线路中首端阻抗继电器正方向电容外发生短路时的拒动及上级线路末端阻抗继电器反方向电容外发生短路时的误动问题，纵联距离保护是目前固定串补线路中用得最多的主保护。在一定条件下，负（零）序功率方向元件或故障分量方向元件不受串补电容的影响，但纵联方向保护实际应用并不多。
（2）纵联相差保护或分相电流差动纵联保护作为主保护。纵联相差保护保护与分相电流差动纵联保护分别以线路两侧电流相差与大小作为保护动作判据，受串补电容的影响很小。因此，对串补线路及其相邻一定范围内的线路保护，应首先考虑选用纵联相差保护或分相电流差动保护。
4 结论
通过串补电容对方向距离继电器影响的理论分析和仿真验证，可得到如下结论：
（1）串补电容对方向距离继电器的稳态影响是巨大的。当串补电容安装在线路首端时，对方向阻抗距离继电器没有影响；而当串补电容安装在线路中间时，方向距离继电器失效；当串补电容安装在线路末端时，对方向阻抗距离继电器没有影响。
（2）如果串补电容的安装位置对方向距离继电器没有影响，则补偿度、故障点和串补电容位置也不会对其产生影响；如果串补电容的安装位置对方向距离继电器有影响，则补偿度、故障点和串补电容也会对其产生影响。
参考文献
[1]张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.
（作者单位：苏州供电公司）
关键词：串补电容；距离保护；距离继电器；方向继电器
0 引言
串联电容补偿是提高输电系统经济性和可靠性的有效且经济的手段。其主要作用在于：通过控制潮流提高电力系统的输送能力；改善电力系统的稳定性；改善电压质量及无功功率平衡；调节双回线路之间的负荷使其达到最佳分配；减少系统的线路损耗。与增设输电线路相比，其经济效益非常显著。然而，应用串补电容在提高线路输送能力的同时，也给电力系统带来了一些不利影响。
对输电线路而言，其阻抗主要为感性，线路保护装置的方向测量元件及阻抗测量元件均以线路参数的这一特点为基础。而线路串补电容改变了线路参数的这一“感性”特点，必然会对线路保护带来影响。线路加入串补电容后提高了输送能力的同时也带来一些问为：电压反向；电流反向；LC谐振；电容的过电压保护性能及电压电流变换器安装位置的选择；引入暂态分量；次同步谐振等。这些问题将一定程度上影响继电保护系统的运行性能，增加继电保护系统判断故障的难度与复杂性。
1 串补电容对方向距离保护的影响分析
串补电容的加入对距离保护的影响体现在对其动作原理和动作判据的影响，有时可能让距离保护得出完全相反的结论；同时，串补电容安装位置的不同、补偿度的不同以及故障点和串补电容相对位置的不同也将对其产生进一步的影响。
线路增加串补电容后将对线路上各点的电压电流相位关系，保护安装处的电压电流相位关系产生较大的影响，有时甚至会使串补电容加入前后的相位产生反相。方向距离保护采用方向阻抗距离继电器，它的原理是通过比较事先构造的补偿电压相量和保护安装处测量电压相量间的相位差（如图1），其动作判据为：
（1）
图1 补偿电压与测量电压的关系
如图1所示，忽略输电线电阻，则当故障位置满足时，与同相，即为区外故障；当故障位置满足时，与反相，即为区内故障；当处发生三相金属性短路时，，M到整定点OP的阻抗，，与反相，满足动作判据（1）。根据上述原理，串补电容位置不同时，串补线路发生金属性短路可得以下结论：
（1）当串补电容位于线路首端时（图1中左上侧电容位置），距离保护整定阻抗为。当临界点处发生金属性三相短路故障时，，，ZOP-ZC>ZF-ZC，与反相，動作判据（1）成立，串补电容对方向阻抗距离继电器没有影响。
（2）当串补电容位于线路末端时（图1中右上侧电容位置），距离保护整定阻抗为。当临界点处发生金属性三相短路故障时，，这时，，与反相，动作判据（1）成立，串补电容对方向阻抗距离继电器没有影响。
（3）当串补电容位于线路中间（不一定为正中央）时，距离保护整定阻抗为。如果故障位置在串补电容左侧时，，有可能出现距离保护整定阻抗的情况，此时，与为同相关系，保护动作判据（1）不再成立，方向阻抗距离继电器失效。
上述分析表明，当串补电容位于线路的首端和末端时，对方向阻抗距离继电器没有影响。当串补电容位于线路中间时，若故障发生于串补电容左侧，当线路补偿度不同时，与的相位关系有可能同相，也有可能反相，动作判据（1）可能满足亦可能不满足；此外，若补偿度不变，而故障位置不同，与的相位关系也可能发生变化，动作判据（1）可能满足亦可能不满足。
2 串补电容对方向距离保护影响的仿真分析
在EMTP仿真软件中建立图2所示的一个简单的双电源单回输电系统。其中，线路长度120km，整定距离为100km，线路采用分布参数进行仿真，故障点位置分别为F1、F2，F1距首端M为55km，F2在串补电容之后，距首端70km。通过仿真分析分别得到串补位于线路位置不同、故障位置不同及串补度不同情况下补偿电压相量补偿电压相量与保护安装处测量电压相量之间的相位关系。
图2 仿真系统示意图
（1）当串补位于线路中间，补偿度为分别为40%、70%时，与的相位关系（两相量夹角的余弦值），如下图4所示。
由图3可知，补偿度40%时，当故障发生在距首端M点55km处（F1）时，与保持反相关系；补偿度70%时，两电压相量呈同相关系。当故障发生在距首端M点70km处（F2）时，两种补偿度情况下，与从趋势上看为反相关系，但受串补电容的影响，波形会产生振荡。
（2）串补位于线路首端和末端，补偿度均为40%，故障点位于测量点M点70km处（F2），与的相位关系，如下图4所示。
图4 串补位于首端和末端时故障后电压相量相位关系
由上图可知，当串补电容位于线路首端时，方向距离保护受其影响非常大，这也是串补电容一般不在输电线路首端的原因之一；当串补电容位于线路末端时，对动作判据没有影响，即与为反相关系，且与补偿度无关，这与理论分析一致。
3 串补线路继电保护的主要解决措施
为了解决上述问题，主要有以下几个方面：
（1）纵联距离保护或纵联方向保护作为主保护。采用带记忆的极化电压可很好地解决对于串补线路中首端阻抗继电器正方向电容外发生短路时的拒动及上级线路末端阻抗继电器反方向电容外发生短路时的误动问题，纵联距离保护是目前固定串补线路中用得最多的主保护。在一定条件下，负（零）序功率方向元件或故障分量方向元件不受串补电容的影响，但纵联方向保护实际应用并不多。
（2）纵联相差保护或分相电流差动纵联保护作为主保护。纵联相差保护保护与分相电流差动纵联保护分别以线路两侧电流相差与大小作为保护动作判据，受串补电容的影响很小。因此，对串补线路及其相邻一定范围内的线路保护，应首先考虑选用纵联相差保护或分相电流差动保护。
4 结论
通过串补电容对方向距离继电器影响的理论分析和仿真验证，可得到如下结论：
（1）串补电容对方向距离继电器的稳态影响是巨大的。当串补电容安装在线路首端时，对方向阻抗距离继电器没有影响；而当串补电容安装在线路中间时，方向距离继电器失效；当串补电容安装在线路末端时，对方向阻抗距离继电器没有影响。
（2）如果串补电容的安装位置对方向距离继电器没有影响，则补偿度、故障点和串补电容位置也不会对其产生影响；如果串补电容的安装位置对方向距离继电器有影响，则补偿度、故障点和串补电容也会对其产生影响。
参考文献
[1]张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.
（作者单位：苏州供电公司）