摘 要 结合山西阳城至江苏送电工程，分析了串联电容补偿对线路继电保护的影响，包括它对保护所测相量的影响、对保护动作特性的影响等。基于几种典型原理的保护在串联电容补偿线路中对故障的反应，论述了串联电容补偿线路继电保护设计应注意的问题，并探讨了设计保护原理的思路，最后结合阳城至江苏送电工程，对线路继电保护的设计提出了几点建议。
关键词 串联电容补偿 保护超越 姆欧距离保护 电抗型距离保护
分类号 TM 773
SOME SUGGESTIONS ON DESIGN OF PROTECTION
ON THE LINE WITH SERIES COMPENSATION
Wang Xiangping
(East China Electric Power Design Institute, 200063, Shanghai, China)
Abstract Directing to the power transmission project from Yangcheng Power Plant in Shanxi Province to Jiangsu Province, this paper thoroughly analyses the effects of series capacitor compensation on traditional line protection. The effects cover the vectors measured by protective relay and the operation characteristic of protective relay. Based on the operation behaviors of a few typical protections operated in the power system with series compensation line, some problems are addressed during line protection design. The ideas for designing protection on the line with series compensation are discussed. Finally, some suggestions on line protection design are proposed.
Keywords series capacitor compensation line protection overreach mho distance protection reactance distance protection 0 引言
串联电容补偿装置(简称串补，含串补的线路简称为串补线路)应用于长距离输电线路能够增加稳定裕度，改善联网负荷分配，提高线路潮流输送能力等。在山西阳城至江苏送电工程的建设初期，将采用此种补偿装置，以节省投资。但是串补的投入或退出会改变线路的阻抗，影响基于阻抗特性原理的保护的正确测量。本文结合此项工程，分析线路串补电容对继电保护的影响，提出该线路保护的设计方案。
1 串补电容对线路保护的影响
1.1 串补电容对继电保护测量相量的影响
根据对阳城至江苏送电工程的系统网络等值计算，电压反向、电流反向均有可能发生。
1.1.1 电压反向
通常在非串补线路上，电源流出的短路电流落后于电源电势，母线电压与电源电势基本同相。但在串补系统中，如从电源到保护安装处的感抗大于容抗，当靠近串补处发生故障时(如图1中F1点故障)，将导致加在继电器上的电压相位和电源电势相差180°，即保护测量的电压将发生反向。在故障序网图中，也会发生电压反向。
图1 简易的串联补偿系统
Fig.1 A simple series compensation power system 距离保护或方向保护的电流方向不会因串补而改变。这种电压方向的变化将对保护动作的正确性产生影响，但对不以测量故障电压为参考量的保护(如电流差动保护)，则不会造成影响。
1.1.2 电流反向
在串补线路上，以线路始端母线电压为基准，线路短路电流可能超前于电势，相位变化约180°，即发生电流反向。当电源负序阻抗小于电容容抗时，保护测得的负序电流也将反方向。
以电流为参考量的保护，如距离保护、方向保护、电流差动保护，在电流发生反向时，正常的选择性将受到影响。
1.2 串补电容对典型保护的影响
1.2.1 串补电容对距离保护的影响
当串补电容器的保护MOV将串补电容旁路时，距离保护自然适应，故以下主要讨论串补电容不被旁路的情况。
对于图1中F1点故障，线路保护继电器的测量电压取自母线侧电压互感器(TV)。当|XC|<|ZS|时(XC为电容器容抗，ZS为保护安装处到S端电源的阻抗)，电压发生反向，无记忆的姆欧继电器与以有限记忆为极化量的可变姆欧继电器的动作特性如图2(a)，区内故障时，可变姆欧继电器在动态期间能动作，在稳态期间不能动作。当|XC|>|ZS|时，电流发生反向，姆欧继电器与可变姆欧继电器的动作特性如图2(b)，区内故障时，可变姆欧继电器在动态期间与稳态期间均不能动作。
(a)XC|<|ZS|时 (b)|XC|>|ZS|时
图中阴影为电抗器动作边界，阴影区为非动作区。
图2 F1点短路故障时，MN线路M侧保护动作特性
Fig.2 Operation characteristics of MN line
protection relay on M side
when short circuit occurs at F1
对于串补相邻线路，如图1中F1处故障，MP线路的M侧的保护测量的电压发生反向。设MP线路M侧保护继电器的整定阻抗为ZY′，当|XC|<|ZY′|时，姆欧继电器与可变姆欧继电器的动作特性如图3(a)，可见，对于反方向故障，可变姆欧继电器在稳态时误动作，在动态时不动作。当|XC|>|ZY′|时，姆欧继电器与可变姆欧继电器的动作特性如图3(b)，可见，对于区外故障，可变姆欧继电器在动态时会误动，在稳态时不动作。 |
(a)|XC|<|ZY′|时 (b)|XC|>|ZY′|
图中阴影为电抗器动作边界，阴影区为非动作区。
图3 F1点短路故障时，MP线路M侧保护动作特性
Fig.3 Operation characteristics of MP line
protection relay on M side
when short circuit occurs at F1
1.2.2 对负序继电器及方向保护的影响
假设在图1中F1点发生不对称短路。若MN线路M侧保护继电器测量电压取自线路TV，在负序网络中，当|Z2S|>|X2C|时，I2J超前U2J，负序方向继电器动作，但是当|Z2S|<|X2C|时，出现了电流反向，I2J落后于U2J，负序继电器不动作。当保护继电器测量电压取自母线TV时，不论是否出现电流反向，负序方向继电器都动作，与串补电容无关。
对于图1中MP线路M侧的保护，当F2点短路，保护的动作决定于串补线路及R端电源的总阻抗与串补容抗的相对大小。
2 串补线路保护动作原理
2.1 距离保护设置电平检测器
对于图1中的MN线路N侧的保护，如不采取其他措施，保护整定范围通常为(80%～90%)(XNM-XC)。GE公司提出设置一个电平门槛检测器，将距离保护的整定范围设为90%XNM，保护动作输出由距离保护与电平检测器“与门”输出，构成过电流/距离保护组合。原理上电平检测器检测IZ-V的值，其中Z为电平检测器整定范围，V为继电器电压。设Z整定为XNM，考虑在M母线出口故障，串补电容不被MOV旁路的情况，整定门槛值PL=IXNM-I(XNM-Xt)=IXt,Xt为串补电容与MOV的并联值。当串补电容被旁路时，电平检测器的检测电压为IXt′，Xt′为串补电容与MOV导通后的并联值，显然Xt′<Xt，故不动作。
2.2 工频变化量距离保护再增加一电抗型继电器
文献［4］提出，对距离保护增加一电抗型继电器保护来区分区内故障与区外故障。图2、图3示出了可变姆欧、姆欧、电抗器线以及工频变化量距离保护的动作特性。工频变化量动作方程为：
|ΔUop|>Uz
对接地故障 Uop=U-(I+3KI0)Zzd
对相间故障 Uop=U-IZzd
其中 U为相间电压；I为相间电流；Zzd为整定阻抗，Zzd取(80%～90%)(ZL-XC)；I0为零序电流；K为零序电流补偿系数；Uz为整定门槛，取故障前工作电压的记忆量。
可变姆欧继电器：
电抗型继电器：
根据图2、图3，有下列结论见表1。
表1 各种保护动作特性
Table 1 Operation characteristics
of different protection relays |
| 图号 |
姆欧型 |
可变姆欧型 |
电抗型 |
工频变化量型 |
| 图2(a) |
不动作 |
动作 |
动作 |
动作 |
| 图2(b) |
不动作 |
不动作 |
动作 |
动作 |
| 图3(a) |
动作 |
不动作 |
动作 |
不动作 |
| 图3(b) |
不动作 |
动作 |
不动作 |
动作 |
由此，工频变化量距离保护可借助电抗器根据上述结论来构成其保护的逻辑。
2.3 方向保护中的补偿
以负序方向为例，分析MN线M侧的保护。在图1中，若正方向F1点故障，假设保护接线路TV，补偿前V2=-I2ZJ,ZJ为TV背后的等效负序阻抗，ZJ=ZS-XC。当电容被旁路时，ZJ=ZS，为感抗特性；当电容不被旁路时，如ZS<XC，则ZJ=ZS-XC，为容性，引入补偿电压I2Z′(|ZS-XC|<Z′<|XC|)后，V2′=(-ZS+XC-Z′)I2，即由-(Z′+ZS-XC)的阻抗性质所确定，由于Z′>|ZS-XC|，故在ZS<XC时，保护测量电压为正方向。若反方向F2点故障，无论串补电容被旁路与否，引入电压补偿后，V2′=I2(ZR′-Z′)，因为Z′<|XC|，故ZR′-Z′阻抗性质不变，保护测量电压仍为反方向。
对于PM线M侧的保护，在图1中，若正方向F2点故障，V2=-(ZR′-XC)I2，因为ZL>|XC|,保护测量电压为正方向。若反方向F1点故障，V2=ZSI2，当XC>ZS时，出现电流反向的情况，同时也出现电压反向的情况，保护测量电压仍为反方向，故保护均能正确动作。
3 串补线路继电保护设计
阳城至江苏送电工程的系统图如图4所示。
图4 阳城到江苏送电系统接线示意图
Fig.4 Schematic diagram of power transmission from Yangcheng Power Plant to Jiangsu Province 串补线路东明侧的保护配置较简单，可按通常线路的保护设计方式来考虑，可设置电平检测器提高保护范围。
串补线路三堡侧的保护配置较复杂，电压反向与电流反向都可能发生，保护测量电压取电容器内侧线路TV，可允许使用单纯的方向元件、序分量方向元件；保护测量电压取电容器外侧线路TV，方向元件需要带补偿。
根据前面分析，串补电容未被旁路时，保护测量电压取电容器内侧TV的距离保护，在串补电容附近故障时会出现电流反向或电压反向；保护测量电压取线路外侧TV的距离保护，在反方向故障时，线路距离保护也会出现电压反向。
4 串补相邻线路的继电保护设计
对于阳城—东明三回线路的保护，如不考虑远景串补配置，补偿度为40%的串补对线路两侧的保护影响不大。三堡—淮阴线路与三堡—任庄线路受串补的影响类似。下面以三堡—任庄线路的保护为例来加以说明。
对任庄侧保护，根据前面分析，其距离保护Ⅰ段与串补旁路与否关系颇大，为保证其选择性及与下级的保护配合，可借助电平检测器来提高保护范围。
受串补影响较大的保护可能要算三堡侧的保护了。根据前面的分析，主要是当反方向故障且串补电容不被旁路时，会发生电压反向或电流反向。当选用距离保护原理时，要考虑相邻线助增电流的影响。继电器的动作特性在计及助增作用产生的等效容抗后有如图3中两种情况，因此要采取一些措施以满足动态、静态保护动作的正确性。
5 结论
根据上面的讨论分析，有下列建议性结论：
a.从保护原理上看，对距离保护增加一电平检测器可防止保护超越，并能提高保护动作范围。
b.工频变化量距离保护增加一电抗型继电器线，对保证保护的方向性是很有效果的。
c.方向保护的方向性与保护测量电压取用线路TV位置有关，但对测量电压取用电容器外侧TV进行补偿的方向保护，能够正确判断保护的方向性。
d.对串补线路串补侧的保护，若测量电压取用串补外侧TV，串补反方向故障对保护的影响与三堡—淮阴、三堡—任庄线路三堡侧保护反方向故障相类似。另外还需要注意在母线与线路TV之间故障时串补线路保护的动作特性。
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