考虑串补旁路的串补线路双端故障测距解决方案

2021-05-10朱青成解良杨远航石恒初游昊赵明张哲铭张鑫

云南电力技术 2021年2期

朱青成，解良，杨远航，石恒初，游昊，赵明，张哲铭，张鑫

（云南电力调度控制中心，昆明 650011）

0 前言

在输电线路中加入串联补偿装置，是提高线路输送能力，增加输电线路的稳定裕度，改善电压质量及无功功率平衡，优化多回输电线路间潮流分布的重要手段，在长距离、大容量的高压输电线路中得到广泛应用。双端测距具有不受过渡电阻影响的优势[1-2]，被大量运用于输电线路故障测距，带串补线路的双端测距亦有不少研究[3-6]，基于双端录波的串补线路测距基本原理未考虑串补旁路的情况，但在实际运行过程[7-12]中，线路发生故障往往会联动旁路线路串补，这就给测距方法的具体应用带来困难，需要辨识出故障持续过程中是否需要进行测距补偿。针对这一问题，本文对串补线路旁路情况进行分析研究，提出了考虑串补旁路情况的串补线路双端测距方法，并利用工程案例对所提出的故障测距方法加以验证。

1 串补模型简介

图1 固定串补模型

典型的串补模型及其保护方案如图1所示，主要包括电容器组、金属氧化物限压器（MOV）、放电间隙、旁路开关、阻尼回路、电流互感器和辅助设备等。MOV为串补电容的过电压保护，将电容器上的电压限制到规定的最大水平。放电间隙作为MOV的保护，一是当MOV上的过电压上升到一定程度，MOV吸收较多能量时迅速将串补旁路，防止MOV爆炸；二是当电容器发生故障或承受过大电流时，通过控制系统触发放电间隙在几个毫秒内将电容器旁路。旁路开关作为串补系统的后备保护，当MOV导通、放电间隙放电或线路保护联跳串补保护时（线路故障时，线路保护向串补保护发出远跳信号），旁路开关合闸以避免线路故障对串补系统造成损害。

2 串补旁路动作情况分析

设t0时刻为串补线路故障发生时刻，t1为线路两端故障先隔离端开关熄弧时刻，t1一般在40～90 ms之间（考虑主流保护厂家线路保护动作时间一般为10～30 ms，加上断路器的固有分闸时间及燃弧持续时间一般为30～60 ms）。

记MOV导通形成旁路的初始时刻为tpm，放电间隙放电形成旁路的初始时刻为tpg，旁路断路器闭合形成旁路的时刻为tpb。当串补电容未被旁路时，串补装置的阻抗表现为纯容抗，当串补装置被MOV、放电间隙、旁路断路器任一旁路时，串补装置都为纯电阻性。在t0～t1期间，串补电容存在以下几种旁路情况：

1）串补电容始终未被旁路，即MOV未导通、放电间隙未放电、旁路断路器未闭合，串补装置的容抗示意图如图2(a)所示。

2）MOV未导通，放电间隙未放电，旁路断路器闭合形成旁路。此种情况旁路断路器是线路保护联跳串补使其闭合的，tpb通常大于40 ms（考虑主流保护厂家线路保护动作时间一般大于10 ms，断路器固有合闸时间通常大于30 ms），串补装置的容抗示意图如图2(b)所示。

3）当出现非常严重的故障，放电间隙在极短的时间（一般小于5 ms）内被强制触发放电将串补电容旁路，因电压被钳制，此后MOV不会被导通，旁路断路器未闭合或者闭合，串补装置的容抗示意图如图2(c)、(d)所示。

4）MOV导通将串补电容旁路，放电间隙未放电，旁路断路器未闭合或者闭合，串补装置的容抗示意图如图2(e)、(f)所示。

5）MOV先导通形成旁路，随后放电间隙放电再次旁路，旁路断路器未闭合或者闭合，串补装置的容抗示意图如图2(g)、(h)所示。上述分类情况可借助SCADA系统采集到的串补装置MOV导通、放电间隙放电、旁路断路器合位继等信息辅助判断。

图2 串补不同旁路情况下的容抗示意图

3 不同旁路情况下的测距方法

3.1 串补安装在线路厂站端的测距方法

当串补未被旁路时，利用双端测距原理进行测距计算，见式（1）。

其中：lM为故障点到M侧的距离；l为线路总长度；分别为M侧、N侧测量到的故障相电压；分别为M侧、N侧测量到的故障相电流；分别为M侧、N侧测量到的故障相电流零序分量；Z1为线路单位长度的正序阻抗；ZC为串补电容的工频阻抗；K为线路零序电流补偿系数。

当串补被旁路后，式（1）中ZC等于0，测距公式演变为式（2）。

对前文所述的五种分类情况，分别选择相应的测距公式及特定的滑窗时段对经同步后的两端故障录波数据进行滑窗测距计算（一个数据窗时长取一个周波20 ms），可得到实际测距结果。

对第（1）种情况，数据窗首端从t0+20 ms时刻滑至t1时刻，利用式（1）进行测距计算，可得到(t1-t0-20)/k/1000个测距结果（k为录波数据的采样频率，单位为Hz）。该序列测距结果维持在一个稳定的窄区间，以下简述为可得到稳定的滑窗测距结果。该系列结果的平均值即为故障距离。

对第（2）种情况，数据窗首端从t0+20 ms时刻滑至tpb时刻，利用式（1）进行测距计算，可得到稳定的滑窗测距结果，该系列结果的平均值即为故障距离。当t1-tpb＞20 ms时，数据窗首端从tpb+20 ms时刻滑至t1时刻，利用式（2）进行测距计算，滑窗测距可得到稳定的结果，该系列结果的平均值亦为实际故障距离，可与前述结果相互校验。

对第（3）种情况，数据窗首端从tpg+20 ms时刻滑至t1时刻，利用式（2）进行测距计算，可得到稳定的滑窗测距结果，该系列结果的平均值即为故障距离。

对第（4）、（5）种情况，数据窗首端从tpn+20 ms时刻滑至t1时刻，利用式（2）进行测距计算，可得到稳定的滑窗测距结果，该系列结果的平均值即为故障距离。当tpn＞20 ms时，数据窗首端从t0+20 ms时刻滑至tpn时刻，利用式（1）进行测距计算，滑窗测距可得到稳定的结果，该系列结果的平均值亦为实际故障距离，可与前述结果相互校验。

3.2 串补安装在线路中间的测距方法

对串补装置安装在线路中间的串补线路，当旁路情况为前述的情况（1），或情况（2）中t1-tpb＜20 ms时，对故障点所在位置做假设，用对应的测距公式进行滑窗测距计算。当旁路情况为前述的情况（3）、（4）、（5），或情况（2）中t1-tpb＞20 ms时，利用式（2）对旁路后至t1期间的录波数据进行滑窗测距，取平均值可得到故障距离，不需要考虑故障点是位于串补装置的M侧还是N侧。

4 串补旁路的工程案例测距验证

云南电网某带串补的220 kV MN线，线路长度为110.6 km，串补安装在220 kV M 站，线路不带串补的正序阻抗参数为：(0.050+j0.320)Ω/km，零序阻抗参数为：(0.341+j1.154)Ω/km，串补的容抗值为21.33 Ω，补偿度为60%。

图3 220 kV MN线式（2）滑窗测距结果

图4 220 kV MN线式（1）滑窗测距结果

图5 220 kV MN线滑窗测距示意图

某日，该线路发生B相接地故障，串补的旁路情况为前述的图2（e）的情况。数据窗首端从t0+20 ms时刻滑至t1时刻，利用式（2）进行测距计算，得到的测距结果如图3所示。数据窗首端从t0+20 ms时刻滑至t0+27.33 ms时刻，利用补偿后的测距公式（1）进行测距计算，得到的测距结果如图4所示。图3、图4中t0+20 ms等时刻表示数据窗首端位于此时刻时的测距结果。图5(a)、(b)、(c)、(d)分别为数据窗首端位于t0+20 ms、t0+27.33 ms、t0+47.33 ms、t0+48.99 ms（t1）四个时刻的示意图。图3中测距序列c的平均值为57.39 km，图4中测距序列d的平均值为57.71 km。实际巡线结果是故障点距M站的距离为59.26 km，测距序列c的误差为3.2%，测距序列d的误差为2.6%，均具有较高的测距精度。