一种确定保护受串补电容影响区域的仿真方法

刘 毅，刘汉伟，梅 涛



一种确定保护受串补电容影响区域的仿真方法

刘 毅，刘汉伟，梅 涛

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司,四川 成都 610021)

近年来国内外研究串补电容对线路保护的影响的很多，但是在研究电网中距离保护受串联补偿电容影响的区域的很少。在分析串联补偿电容对距离保护的影响的基础上，提出一种基于短路电流确定距离保护受串联补偿电容影响的电网区域的仿真方法。通过对比分析部分站点测量阻抗的理论分析结果和仿真计算结果应证了仿真方法的正确性。同时以一具体工程实例采用仿真方法计算出距离保护受串补电容影响的电网区域。

串联补偿电容；短路电流；距离保护；仿真方法

0 引言

长期的电力系统运行经验表明，当高压/超高压线路需长距离输电时，线路的阻抗较大，输电潮流及系统稳定性均会随线路长度的增加而递减；为了提高线路的输电能力及电力系统静态稳定性，在输电线路中串联补偿电容[1-5]，即在线路中串入一定容量的电容以减小全段线路对外的输电阻抗。由于串联补偿电容的容抗作用，本线路或相邻线路故障后对外呈现的电气特性会发送变化，进而影响保护装置的故障判别[6-14]，因此，研究串联补偿电容器对保护的影响，进而对保护配置提出新要求，使其满足有串补电容线路的需求有着重要意义。

近年来国内外研究串补电容对线路保护的影响的很多，但是在研究如何界定系统中线路保护受串联补偿电容影响的范围的很少；在实际工程中，当线路中有串联补偿电容时，也是采用以下经验做法：串联补偿电容本线路配置串联补偿型线路保护，相邻线路保护的距离保护(I段)退出运行；没有对串联补偿电容对邻近站点距离保护有影响的区域进行详细和较精准的分析计算。本文重点研究分析串联补偿电容对距离保护的影响，并结合某一工程实例，提出一种基于短路电流确定串补电容对距离保护影响范围的仿真方法，本文结合理论分析和仿真结果进行对比分析。

1 串联补偿电容对系统保护的影响

为了分析串联电容对系统保护的影响，下面以简化的系统为例进行分析说明。

1.1 串联补偿电容对串补本线路保护的影响

在有串联补偿电容的线路上，当串补电容附近发送故障时，如图1所示故障点k1，电流正方向如图所示(为故障点k1至B点的阻抗)。

图1 串补电容线路本线路故障示意图

B站保护测量电压为

(2)

假设P处保护的距离一段的定值设置为0.8倍全线阻抗；定义线路AB单位长度阻抗为，线路全程为，故障点距离B站距离，P处保护过原点的动作阻抗如图2所示。

图2 P处距离I段动作阻抗圆示意图

则由以上可知，P处的一段距离保护在以下几种情况存在错误动作。

1.2 串联补偿电容对串补相邻线路保护的影响

本文仅分析相邻第一级线路保护所受的影响。在有串联补偿电容的线路上，当串补电容附近k1点发送故障时(为故障点1至B点的阻抗)，电流正方向如图3所示。

B、C站Q、R点保护测量电压分别为

(4)

(6)

(8)

Q、R点保护过原点的动作阻抗如图4所示。

图4 Q、R处距离I段动作阻抗圆示意图

Q点测量阻抗在第二象限，如果测量阻抗落在阻抗动作圆内2区，则Q处保护会误动。

R点测量阻抗在第一象限，如果测量阻抗落在阻抗动作圆内1区，则R处保护会误动。

综合上述1.1节和1.2节分析，P、Q、R三处保护的距离一段均可能因为串联电容的影响，而导致保护误动或者拒动。

2 工程实例介绍

为了分析串联电容对系统保护的影响，下面以简化的系统为例进行分析说明。本次相关线路的参数如表1。

表1 相关线路参数表

电网拓扑接线图如图5所示。

图5中，串补1~4的容抗分别为所在线路阻抗的50%，安装位置在C站的出口处。串补1~4考虑为固定串联补偿电容。

以B~C~D线路中的串联补偿电容器对相关线路保护的影响分析为基础，提出一种“分析界定距离保护受串补电容影响的范围”的工程方法。

3 界定距离保护受串补电容影响范围的工程方法

本文基于电力系统短路电流计算的基础上，提出一种界定保护受串补电容影响范围的方法。该方法具体步骤如下：

(1) 用短路电流计算程序在最严重处(串补电容处)模拟故障，输出关注站点在故障后的电流、电压；

(2) 根据步骤(1)中所得的电流电压，计算出所关注站点的测量阻抗；

(3) 将步骤(2)中所得的测量阻抗和关注站点的保护定值相比较，确定该站点在该故障方式下是否受串补电容的影响。

以第2节中介绍的系统为例，详细说明确定受串补电容影响范围的方法和步骤。

3.1 系统分析

首先根据拓扑结构分析在哪种运行方式下，哪个位置故障后，串补电容对系统中的距离保护影响最大。

3.1.1串补电容本线路

考虑对装有串联补偿电容线路影响最严重的运行方式，即C站内(考虑为3/2断路器接线)分串运行，拓扑参数如图6所示。

按图6所示，对于P1保护来说，当2故障时P1的距离保护受影响最大，同理P4保护在1故障时所受影响最大。

下面以1三相接地故障为例，P2、P3、P4处分别以上面提出的仿真方法及理论分析方法分别计算测量阻抗。

(1) 短路电流仿真方法

当1三相接地故障时，用短路电流仿真得出 P2、P3、P4处电流电压分别为

(10)

(11)

(13)

(14)

即P2、P3、P4保护计算出的阻抗分别为

(16)

(17)

(2) 理论分析方法

根据理论分析可得P2、P3、P4保护的阻抗分别为

(19)

(20)

通过对比理论分析和仿真计算阻抗结果，其存在些许误差的原因是：(a) 仿真计算中小结点和电容中间有小电抗(约为0.0001j)；(b) 站点C运行有并列线路容抗。两者的结论相互应证。

另外根据过原点的动作阻抗圆(如图7)可知：不论是理论分析和仿真计算，均能得到：P2保护会出现拒动，而P3、P4保护会误动。

图7 P2、P3、P4距离I段阻抗动作圆示意图

3.1.2相邻线路

考虑对装有串联补偿电容线路的相邻线路影响最严重的运行方式，即如图8所示，CD一线检修退出运行，2点为三相故障点。

下面以2三相接地故障为例， P1、P2处分别以上面提出的仿真方法及理论分析方法分别计算测量阻抗。

图8 A侧最严重运行方式示意图

(1) 短路电流仿真方法(B不考虑电源助增，即B站电厂不开机)。

(22)

(23)

即P1、P2保护计算出的阻抗分别为

(25)

(2) 理论分析方法(B不考虑电源助增，即B站电厂不开机)。

按图8所示，可等效为图9。

图9 等效阻抗图

当由图9可得如下关系式：

由式(27)可知，P1、P2点的测量阻抗为

(28)

(3) 短路电流仿真方法(B站考虑电源助增，正常开机)。

(30)

(32)

(33)

即P1、P2保护计算出的阻抗分别为

(35)

通过对比理论分析和仿真计算阻抗结果，其存在些许误差的原因：仿真计算中小结点和电容中间有小电抗(约为0.0001j)。两者的结论相互应证。另外对比考虑B站助增电源结果可知，当B点考虑电源时，串补电容由于助增电源的影响变大，和1.1节的分析结论一致。

另外根据过原点的动作阻抗圆(图10)可知，不论是理论分析和仿真计算(不考虑助增电源)，当2发生金属性接地故障后，P1 、P2保护的测量阻抗均会进入动作圆而发生误动。仿真计算(考虑助增电源)时，P1、P2的测量阻抗在分别在第四象限和第二象限动作圆外，不会误动，但是随着2点向D站移动，P1、P2的测量阻抗会移动至动作圆内而误动。

图10 P1、P2距离I段阻抗动作圆示意图

3.2 全系统扫描

采用3.1节介绍的方法，短路电流程序扫描最严重故障情况下，各个站点的电压和支路电流，及所计算的测量阻抗如表2所示。

综合分析可得，距离I段保护受串补电容影响的站点范围如图11所示。

图11 受串补电容影响的范围图

图11中曲线内的站点均受串联补偿电容的影响，需要配置专门适用串联补偿电容的串补型线路保护或在运行中退出相应距离保护元件，以避免串联补偿电容对距离保护造成的误动或拒动。

4 结论

本文分别分析了串补电容对串补本线路和相邻线路距离保护的影响，进而提出了基于短路电流计算界定保护受串补电容影响范围的工程方法，该方法能够较准确地确定受影响的距离保护，进而为需要配置串补型保护的站点提供指导性意见；同时，本文通过部分站点阻抗的理论分析和仿真计算的结果相对比，通过对比分析应证了仿真方法的正确性。

表2 BPA仿真软件按文章仿真方法计算出各点电压及各支路电流

续表2

线路线路首端电压线路电流(首端流向末端)线路首端测量阻抗线路阻抗 首端末端幅值相角幅值相角电阻电抗电阻电抗 DE1.549 2-137.4699.813 6122.705-0.003 00.017 10.000 70.012 7 NS0.651 5-122.6813.138 4120.894-0.010 20.020 40.000 20.003 9 NM0.651 5-122.6812.304 5133.927-0.007 20.030 30.000 10.003 1 NO0.651 5-122.6816.917 6-51.9040.003 4-0.009 80.000 20.004 1 UT0.312 6-61.4831.937 2105.488-0.017 3-0.004 00.000 30.004 6 SN0.556 6-117.0443.160 7-58.8830.010 2-0.016 50.000 20.003 9 LK0.556 6-120.2796.457129.951-0.003 20.008 90.000 20.004 1 LI0.556 6-120.2794.850 3122.76-0.005 70.011 30.000 20.005 2 LM0.556 6-120.2790.895 3-40.6370.012 3-0.067 30.000 20.004 1 LD0.556 6-120.27911.022-53.860.002 2-0.005 10.000 50.010 3 MN0.588 7-121.0172.328 1-45.9260.007 2-0.026 90.000 10.003 1 ML0.588 7-121.0170.865 8139.02-0.012 90.073 70.000 20.004 1 RO0.382 7-89.7377.635 3-57.6360.004 7-0.002 90.000 50.009 3 RT0.382 7-89.7376.931 6121.557-0.005 20.003 20.000 20.004 1 VK0.299 1-71.0145.162-71.5240.006 40.000 10.000 20.004 1 VU0.299 1-71.0141.327 5102.829-0.024 6-0.002 70.000 20.004 1 VW0.299 1-71.0140.934 2119.057-0.034 70.006 20.000 10.001 5 VX0.299 1-71.0142.898 5108.057-0.011 3-0.000 20.000 40.008 WV0.298-68.6360.935 1-60.5910.034 7-0.004 90.000 10.001 5 KI0.346 1-104.7771.648 413.882-0.011 1-0.020 30.000 10.002 KL0.346 1-104.7776.478 1-49.9590.0034-0.004 80.000 20.004 1 KV0.346 1-104.7775.157 1108.305-0.006 20.004 00.000 20.004 1 IK0.372 5-102.8021.640 1-165.9670.011 30.022 30.000 10.002 IH0.372 5-102.8020.666 9-8.363-0.004 8-0.061 30.000 40.005 1 IL0.372 5-102.8024.875 3-57.0430.005 9-0.006 00.000 20.005 2 IJ0.372 5-102.8024.757 5108.598-0.007 40.004 50.000 70.010 2 HI0.403-102.80.642 9171.8030.005 50.068 70.000 40.005 1 HE0.403-102.81.107 4-27.9390.010 5-0.038 60.000 70.010 2 XV0.375 6-36.8832.887 2-71.3130.011 80.008 10.000 40.008 QO0.842 8-127.5474.248 3-55.3360.006 7-0.020 80.000 10.001 5 YT0.724 70.1985.536 4-57.3390.007 70.012 10.000 90.011 JI0.426 4-35.7654.754 3-70.9070.008 10.005 70.000 70.010 2 EH0.499 1-106.6451.053 1151.377-0.010 80.051 00.000 70.010 2 EF0.499 1-106.6454.281106.817-0.010 70.007 10.000 90.015 5 ED0.499 1-106.6459.968-57.020.003 6-0.004 20.000 70.012 7 EG0.499 1-106.6453.677 3128.615-0.008 50.012 30.000 10.002 GE0.447 9-101.413.684 7-51.2980.008 6-0.010 30.000 10.002

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(编辑 姜新丽)

Simulation method of defining the area in which the distance protection affected by the series compensation capacitor

LIU Yi, LIU Hanwei, MEI Tao

(Southwest Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Power Engineering Consulting Group, Chengdu 610021, China)

There are many papers researching on series capacitor’s effect on distance protection in recent years, but few papers researching on the area in which the distance protection affected by the series compensation capacitor. This paper firstly analyzes the effect of series compensation capacitor to distance protection, secondly presents a simulation method of defining the area in which the distance protection affected by the series compensation capacitor based on the short circuit current protection. The validity of the simulation method is proved by comparatively analyzing the result of theoretical calculation and simulation calculation. At last, taking a specific engineering as an example, the paper defines the area in which the distance protection affected by the series compensation capacitor by using the simulation.

series compensation capacitor; short circuit current; distance protection; simulation method

10.7667/PSPC150794

2015-05-12；

2015-08-26

刘 毅(1985-)，男，通信作者，硕士研究生，工程师，研究方向为继电保护与安全稳定控制；E-mail：laya1226@163.com

刘汉伟(1964-)，男，教授高级工程师，研究方向为继电保护与安全稳定控制；

梅 涛(1970-)，男，高级工程师，研究方向为继电保护与安全稳定控制。