基于串补线路出串运行的保护配合方法

杨 雪，李凡红，李 辉，李飞鹏,王 胜，何海龙

(国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610017)

0 引 言

随着两河口电厂等一系列重大工程投产，四川电网短路电流快速增长，在不采取措施的情况下，多处500 kV、220 kV母线短路电流超过断路器遮断容量[1]。同时，为了提高电力输送容量，部分线路采用串联电容补偿方式，进一步增加母线短路电流。因此，寻求一种降低短路电流的方案具有重要现实意义。

为解决水利资源丰富的甘孜片区电网窝电弃水问题，500 kV康蜀串补站采用串补输电方式提升了通道外送能力，但导致蜀州站母线短路电流达极限水平。为有效抑制母线短路电流水平，国内学者进行了大量研究。文献[1]提及线路出串运行降低短路电流方案，并分析了对安控装置的影响，但其线路为常规无串补线路。文献[2]提出通过分母运行、断开线路等方法对短路电流进行限制；文献[3]提出一种基于Pareto优化的分层分区方法；文献[4]提出合理安装电流限制器降低短路电流的方法。以上手段均为采用单一站内措施对短路电流进行限制，现场试验效果亦不佳，对于重负荷的蜀州站已不具备现场指导意义。结合500 kV康蜀串补站与蜀州站实际情况，国网四川省电力公司提出将500 kV甘蜀一线和500 kV蜀景三线从蜀州站出串运行的网络架构，以最大程度降低蜀州站内短路电流，但蜀景三线发生故障跳闸过程及跳闸后，会导致潜供电流、断口间暂态恢复电压有较大增幅，严重时将导致断口发生重击穿、重合闸失败、故障切除推迟甚至导致断路器的损坏[5]。

下面提出一种在500 kV蜀景三线跳闸后与500 kV甘蜀一线串补本体保护装置配合的保护方法，通过在500 kV康蜀串补站加装远传装置，分别接收500 kV蜀景三线蜀州侧和丹景侧线路保护装置的分相跳闸命令，实现联跳串补装置，抑制蜀景三线跳闸造成的潜供电流以及暂态恢复电压。

1 设备及运行方式简介

1.1 出串运行方式简介

四川甘谷地水电送出通道经500 kV甘谷地站—500 kV康蜀串补站送至500 kV蜀州站。为有效限制蜀州站母线短路电流，对电网结构进行调整，采用500 kV甘蜀一线与500 kV蜀景三线从蜀州站出串运行的电网结构，即甘谷地站第4串、丹景站第3串全串运行，蜀州站第7串边断路器停用，甘蜀一线和蜀景三线通过蜀州站内中断路器5072连接，如图1所示。

图1 500 kV蜀州站出串运行方式

1.2 串补站简介

串联补偿电容通过其容抗性质补偿部分输电线路感抗，使两电源点间总电抗降低，从而联系更加紧密，提高系统的稳定性。500 kV康蜀串补站作为川内首座串联电容补偿站，其原理接线如图2所示。带串补运行时，图中56112、56111隔离开关闭合，即将电容器组串接在甘蜀一线；与串联电容器组并联的MOV是一个金属氧化锌的非线性电阻。当电容器两端电压较低时，MOV呈现高阻状态，MOV中不流过电流，串补装置是一个线性电容器。当电容器两端的电压超过导通级电压时，MOV上逐渐流过电流，即将电容器中流过的电流分流，降低电容器组两端电压，从而起到保护电容器组作用[6]。如果电压进一步升高达到保护级电压或MOV热量值过大，则火花间隙击穿，从而短接电容器组对电容器组进行保护。阻尼电抗器能够在半个周波内使间隙击穿或使5611断路器旁路时产生的高频分量电流衰减。

图2 甘蜀一线串联补偿接线原理

500 kV康蜀串补站内设置有双重化配置的500 kV甘蜀一线串补本体保护装置，用于保护电容器组。

2 出串运行对系统影响及解决方案

2.1 出串运行对系统影响分析

在图1中，500 kV甘蜀一线通过蜀州站5072断路器与500 kV蜀景三线进行连接。当500 kV蜀景三线发生故障时，蜀州站5072断路器、丹景站5031、5032断路器相继跳闸后对系统的影响分析，主要从潜供电流、暂态恢复电压以及故障对串补系统的影响进行分析。

2.1.1 串补电容对暂态恢复电压的影响

现有研究已阐明[7]，在串补线路中，当线路切除故障并作用于断路器跳闸时，由于串联电容器两端存在较高残压。这将导致断路器跳开后，断路器线路侧断口存在电位，断路器母线侧断口与线路侧端口之间的压差(即断路器断口恢复电压)可能超过原来水平。断路器的暂态过电压能力是有限的，由于串补电容器的作用，在串补电容器线路侧发生故障时，将可能使暂态恢复电压从无串补线路的 2.00 pu，最大增加到 8.48 pu[8]。当暂态恢复电压超过断路器本身的能力，将导致断路器重击穿，引起系统过电压、故障切除推迟甚至导致断路器的损坏。对于串补线路出串运行原理类似，如图1中，蜀景三线跳闸后，5072断路器靠近串补侧有较高的残压，仍然存在以上分析问题。

2.1.2 串补电容对潜供电流的影响

现有重合方式一般整定为单相重合闸方式，当线路发生单相接地，保护跳开故障相两端时，正常两相之间由于电容耦合及互感作用，故障点弧光通道中仍有电流流过，即所谓的潜供电流。串补线路的潜供电流中有幅值较高的低频分量,低频分量使其过零次数减少，尤其当弧道电阻较小时低频分量幅值较大，所以单相重合闸成功率将相比无串补线路时低[9]。

2.1.3 故障对串补系统的影响分析

当蜀景三线发生故障时，会有很大的短路电流〗流过电容器组，此时若不采取将串补电容器组快速旁路、退出运行的措施，在大电流的冲击作用下，可能导致电容器组元件损坏，因此在蜀景三线故障时，需以较短延时旁路串补电容器组。此外，若蜀景三线发生单相永久性接地故障时，串补电容器组若在线路断路器重合之前进行重投，将导致电容器组重投于故障，同样可能造成电容器组元件的损坏。

基于以上分析，在蜀景三线发生故障时，应具备联跳串补功能，且应该在线路断路器跳开之前旁路串补电容器组；若蜀景三线发生单相接地故障，应在线路可靠重合以后再重投串补电容器组。

2.2 联跳串补方案实施

基于以上分析，在蜀景三线发生故障后，为有效抑制断路器跳闸后造成的暂态恢复电压，降低断路器被重击穿的风险，同时提高重合闸成功率，蜀景三线跳闸后，应同步联跳甘蜀一线串补装置。

2.2.1 康蜀串补站现有联跳方式

以甘蜀一线/蜀景三线为例，500 kV蜀景三线跳闸后，应能实现500 kV康蜀串补站500 kV甘蜀一线串补本体装置退出运行，即触发5611断路器旁路。但在现有运行方式下，仅有甘蜀一线故障可实现联跳甘蜀一线串补本体装置、旁路5611断路器功能。不同线路发生故障时康蜀串补站各装置动作为：

1)甘蜀一线故障时，可实现联跳康蜀串补站甘蜀一线串补功能，这是由于甘蜀一线固定接有故障后联跳串补二次回路。当甘蜀一线故障时，康蜀串补站甘蜀一线远传装置分别接收甘谷地侧、蜀州侧跳闸开入命令，并将跳闸命令转发至甘蜀一线串补本体保护装置。装置收到跳闸开入命令后出口旁路5611断路器，此时并未出现前面所提及的断路器重击穿、重合率低的风险。

2)当蜀景三线发生故障时，无法实现联跳康蜀串补站甘蜀一线串补本体保护。这是由于当蜀景三线发生故障时，甘蜀一线纵联差动保护判为区外故障，保护可靠不动作，即康蜀串补站甘蜀一线远跳装置无法接收到跳闸命令，从而串补本体保护装置不动作旁路5611断路器。此外蜀景三线未将跳闸命令发送给康蜀串补站，即使蜀景三线跳闸，其跳闸命令无法发送至康蜀串补站本体保护装置，从而造成跳闸后产生较高潜供电流和暂态恢复电压，存在断路器重击穿、重合闸失败的风险。

2.2.2 具体实施方案

提出在500 kV康蜀串补站新加远跳装置，分别用以接收蜀州侧和丹景侧蜀景三线跳闸命令。以康蜀串补站1号串补本体保护为例进行说明，图3为康蜀串补站甘蜀一线1号串补本体保护联跳回路原理图。

图3 甘蜀一线1号串补本体保护联跳闸回路原理

图3中，右侧PCS-9570C-H2为康蜀串补站甘蜀一线1号串补本体保护装置，蜀景三线远跳接口屏(蜀州侧和单景侧)为新加远跳装置。由图可知，甘蜀一线出串运行前仅有甘蜀一线可实现联跳串补功能，考虑出串运行后的特殊情况，将蜀景三线跳闸接点引入康蜀串补站远跳装置，并将远跳装置接入甘蜀一线1号串补本体保护装置，蜀景三线丹景侧远跳接口装置用于接收蜀景三线跳闸后丹景侧线路保护跳闸命令，并将跳闸命令转至甘蜀一线1号串补本体保护装置；蜀景三线蜀州侧远跳接口装置用于接收蜀景三线跳闸后蜀州侧线路保护跳闸命令，并将跳闸命令转至甘蜀一线1号串补本体保护装置。

蜀景三线蜀州侧和丹景侧线路保护也通过加装远跳装置将其跳闸命令送达康蜀串补站，其原理相同，文中以蜀州侧为例。如图4所示，蜀景三线蜀州侧1号线路保护装置PCS-931SC-G的分相跳闸接点TJA-8、TJB-8、TJC-8接入远跳装置，通过光纤与康蜀串补站蜀景三线远跳接口装置A(蜀州侧)相连接，实现蜀景三线蜀州侧故障后联跳串补功能。

图4 蜀景三线蜀州侧1号线路保护跳闸命令开出

3 出串运行现场试验

3.1 试验方法

为检验所提方案回路的完整性和可靠性，在一次设备仅停串补情况下进行试验。试验前首先进行二次安全措施布置，防止在试验过程中导致甘蜀一线误跳闸。

试验1：在蜀景三线蜀州侧1、2号线路保护屏内分别模拟蜀景三线A相、B相、C相单相瞬时接地故障，在康蜀串补站内查看蜀景三线1、2号远跳接口装置(蜀州侧)、甘蜀一线1、2号串补本体保护装置开入变位情况，同时记录5611断路器动作情况。

试验2：在蜀景三线蜀州侧1、2号线路保护屏内分别模拟蜀景三线AB相、BC相、CA相相间故障，在康蜀串补站内查看蜀景三线1、2号远跳接口装置(蜀州侧)、甘蜀一线1号串补本体保护装置开入变位情况，同时记录5611断路器动作情况。

试验3：在蜀景三线丹景侧1、2号线路保护屏内分别模拟蜀景三线A相、B相、C相单相瞬时接地故障，在康蜀串补站内查看蜀景三线1、2号远跳接口装置(丹景侧)、甘蜀一线1、2号串补本体保护装置开入变位情况，同时记录5611断路器动作情况。

试验4：在蜀景三线丹景侧1、2号线路保护屏内分别模拟蜀景三线AB相、BC相、CA相相间故障，在康蜀串补站内查看蜀景三线1、2号远跳接口装置(丹景侧)、甘蜀一线1、2号串补本体保护装置开入变位情况，同时记录5611断路器动作情况。

3.2 试验结果分析

4次试验结果如表1所示。由表1可知，蜀州站、丹景站内蜀景三线发生单相瞬时故障时，康蜀串补站内甘蜀一线串补装置正确旁路，待故障线路约1.5 s重合闸后，串补在1.7 s左右重投。当蜀州站、丹景站内发生相间故障时，康蜀串补站内远传装置均正确接收三个分相跳闸命令，并将5611断路器正确三相永久旁路。

表1 测试结果

为了更直观说明所提出的保护配合方法，以最为常见的单相瞬时故障为例进行详细说明，图5为模拟蜀景三线C相瞬时故障康蜀串补站所接收信息。

注：图中#1串补代表甘蜀一线串补本体图5 蜀景三线蜀州侧C相瞬时故障1号线路保护联动串补试验结果

蜀景三线中断路器重合闸定值设置为1.5 s，串补重投定值设置为1.7 s。由图5可知，当蜀州站蜀景三线发生单相接地故障，1号线路保护动作后，1号串补保护收到“A套C相线路联跳串补旁路”命令，以收到此命令为录波触发起始点(即零时刻点)，控保系统各相关动作出口信号及旁路断路器位置变化信号如下：1)串补保护无延时出口“A套C相间隙触发”；2)串补保护8.8 ms延时后出口“#1串补#1保护旁路合闸”；3)操作箱18.8 ms延时后出口“#1串补#1操作箱C相合闸”；4)旁路断路器46.8 ms延时后返回“#1串补5611断路器C相合位”；5)串补保护1 709.800 ms延时后出口“#1串补#1保护串补重投”，其工作逻辑正确，在发生单相接地故障时，旁路串补以降低过电压，待线路重合成功后，串补再进行重投，防止串补先于线路重合闸，导致电容器组重合于故障，对电容器组造成伤害。

3.3 串补旁路时序关系

由前文分析可知，带串补出串运行线路在发生故障时，由于电容器上残压，导致在拉开断路器过程中或断路器跳开等待重合过程中，断路器有重击穿的风险，因此有必要在断路器开断前对串联电容器旁路并使其放电。但第3.2节中并未体现断路器断开前串补电容器已可靠旁路，尤其当出现非常严重的故障需要在极短的时间(小于5 ms)内将电容器组旁路时，由于旁路断路器固有合闸时间在 30 ms 左右，不能满足要求。这时解决方案为触发火花间隙，使其导通，达到快速旁路的作用，原理见第1.2节中的介绍。但由于间隙不能自熄弧，因此在间隙被击穿后仍需要合旁路断路器使间隙熄弧。

结合第3.2节中结论，对比线路侧断路器跳闸时间、串补站内断路器合闸时间、间隙触发时间等再进行深入分析。 同第3.2节，以蜀景三线C相瞬时故障为例进行分析，提取两侧录波文件数据，如表2所示。

由表2可知：当蜀景三线C相故障时，5072、5031、5032线路断路器在34.6 ms时C相跳闸位置开入，证明断路器已在分位；5611断路器在46.8 ms时合闸位置开入，旁路成功，但间隙在7.8 ms时几乎无延时瞬时旁路。说明在断路器跳开之前，间隙早已触发，将串补电容器组成功旁路，实现串补旁路先于线路断路器跳开需求，有效抑制了前面提及的风险，且在线路侧断路器成功分闸后，正确实行联跳命令，出口旁路5611断路器，可靠旁路串补，并使间隙熄弧。

表2 C相故障动作时序表

4 结 论

以500 kV康蜀串补站出串运行方式为例，对带串补出串运行线路可能对系统造成的威胁进行分析并提出了相应的解决方案，主要结论如下：

1)带串补线路出串运行方式下，当延伸线路发生故障跳闸时，由于串补电容器两端的残余将导致出现过高的暂态恢复电压以及难以熄灭的潜供电流，可能导致断路器重击穿、重合闸失败、故障切除推迟甚至导致断路器的损坏的风险。

2)当蜀景三线线路故障拉开断路器时，串补间隙保护功能可快速旁路串补，实现断路器开断前对串联电容器旁路并使其放电，抑制断路器拉开过程中造成断路器重击穿、避免短路电流对串补电容器组造成损害，并延时出口合旁路断路器使间隙熄弧。

3)所提出的串补线路出串运行保护配合方案在延伸线路单相接地时能与线路重合闸时间进行配合，不仅能降低暂态恢复电压，也能保证线路正确重合，同时也能避免串补重合于故障，对电容器组造成冲击；在延伸线路发生相间故障时，能可靠永久旁路串补装置，降低暂态恢复电压。经过现场试验验证了所提方案的可靠性。

所提出的串补线路出串保护配合方案方案接线简单且前瞻性强，在系统运行方式发生改变后易于取消。目前该方案已投入生产应用，具有较高的工程意义。