高中压配网中串补装置对继电保护的影响
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广西电网有限责任公司河池供电局、四方华能电网控制系统有限公司的研究人员于辉、覃剑永、唐勋、张建民、郭京，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，随着我国经济的发展，社会对电力的需求不断增加的同时，对电压质量的要求也逐渐提高，在我国长线路重负荷造成的线路末端低电压、电压波动大等电压质量问题非常严重。
为提高电压质量，串联电容补偿技术作为一项相对成熟的技术，是提高电压质量，解决低电压问题的重要手段。而串联补偿电容的接入破坏了输电线路阻抗的均匀性，改变了系统中各点电流与电压的分布，因此会对输电线路的继电保护带来一定的影响。
随着我国配电网规模的不断增长，电网在边缘地区逐渐延伸，高中压配网的低电压问题逐渐显现出来。而在高中压配网中加入串联电容补偿装置，相当于减小了线路电抗，缩短了电气距离，可以显著提高电压质量，解决低电压问题。
但在电网中加入串联补偿装置后，其安装线路电抗发生改变，导致电力线路继电保护测量的参数发生改变，如在串补装置后端发生故障时故障电流、电压等，从而对线路出口端的继电保护造成影响。
本文介绍了串补装置的原理，及快速开关型串补装置的结构，并对其在线路中对电流保护、距离保护及纵联电流差动保护产生的影响进行了分析。
1 串联补偿装置介绍
串联补偿电容器原理：
图1 串补线路示意图
如图1所示，在线路的运行过程中，线路本身有电阻和电抗．线路在输电的过程中，电流流过，就会在线路中产生一定的电压降和功率损耗，当传送的电能越大时，在导线中流过的电流越大．在导线上产生的电能损耗和电压损耗也就越大，造成线路末端的电压低，影响电动机的正常运行和产品的质量和设备安全运行，严重时会影响系统的稳定运行，造成系统解列或不安全事故及隐患。
造成电压降的主要原因是导线的分布电阻和分布电感，通过串联电容的容抗补偿线路的感抗，减小了负荷电流在线路感抗上的压降，提升了线路各点的电压并降低了线路首末端电压的相角差。
2 快速开关型串联补偿装置
传统的串联补偿装置，由于存在配置复杂，价格昂贵，性差等问题，在高中压配电网应用并不十分广泛。基于快速开关型串联补偿装置是在旁路设备中应用快速真空开关取代火花间隙，使整个串补装置可靠性高、装置体积小、造价低，在高中压配电网中得到广泛的应用。
其结构图如下所示：
图2 快速开关型串补装置原理图
快速开关型串补装置各部分功能介绍：串联电容器组：用于补偿线路压降，提高电压质量。根据补偿深度的要求合理配置电容器，正常运行时电容器串联在线路中；氧化锌组件：用于限制串补电容器两端的电压。由氧化锌阀片串并联组成，电网线路正常运行时串联电容器的电压低于氧化锌的门槛电压，氧化锌不动作；外部短路时，将电容器两端的电压限制在较低的水平，保护电容器不受损坏；
快速真空放电开关：基于快速涡流驱动技术开发的快速真空断路器用以快速释放串联电容器储存的电荷。装置正常运行时快速开关处于分闸状态，线路发生短路时接通放电回路。其合闸时间可以控制在10ms左右，分闸时间可以控制在5ms以内。
以快速真空断路器为基础，结合短路故障的快速识别技术，能够做到在线路发生短路后15ms左右将串联补偿电容器快速短接，大幅度缩短了过电压的持续时间，从而使氧化锌组件所需的能容量大大减少。电容器运行安全性的保障和氧化锌组件能容量的降低为串联补偿装置的研究与开发奠定了技术基础。
当线路正常运行时，串联电容器组串联在线路中，利用电容器的容抗抵消线路的感抗，从而提高线路末端电压；当线路在串补电容器安装点后部发生故障时，通过氧化锌组件限制电容器两端的电压，然后闭合快速开关短接电容器，使电容器退出运行，整个过程在15ms内完成。
3 串联补偿对继电保护的影响
3.1 串补装置对电流保护的影响
3.1.1 电流保护的基本原理
在110kV、35kV及10kV各个电压等级的配电网中均安装有电流保护，下面分析串补装置安装后对电流保护的影响。
电流保护是反应于电流升高而动作的保护，根据继电器启动电流的选择原则不同分为三个阶段式保护。
电流Ⅰ段保护：电流Ⅰ段保护为电流速断保护，其反应于短路电流幅值的增大而瞬间动作。由于本条线路保护末端及下一条线路保护首端发生短路故障时短路电流大小十分近似无法做出判断，因此电流速断保护按躲过相邻下一条线路出口处的短路电流的最大值来整定。电流速断保护不能保护本段线路的全长。
电流Ⅱ段保护：电流Ⅱ段保护即限时电流速断保护，其保护范围延伸至下级线路，与下级线路Ⅰ段保护配合，有时间延迟。其动作电流的整定原则为按躲开下级各相邻元件电流速断保护的最大动作范围来整定。
电流Ⅲ段保护：电流Ⅲ段保护为过电流保护。其作为下级线路主保护拒动和断路器距动时的远后备保护，同时作为本线路主保护距动时的近后备保护，也作为过负荷保护，整定原则为躲开最大负荷电流来整定。按照保护动作时间的差异，过电流保护又分为定时限过电流保护和反时限过电流保护。
3.1.2 串联补偿对电流保护的影响
由ⅠⅡ段或Ⅲ段保护所组成的阶段式电流保护的优点是经济、简单、可靠，在110kV、35kV及以下电压等级的电网中得到了广泛的应用。
由于电流保护是反应于电流升高而动作的保护，串联补偿电容器的存在对电流保护的影响讨论如下：
（1）如果故障发生在串补装置安装点的前端，由于配电网线路均为单电源线路，没有环网，所以，电流是从电源侧经过串补装置流向负荷侧，故障点在串补装置前，串补装置没有改变串补装置前的线路参数，所以，串补装置不会对电源侧的保护装置产生影响；
（2）如果故障发生在串补装置安装点的后端，由于串补的容抗部分抵消或全部抵消了线路的感抗，使得从电源点到故障点的阻抗相对于串补安装前明显减小，所以会使短路电流增大，由此说明，串补装置安装后提高了电源侧的保护装置的灵敏度；
（3）从时序上看，当发生故障时，电源侧的保护装置判断故障到保护Ⅰ段出口大约需要20~30ms，电源侧的断路器的动作时间为50ms左右，从故障发生到切除故障需要70~80ms，而在线路发生短路时其合闸时间能够控制在10ms左右，结合短路故障快速识别技术，可以做到在15ms只内迅速将串联补偿电容器短接，时间远小于电流保护装置动作时间，在电源侧的保护还没有动作出口时，串联补偿装置已经退出了运行，所以快速开关型串补装置对线路的电流保护并不会产生影响。时序对比如下图3。
（4）如果是单相接地故障，在小电流接地系统中由于没有大的短路电流产生，保护装置不需要动作跳闸。同理，串补装置无法得到短路电流信息，也不会将串补装置退出运行。
图3 故障动作时序对比图
3.2 串补装置对距离保护的影响
3.2.1 距离保护的基本原理
在110kV高压配电网中均安装有距离保护，下面分析串补装置安装后对距离保护的影响。
距离保护是利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，该比值反应故障点到保护安装处的距离，如果短路点距离小于整定值则动作的保护。
图4 距离保护整定示意图
电力系统如图4所示。按照继电保护选择性的要求，安装在线路两端的距离保护仅在线路MN内部故障时，保护装置才应该立即动作，将相应的断路器跳开；而在保护区间的反方向或正方向区外短路时，保护装置不应动作。
与电流速断保护一样，为了保证在下级线路的出口处短路时保护不误动作，速动段距离保护的保护区应小于线路全长MN。距离保护的保护区，用整定距离Lset来表示。
当系统发生短路故障时，首先判断故障的方向，若故障位于保护区的正方向，则设法测出故障点到保护安装处的距离Lk，并将Lk与Lset进行比较，若Lk小于Lset说明故障发生在保护范围之内，这时保护应立即动作，跳开对应的断路器；若若Lk大于Lset，说明故障发生在保护范围之外，保护不应动作，对应的断路器不会跳开。若故障位于保护区的反方向，直接判为区外故障而不动作。
可见，通过判断故障方向，测量故障距离，判断出故障是否位于保护区内，从而决定是否需要跳闸，实现线路保护。距离保护可以通过测量短路阻抗的方法来测量和判断故障距离。
3.2.2 串联补偿对距离保护的影响
由于串补电容减小了线路的电抗，破坏力输电线路阻抗的均匀性，因此在串补后短路时，阻抗继电器的测量阻抗会发生变化，而这些变化与和串补装置的氧化锌组件及开关动作特性都密切相关。
短路发生时，用来保护电容器的氧化锌组件几乎瞬时动作，用短路电流快速识别技术开发的控制器，可在2ms内识别故障并在15ms内将串联电容器组短接退出。而对继电保护来说，主保护动作时间实际为20～30ms，距离Ⅱ段及Ⅲ段规程要求延时动作，一般Ⅱ段取0.5s、相间1s，Ⅲ段则一般在2s以上。
因此，对于具有延时段的距离Ⅱ段及Ⅲ段保护来说，动作出口时串补电容已被短接，故本文主要讨论距离Ⅰ段保护的影响。
在110kV线路中没有分支线，串联补偿装置安装于线路末端下一级变电站内，假定串补电容器两端分别为a和b，b点即为下一级变电站的入口处。
当线路接入了串补电容之后，测量阻抗Zm与短路距离z1lk之间不再构成线性正比关系，如下图5所示，测量阻抗在电容器两侧的a点和b点之间出现了阻抗突变，下面分析其对距离保护的影响：
（1）如果a点以前即M-a之间发生故障，如果故障点处于I段的保护范围内（即在图6的阻抗圆内），此时，串补装置没有感受到故障电流而不会动作，串补装置缩短了电气距离，而距离保护I段的灵敏度提高。
（2）如果a点以前即M-a之间发生故障，如果故障点处于I段的保护范围以外（即在图6的阻抗圆外），此时，串补装置没有感受到故障电流而不会动作，而距离保护I段可能失去保护的选择性，自动扩大了保护距离，使得I段的保护范围可能延伸到下一级。
（3）如果b点以后发生故障（可能发生在N母线或出线上），如果故障点处于上级I段的保护范围以外（即在图6阻抗圆外），此时，串补装置却感受到故障电流迅速被旁路，此时上级I段的保护尚未出口，所以不会引起上级距离保护的动作。而此时只要电容器能够被迅速的旁路，无论是母线保护或下一级线路的距离保护都不会产生误动。
图5 安装串补装置后线路接线图
图6 距离保护阻抗圆
4 结论
本文研究了快速开关型串补装置的原理和结构，并对其对高中压配电网中继电保护装置的影响做了分析，得到以下结论：
（1）快速开关型串补装置对中压电网中电流保护并没有影响，串补装置安装后会提高电源侧保护装置的灵敏度。
（2）快速开关型串补装置对距离保护会产生一定影响，串补电容器前端发生故障，而这个故障又在距离I段的保护范围以外，此时距离保护I段可能失去保护的选择性，自动扩大了保护距离，使得I段的保护范围可能延伸到下一级。
（3）针对这种情况，最好的解决方案就是在做距离保护整定时，将串补电容器的容抗考虑进去。