串联电容补偿线路的继电保护设计研究

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|X_C|<|Z_S|时(X_C为电容器容抗，Z_S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|X_C|>|Z_S|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)X_C|<|Z_S|时　(b)|X_C|>|Z_S|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Z_Y′，当|X_C|<|Z_Y′|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|X_C|>|Z_Y′|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)|X_C|<|Z_Y′|时(b)|X_C|>|Z_Y′|
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|Z_2S|>|X_2C|时，I₂J超前U₂J，负序方向继电器动作，但是当|Z_2S|<|X_2C|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%)(X_NM-X_C)。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%X_NM，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X_NM，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P_L=IX_NM-I(X_NM-X_t)=IX_t,X_t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IX_t′，X_t′为串补电容与MOV导通后的并联值，显然X_t′<X_t，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：

|ΔU_op|>U_z

对接地故障　U_op=U-(I+3KI₀)Zzd
对相间故障　U_op=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%)(Z_L-X_C)；I₀为零序电流；K为零序电流补偿系数；U_z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=-I₂Z_J,Z_J为TV背后的等效负序阻抗，Z_J=Z_S-X_C。当电容被旁路时，Z_J=Z_S，为感抗特性；当电容不被旁路时，如Z_S<X_C，则Z_J=Z_S-X_C，为容性，引入补偿电压I₂Z′(|Z_S-X_C|<Z′<|X_C|)后，V₂′=(-Z_S+X_C-Z′)I₂，即由-(Z′+Z_S-X_C)的阻抗性质所确定，由于Z′>|Z_S-X_C|，故在Z_S<X_C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(Z_R′-Z′)，因为Z′<|X_C|，故Z_R′-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=-(Z_R′-X_C)I₂，因为Z_L>|X_C|,保护测量电压为正方向。若反方向F₁点故障，V₂=Z_SI₂，当X_C>Z_S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。

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