特高压多串补系统电流特性分析

高 超 郑 涛 毕天姝 杜丁香

（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学） 北京 102206 2.中国电力科学研究院 北京 100085）

0 引言

输电线路安装串联补偿装置可以有效提高输送容量，使电力系统具有更好的经济性，因此串联补偿技术在超/特高压系统中得到了广泛应用[1-7]。然而，安装串补装置会在安装位置处产生一个电气状态跃变，破坏了输电线路电气参数的均匀分布，给线路保护带来一定的困难。特别是对于特高压系统，为进一步提高线路的输电能力，常在线路上安装多个串补装置，这将会更多改变系统的电气特性，影响保护动作的正确性[8-11]。

国内外学者对双端系统单串补线路电气特性进行了大量理论研究。文献[1,2]简要分析了串补系统电压电流反向现象产生的原因及其对现有保护的影响，但分析主要针对三相金属性故障。文献[3]给出了电压电流反向时线路的沿线电压分布情况，并分析了可能出现电压电流反向的条件。但其仅对电压电流反向出现的可能性做出说明，并未进行深入分析。文献[4]针对阳城-江苏实际工程，分析了电流电压反向条件。

文献[8]针对多串补线路电压电流反向现象进行研究，并且考虑了线路存在过渡电阻的情况。但是并未针对不对称故障情况下的电流反向特性进行分析，同时，在分析经过渡电阻接地的三相短路故障电流反向特性时，未考虑对侧电气信息，具有一定的局限性。

考虑到当前特高压示范工程采用多串补方式，为更好地探究适合特高压实际工程的继电保护动作行为，本文基于特高压实际工程，对多串补线路电流特性展开分析，得到接近实际工程状态下的线路电气量特性。采用实际工程参数，利用PSCAD 对特高压多串补线路进行了仿真，仿真结果与理论分析一致。

1 特高压多串补系统概述

图1为晋东南-南阳-荆门特高压多串补系统模型。该系统包括两条输电线路MN 和NP 段，eM、eN、eP为三个等效电源。在线路MN 段采用双端补偿方式，NP 段采用单端补偿方式，且串补装置安装N 侧。

图1 晋东南—南阳—荆门特高压多串补系统模型Fig.1 Jin Dongnan−Nanyang−Jinmen ultra high voltage transmission line with multi series compensation capacitors

本文以MN 段线路保护为例，分析保护安装处短路电流特性。在系统中分别设置区内故障点k1和相邻线路故障点k2。故障点k1位于MN 段，距串补装置C1、C2分别为1l和2l，故障点k2位于NP 段，距串补装置C3为3l。k1点故障，流过线路MN 两侧的电流分别为Mi和N1i，k2点故障，流过线路NP 两侧的电流分别为N2i和Pi。

2 区内短路故障时电流特性分析

2.1 三相短路时电流特性分析

现有文献中，主要针对三相金属性接地故障电流特性进行分析。当发生三相金属性接地故障时，若满足电流反向条件，串补装置两端电压将大于其旁路电压，使串补装置旁路，从而避免了电流反向现象[8]。为了更细致地探究电流反向特性，本文将以三相经过渡电阻接地故障为例分析三相短路时的电流特性。当图1中k1处发生三相经过渡电阻接地故障时，对线路MN 段电流进行分析，此时可以将N 侧系统模型进行等值[9]。其系统简化模型如图2所示。

图2 k1处发生三相经高阻故障时的系统简化模型Fig.2 System sample model when three-phase fault occurs at k1with transition resistance

其中

对图2中的系统进行故障分析，得

当XM+X1＜XC1时，故障电流iM超前eM−iN1Rf，此时，电流是否为容性取决于对侧的故障电流iN1，对侧故障电流i为

结合式（2）与式（3）并进行化简有（在本文分析过程中，假设系统两端电动势相等）

由式（4）可以看出，当XM+X1＜XC1时，可能会出现电流超前电压的电流反向现象。

此时，串补装置XC1两端的电压为

当过渡电阻较大时，串补装置旁路保护不会动作，电流反向现象可能发生。分析k1处故障时故障电流 N1i及k2处故障时故障电流 N2i时，其分析方法与分析k1处故障时故障电流Mi的方法相似，在此不再赘述，相应分析结果在第4 节给出。

2.2 不对称短路时电流特性分析

以单相接地故障为例，分析不对称故障时保护安装处电流特性。针对不对称短路类型，建立故障分析序网络图。考虑到主要是针对故障段进行分析，故非故障段可以进行等值变换[9]，k1处发生A 相接地故障时系统简化模型如图3所示。

图3 k1处发生单相接地故障时的系统简化模型Fig.3 Sample model when single-phase fault occurs at k1

图3中e′和X′满足式（1）。故障时，三序网络如图4所示，故障复序网络如图5所示。

图4 k1处发生单相短路故障时三序网络Fig.4 Three sequence system when single-phase fault occurs at k1

图5 k1处发生单相短路故障时复序网络Fig.5 Composite sequence system when single-phase fault occurs at k1with transition resistance

图5中

当系统发生单相接地故障时，故障电流为

对于A 相金属性接地故障，若系统未安装串联补偿装置，电压必然超前电流，而对于本文所示的串补系统，故障后其正序电流满足（假设系统两端电动势相等）此时，M 侧保护安装处的正序电流为

式中

对应的负序及零序电流满足

N 侧保护安装处测得的故障电流为

3 相邻线路短路时电流特性分析

以k2处发生三相短路故障时M 侧电流特性为例分析，系统简化模型如图6所示。

图6 k2处发生三相故障时的系统简化模型Fig.6 System sample model when three-phase fault occurs at k2

图6中

此时保护安装处测得的故障电流 N2i为

考虑到 N2i由电源M 及电源N 共同产生，故K2处故障时M 侧保护安装处故障电流为

整理得

当k2处发生三相经过渡电阻接地时，类比2.1节分析方法可得保护安装处N 测得的故障电流为

利用相似的分析方法可得M 侧的故障电流为

由式（17）可以看出，当相邻线路发生三相经过渡电阻接地故障时，电流反向现象不可能发生。对于相邻线路发生不对称短路时的分析方法可类比三相短路得出，相应分析结果在第4 节给出。

4 电流反向发生的条件总结

由前述分析可知，电流反相的产生与系统运行方式、故障点位置、串补容抗大小等有关，在不同情况下产生电流分析的条件见下表。

对于MN 段故障时N 侧保护安装处测得的电流iN1及NP 段故障时N 侧保护安装处测得的电流iN2的电流反向条件可类比MN 段故障时M 侧保护安装处测得电流iM的电流反向条件得出。

表 串补线路故障时iM电流反向情况Tab.iMcurrent reverse conditions when fault occurs in series compensated line

5 仿真验证

利用晋东南—南阳—荆门特高压线路实际数据搭建如图1所示的PSCAD 仿真模型。针对不同故障位置及不同故障类型进行仿真，设置故障点为串补电容C1出口处（10km）及线路MN 段1/2 处（180km），考虑到单相接地故障是特高压线路中最常见的故障形式，而其他类型故障也大多是由单相接地故障发展而来，故仿真以单相接地故障为例给出，仿真结果如图7和图8所示。本文主要列出k1处发生单相金属性接地故障及单相经 200Ω过渡电阻故障时的仿真结果。

图7 k1处发生单相金属性接地故障时M 侧 母线测得的电压、电流情况Fig.7 Waveforms of voltage and current at M side of bus-bar when single-phase metal to ground fault occurs at k1

图8 k1处发生单相经200Ω过渡电阻接地故障时 M 侧母线测得的电压电流情况Fig.8 Waveforms of voltage and current at M side of bus-bar when single-phase to ground after 200Ω resistance fault occurs at k1

当MN 段发生单相金属性接地故障时，仿真结果如图7所示。由图7可以看出，当系统发生单相 金属性接地故障，若满足XM(0)+X1(0)＜XC1(0)时，如 图7中故障点位于串补出口处时的情况，保护安装处可以测得电流反向现象，仿真结果与第2.2 节理论分析相同。

当MN 段发生单相经200Ω过渡电阻接地故障时，仿真结果如图8所示。由图8可以看出，在当MN 段发生单相经过渡电阻接地故障时，若满足XM(0)+X1(0)＜XC1(0)时，如图8中故障点位于串补出 口处时的情况，保护安装处可以测得电流反向现象，与第2.2 节理论分析相同。

对于相邻线路故障，由于非故障段系统等值阻抗较大，在正常运行时一般不会达到电流反向要求，只有在系统改造的情况下时，相邻线路故障可能会造成电流反向。同时，分析时，将非故障段进行等效，故仿真中可以类比本线路k1点故障情况，在此不再赘述。

根据仿真结果可以看出，仿真结果与第2 节理论分析结果相同，第4 节表中结论可以作为判断电流反向的依据。

6 结论

本文系统考虑到当前针对多串补系统电流特性分析不足，着重分析了多串补线路在不同故障情况下产生电流反向的条件，分析表明，电流反向现象会出现在本线路发生不对称故障及相邻线路发生金属性故障时。其是否出现与系统参数、故障点位置及补偿度有关。通过系统分析串补线路电气量特征，为保护动作特性研究奠定了基础。

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