电容补偿对电力系统的影响

深圳市长城楼宇科技有限公司北京分公司 肖 楠

电力系统中的用电设备运行时产生无功功率，使电力系统性能降低，通过增加适当的电容可以改善电力系统性能，这种方式被称为电容补偿。电容补偿使得电力系统能够改变无功潮流的分布，提高用户侧的电压质量，降低电力系统的电压和功率损耗。无功补偿方式主要分为并联电容器和串联电容，其中可控的串联电容补偿更加灵活、经济，因此被广泛应用于电力系统中的电压调节、参数优化以及电力系统经济运行。迄今为止，国内外许多研究都集中在电容器的研究上，其中最常见的是对电容器优化配置的研究，对于电容补偿对电力系统节点参数的影响研究较少。电容器投切会影响整个电力系统的电气参数，因此有必要对其进行深入研究。

当前学术界关于电容补偿的研究方向主要是电容补偿的目的以及具体方法，关于电容补偿如何影响电力系统节点参数地研究不多。可控串联电容补偿方式能显著改善电力系统运行效能，得到广泛应用。但含串补的线路对原有继电保护有较大影响。因此，需要深入研究可控串联电容补偿对继电保护的影响，可控串联电容补偿可以有效增强电力系统性能，应用潜力很大。但含串补的线路会显著影响现有继电保护，因此有必要深入研可控串联电容补偿对继电保护的影响。

本文重点探讨可控串联电容补偿对点对输电线路继电保护的影响，其中主要包括可控串联电容补偿对距离保护、电流差动保护、功率方向元件、纵联保护的影响，并提出可控串联电容补偿输电线路的继电保护配置要点。

1 可控串联电容补偿对距离保护的影响

1.1 可控串联电容补偿的基本原理

串联电容补偿技术是通过在线路上加装串联补偿电容，以补偿线路的电感，相当于缩短了线路的电气距离，提高线路传输功率，降低线路输送损耗，改善线路的电压质量，降低线路的电压降及减少两端电压相角差，更加合理地分布输送功率，提高系统的动态稳定和静态稳定性。可控串联电容补偿的基本原理，是通过在线路上添加一个串联补偿电容器来补偿线路电感，可以起到缩短线路的电气距离、传输功率、传输损耗，提升电能质量、减小两端电压相角差的作用，从而提高系统的动静态稳定性。可控串联电容补偿的基本原理见图1。

图1 可控串联电容补偿的基本原理

1.2 可控串联电容补偿动态基频阻抗对输电线路距离保护的影响

距离保护最常用于高压和超高压电力线路。距离继电器是距离保护的关键元件。常规情况下，如被保护线路短路，测量阻抗与母线到短路点的距离成正比。在包含串联电容补偿的输电线路上则不存在上述关系，从而影响距离继电器的动作特性。在包含可控串联电容补偿的输电线路上，短路故障后可控串联电容补偿动态基频阻抗的变化范围类似FSC（串联电容器组补偿，fixes series capacitor），即在正常运行时的容性电抗与旁路运行时的感性阻抗之间变化。因此，电压反转和电流互感器的位置也是影响电力线路继电保护性能的关键因素。这些因素对线路保护、可控串联电容补偿的影响，基本类似FSC。但由于可控串联电容补偿的基频阻抗与FSC基频阻抗的存在差异，二者对传输线的距离保护效果也不同[1]。

首先，在可控串联电容补偿中，是否发生电压反向取决于运行条件，以及故障后可控串联电容补偿是否被旁路。如果由可控串联电容补偿的电容器失效并被旁路，则不会发生电压反向；如果可控串联电容器补偿的电容器没有被旁路，通常会发生电压反向。如果发生这种情况可以用极化电压以及闭锁措施来防止拒动或误动。可控串联电容补偿后的阻抗在失效后一段时间内呈现负阻，但对保护性能影响不大。

其次，当母线侧电压下降时，由于在同一整定保护范围下的可控串联电容补偿导致距离保护拒动的概率增加，即在补偿程度相同的情况下，可适当扩大可控串联电容器补偿线距的整定保护范围[2]。

在同样整定保护范围下，可控串联电容补偿电路的保护动作比FSC电路的保护动作慢。当线路侧电压正向短路时，可控串联电容补偿与FSC线路的距离保护的作用相同。在反向短路的情况下，可控串联电容补偿线路的距离保护能更好地克服反向电压的影响。

1.3 可控串联电容补偿的谐波特性对距离保护的影响

保护装置两端的电压取决于源阻抗、线路阻抗和短路点等因素。可控串联电容补偿电路也与可控串联电容故障后是否旁路密切相关。如果保护装置和短路之间没有可控串联电容器补偿，则保护装置的电压一般不受可控串联电容器补偿电压谐波的影响，否则保护装置处电压受可控串联电容补偿上电压的谐波的影响由短路点决定。如果用可控串联电容器补偿外部附近短路，则可控串联电容器补偿的电抗在测量阻抗的占比增加，其电压谐波的影响更为明显。在可控串联电容补偿外部远距离发生短路时，电压谐波的影响相对较小。

2 可控串联电容补偿的谐波对故障线路实测阻抗的影响

测得的从短路点到保护装置的网络基频阻抗对保护继电器的性能有决定性的影响。测量传输线基频的阻抗计算可以使用频域或时域方法。频域法的基本算法是傅里叶变换法，该算法不可避免地会受到直流分量、高次谐波和低次谐波的影响。常用的滤波方法包括差分滤波和带通滤波，带通滤波器对直流分量、低频分量和高次谐波有极好的过滤作用，而低通滤波器对直流分量和低频分量有一定的放大作用。差分滤波器可以消除直流分量的影响，即使对低频分量也有很强的抑制作用，但会放大大部分高次谐波。

例如，异相60度的差分滤波器可以使三次谐波增益加倍。由于电压谐波分量非常复杂，在包含可控串联电容补偿电路的线路中，由可控串联电容补偿后的LC谐振回路产生的谐波分量非常突出，而这个谐波分量相距不远三次谐波较近。因此，差分滤波器对这个谐波分量非常敏感，会增加阻抗计算中的误差。考虑到阻抗计算的精度，在可控串联电容补偿电路中尽量使用带通滤波器[3]。

研究表明，使用150Hz以上频率分量有显著衰减的低通滤波器可以确保300km线路的微分方程算法结果准确度。对于短线路，低通滤波器的截止频率可以适当提高。然而，微分方程算法是在R-I电路模型的基础上建立的。如果计算模型包括电容，针对R—L—C模型目前没有成熟的计算方法[4]。因此，微分方程算法只能在计算电路不包括固定电容或可控串联电容补偿的情况下使用。可控串联电容补偿补偿的谐波影响测量阻抗的计算。在短距离故障的情况下，谐波的影响比较大，对被测阻抗的影响也很大。

另一方面，在短距离故障的情况下，故障位置远离整定保护区，距离元件的动作有效范围大，极化电压也会增加动作特性圆的覆盖范围，进而影响精度。对于远距离故障，距离保护通常采用超范围整定措施，以限制谐波对被测阻抗的影响，使其不受谐波影响。因此，通过适当的滤波措施，可控串联电容器补偿的谐波不会明显影响距离元件。

3 可控串联电容补偿的谐波对电抗元件和方向元件的影响

在电力系统距离保护中，电抗元件通常通过动作信号与极化信号比相，方向元件极化信号则通过极化型号比相。方向元件基本上不受比相影响。对于电抗元件，如果相间出现故障，其动作信号由保护安装处的电压及线路电流合成，如其动作信号的谐波含量较大，但ZR1也非常大。当远程位置出现短路时，谐波含量变小，ZR1相应降低。因此，谐波含量对的影响不大，因此对电抗元件的工作特性影响不大。

4 串补对纵联差动电流保护的影响

电流差动保护的原理是比较两端电流的相位。当发生内部故障时电流大致同相，而当发生外部故障时电流将异相。当输电线路出现区域内金属故障时，输电线路两侧故障之间的相位关系由输电线路阻抗和两侧等效系统阻抗决定。如图2所示，区内故障发生时，线路两端故障电流相位差取决于Zsm+ZK1与Zsn+ZK2的阻抗角差。对一般输电线路，阻抗角差很小，故区内金属性故障时，Im,In几乎同相。

可控串联电容的存在使得上述规律被打破。架设串联电容补偿系统安装在系统的N一侧，如图2所示，两端之间的电流相位差取决于Zsm+ZK1与Zsn+ZK2-XC的阻抗角差。Zsn+ZK2-XC由于串联补偿点的补偿作用，阻抗角减小，导致该区域闭合时电流Im与In的之间的相位差增大[5]。

图2 线路区内故障两端电流相位分析图

但一般情况下，补偿电容的阻抗模值XC一般小于保护反方向的等效系统阻抗Zsn+ZK2，导致保护装置的保护灵敏度较低。当包含串联电容补偿的线路出现内部故障时，通常旁路串联电容补偿，所以影响更小。如果保护线外发生短路，无论是否存在串联补偿电容，串联补偿电容是否被短接或击穿，测相元件都不会失效。因此，纵联差动保护通常对串联补偿电容器不太敏感。

5 可控串联电容补偿输电线路对继电保护的配置要求

基于以上分析，建议包含可控串联电容补偿的输电线路需要遵循以下配置要求：

首先，可以采用全电流差动保护。理论上说，全电流差动保护完全不受串联补偿电容的影响。随着光纤技术、GPS通信技术的持续进步，在不久的将来我国光纤纵联差动设备的性能也将大幅提升。

其次，可以采用方向阻抗元件组成的纵联保护。包含极化电压的方向性阻抗元件可以解决串联补偿电容引起的方向性损耗问题，解决超范围整定与纵向测量相结合时的超范围或欠范围问题。纵联保护由方向阻抗元件组成，如果保护位置选择正确且保护装置安装点的电流不改变电流故障条件的方向，则可用于具有串联电容补偿的受控输电线路中。

6 结语

可控串联电容补偿是输电线路的关键组成部分，通过对电容器进行旁路、投入或调制，串联电容补偿装置可以调节有效容抗值，从而达到提高系统传输能力，改善系统稳定性的目的。但串联电容补偿装置的引入会对电力系统产生影响，只要补偿节点的无功功率变化，整个电网的无功潮流分布也会相应变化。同时，随着有功功率潮流的变化，网络中各节点的电压和支路消耗的功率也发生变化。可控串联电容补偿的动态基频阻抗、谐波分量都会对距离保护产生显著影响。因此实际应用中，一定要详细准确判断补偿电容器的影响程度，采取有效措施减少负面影响，提高电力系统性能和稳定性。