基于串补电容对输电线路距离保护的影响研究

周文杰

(广西电网公司崇左供电局，广西 崇左 532200)

1 引言

随着我国大容量、远距离输电的发展，串联电容补偿技术在超高压远距离输电中得到了广泛应用。串联电容补偿技术已是一项成熟的技术，通过串补电容补偿线路感抗，缩短了交流传输的电气距离，降低了线路输送损耗，改善了线路的电压质量，提高了线路的传输功率，使输送功率的分布更加合理，提高了系统的动态稳定和静态稳定性。

但串联补偿电容的存在破坏了传输线路阻抗的均匀性，使串补线路发生故障时可能会出现电压反向、电流反向及引入暂态分量和次同步谐振等现象，这些问题给线路保护带来了重大影响。

2 输电线路距离保护及串补电容技术原理简介

2.1 距离保护基本原理

距离保护是利用短路时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的保护。图1为其基本的原理图。

图1 距离保护原理图

当系统发生短路故障时，首先判断故障的方向，若故障位于保护区的正方向上，则测出故障点到保护安装处的距离LK，然后与整定距离Lset进行比较:若LK＜Lset，说明故障点(图中k1点)位于保护范围之内，保护应该立即动作;若LK＞Lset，则说明故障点(图中 k2点)位于保护范围之外，保护不应动作。若故障点(图中k3点)位于保护区的反方向上，则无需进行故障距离的测量，直接判为区外故障，保护不应动作。

通常情况下，距离保护通过测量短路阻抗的方法间接测量和判断故障距离。在距离保护中，测量阻抗Zm，定义为保护安装处测量电压Um和测量电流Im的比值，即

电力系统发生金属性短路时，Zm为短路点至保护安装处的线路阻抗。

式中:z1为单位长度线路阻抗;LK为故障点至保护安装处的故障距离。

式中，Zset为整定阻抗;Lset为整定距离。

因此只要比较测量阻抗与整定阻抗的大小便可判断故障点是否位于保护范围之内。

2.2 串联电容补偿技术简介

2.2.1 串联电容补偿技术基本原理

串联电容补偿技术是通过在线路上加装串联补偿电容，以补偿线路的电感。其等效于缩短线路的电气距离，提高线路的传输功率，降低线路的输送损耗，改善线路的电压质量，降低线路的电压降及减少两端电压的相角差。通过加装串联补偿电容使的输送功率分布更加合理化，系统的动态稳定和静态稳定性也得到了显著地提高。串联电容补偿的基本原理如图2所示。

图中XL为线路的等效电抗，则电容补偿前输送功率为:

电容补偿后输送功率为:

设Kc为线路串联补偿电容补偿度，即

由以上式可知，保持两端电压不变时，串联电容补偿线路的输送能力可提高1/(1－Kc)倍。由此可得，线路串联补偿电容后可以显著提高线路的传输容量。串联补偿电容的主要作用还在于通过补偿线路感抗，降低线路两端的电压降和相角差，从而提高线路的动态和暂态稳定裕度，为大功率传输电力提供了条件。

2.2.2 串联补偿电容的主要作用

串联补偿电容主要通过补偿线路电感，缩短交流传输的电气距离，从而提高线路的传输容量以及电力系统的稳定性。串联补偿电容主要有以下的作用:

(1)提高输电线路的输送容量，提高电力系统的稳定性;补偿电容串联在线路中，补偿了线路的感抗，进而减小了线路电抗。等效于缩短了电气传输的电气距离，降低了线路上的电压降和线路两端的相角差，从而提高了电力系统的稳定性。

(2)降低电压偏差，改善电力系统的运行电压和无功平衡条件，在配电网中主要用来补偿线路压降，提高电压质量;

(3)改善传输功率的分配，更加合理地分配并联线路或环网中的潮流;

(4)降低网损，更加经济。

串联电容相当于减小了线路感抗，降低了输电线路损耗;同时在长距离大容量输电线路中，串联电容可以减少输电线路回数，从而减少投资。

3 串补电容对输电线路距离保护的影响

随着电力系统输送容量的增大，串补电容作为提高线路输送能力的经济适用方法，将会得到广泛的应用。然而，应用串补电容提高电力系统暂态稳定性、改善电压质量、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。对一般输电线路而言，其阻抗参数均为感性的参数，且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“感性”特点为基础。线路串补电容改变了线路参数的这一“感性”特点，必然会对线路保护特别是距离保护造成影响。

3.1 输电线路串联补偿设备接线

用串补电容的容抗补偿线路的感抗，使两侧电源间的总电抗减小，提高系统稳定性。串联补偿设备原理接线如图3所示。当电容器两端的电压升高时，MOV电阻减小。当MOV电压升至Upr时，放电间隙GAP被击穿，对放电间隙起保护作用(串补的最高电压为Upr)。阻尼绕组对故障时高频分量起衰减作用。

图3 串联补偿设备原理接线图

输电线路发生故障时，保护动作发跳闸命令的同时将串补电容旁路开关接通，串补电容被短接。这时候串补电容只对快速动作的距离Ⅰ段产生影响，而对带延时的距离保护Ⅱ、Ⅲ段没有影响。

3.2 串补电容安装位置对距离保护的影响

(1)串补电容安装在保护的正方向

图4 线路正方向有串补时示意图

串补电容安装在保护的正方向时，如图4所示。当K1点发生短路时，保护测量阻抗Zm=－jXc，过原点的方向阻抗继电器将拒动，但对以记忆电压为极化量的阻抗继电器，由于XC＜ZS，继电器不会误动。K2点发生短路时，保护测量阻抗Zm=Z1－jXc，可能引起距离Ⅳ段阻抗继电器误动，如图5所示。

图5 线路正方向有串补修正后的距离保护特性

(2)串补电容安装在保护的反方向

串补电容安装在保护的反方向时，如图6所示。K1点发生短路时，保护测量阻抗为Zm=jXc，如果XC＞Xset，阻抗继电器将会误动，如图7所示。

图6 线路反方向有串补时示意图

图7 线路反方向有串补修正后的距离保护特性

4 现有的解决方案及评价

4.1 解决方案

4.1.1 圆特性距离保护

(1)串补电容安装在保护的正方向

串补电容上所产生的最大压降为电容MOV的保护级峰值电压Upr，故障时串补上的压降－jLXc最大值不超过Upr/2I。为解决区外短路距离Ⅰ段超越问题，在距离Ⅰ段的整定阻抗基础上再增加1个电抗型继电器。

如图5所示，直线下方为动作区，距离保护Ⅰ段的保护范围将缩小(缩小值为Upr/2I)，随着运行方式的变化而变化有一定的自适应能力，防止了区外短路距离Ⅰ段的超越。

(2)串补电容安装在保护的反方向

串补安装在保护的反方向，如果XC＞Xset，可配置如图7所示的电抗型继电器防止反方向故障时误动。电抗器下方为动作区。

4.1.2 四边形特性距离保护

(1)距离方向元件

四边形特性距离保护的距离元件分为距离测量元件和距离方向元件。距离方向元件采用记忆电压，用故障前的记忆电压同故障后电流的比相来判别故障方向。采用记忆电压判别方向，避免了保护反方向时由串补引起的阻抗继电器误动。采用故障后电流，降低了距离方向元件的灵敏性。距离元件的动作条件为方向元件时判为正方向，且计算阻抗在整定的四边形范围内。

(2)距离测量元件

没有串补的距离保护动作特性如图8所示。图中，正方向保护范围AB为防止经过渡电阻短路引起保护误动;保护范围BC为躲过负荷阻抗;保护范围AD、CD为保证正方向出口短路时，保护有足够的灵敏性。

图8 四边形特性阻抗保护动作特性

对于有串补电容的线路，为保证电容器故障后保护能正确动作，在反向自动取Xc的1.25倍定值。同时为避免正方向区外故障的超越，降低电抗的整定值，阻抗特性采用图9所示特性。改进后的阻抗特性保证了保护正方向有串补时距离保护Ⅰ段，避免了出口死区及正方向区外故障保护的超越问题。

4.2 方案评价

(1)对于圆特性阻抗继电器，通过增加不同电抗型继电器，可以有效避免保护正方向和反方向有串补引起的保护误动。

(2)对于四边形阻抗继电器，通过采用记忆电压和故障电流判别方向，避免了保护反方向有串补引起的保护误动。通过改进的四边形阻抗特性，避免了保护正方向有串补引起保护误动和拒动。

图9 线路正方向有串补修正后的保护特性

5 结语

本文简要介绍了距离保护和串补技术的基本原理，针对串联电容补偿线路，详细分析了串联补偿电容对距离保护的影响。并且指出串联补偿电容对距离保护的影响主要在于:正向经串联补偿电容短路故障时，阻抗继电器可能发生拒动;反向经串联补偿电容短路故障时，阻抗继电器可能发生误动作。针对串联补偿电容给距离保护带来的不良影响，文章介绍了现有的两种解决方案并作出了综合的评价。但仍需指出的是，目前针对距离保护I段的超越问题依然没有得到很好的解决，仍将成为今后研究的一个热点。

［1］ 王文勇，朱建红.串联补偿电容对线路保护的影响及其解决方案综述［J］.科技创新导报.2008，1:49 －50.

［2］凌洪政.串联补偿电容器对线路保护装置影响的研究［D］.南宁:广西大学，2005.

［3］张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.2版.北京:中国电力出版社，2010:62－63.

［4］刘淑磊.串联补偿线路距离保护研究［D］.杭州:浙江大学，2011.

［5］王建华，王颖.串补电容对线路继电保护的影响［J］.吉林电力.2006，34(6):7 －9.

［6］曹磊，周满，张延鹏.串联补偿设备对线路保护的影响及解决办法［J］.东北电力技术.2010，3:14 －15.

［7］王文勇，朱建红.串联补偿电容对线路保护的影响及其解决方案综述［J］.科技创新导报.2008，1:49 －50.