高中壓配網中串補裝置對繼電保護的影響

于 輝覃劍永唐 勛張建民郭 京

（1.廣西電網有限責任公司河池供電局，廣西，河池 547000；2.四方華能電網控制系統有限公司，北京 100085）

高中壓配網中串補裝置對繼電保護的影響

于 輝1覃劍永1唐 勛1張建民2郭 京2

（1.廣西電網有限責任公司河池供電局，廣西，河池 547000；2.四方華能電網控制系統有限公司，北京 100085）

隨著我國經濟的發展，社會對電力的需求不斷增加的同時，對電壓質量的要求也逐漸提高。近年來我國長線路重負荷造成的線路末端低電壓、電壓波動大等電壓質量問題非常嚴重，為提高電壓質量，串聯電容補償技術作為一項相對成熟的技術，是提高電壓質量，解決低電壓問題的重要手段。而串聯補償電容的接入破壞了輸電線路阻抗的均勻性，改變了系統中各點電流與電壓的分布，因此會對輸電線路的繼電保護帶來一定的影響。

串聯電容補償；繼電保護；低電壓

隨著我國配電網規模的不斷增長，電網在邊緣地區逐漸延伸，高中壓配網的低電壓問題逐漸顯現出來。而在高中壓配網中加入串聯電容補償裝置，相當于減小了線路電抗，縮短了電氣距離，可以顯著提高電壓質量，解決低電壓問題。但在電網中加入串聯補償裝置后，其安裝線路電抗發生改變，導致電力線路繼電保護測量的參數發生改變，如在串補裝置后端發生故障時故障電流、電壓等，從而對線路出口端的繼電保護造成影響。本文介紹了串補裝置的原理及快速開關型串補裝置的結構，并對其在線路中對電流保護、距離保護及縱聯電流差動保護產生的影響進行了分析。

1 串聯補償裝置介紹

串聯補償電容器原理如圖1所示。

圖1 串補線路示意圖

在圖1所示的線路運行過程中，線路本身有電阻和電抗。線路在輸電的過程中，電流流過就會在線路中產生一定的電壓降和功率損耗，當傳送的電能越大時，在導線中流過的電流越大，在導線上產生的電能損耗和電壓損耗也就越大，會造成線路末端的電壓低，影響電動機的正常運行和產品的質量和設備安全運行，嚴重時會影響系統的穩定運行，造成系統解列或不安全事故及隱患。

造成電壓降的主要原因是導線的分布電阻和分布電感，通過串聯電容的容抗補償線路的感抗，減小了負荷電流在線路感抗上的壓降，提升了線路各點的電壓，并降低了線路首末端電壓的相角差。

2 快速開關型串聯補償裝置

傳統的串聯補償裝置存在配置復雜、價格昂貴和性差等問題，在高中壓配電網應用并不十分廣泛。基于快速開關型串聯補償裝置是在旁路設備中應用快速真空開關取代火花間隙，使整個串補裝置可靠性高、裝置體積小、造價低，在高中壓配電網中得到廣泛的應用。

其結構圖如圖2所示。

圖2 快速開關型串補裝置原理圖

現將快速開關型串補裝置各部分功能介紹如下。

1）串聯電容器組：用于補償線路壓降，提高電壓質量。根據補償深度的要求合理配置電容器，正常運行時將電容器串聯在線路中。

2）氧化鋅組件：用于限制串補電容器兩端的電壓。由氧化鋅閥片串并聯組成，電網線路正常運行時串聯電容器的電壓低于氧化鋅的門檻電壓，氧化鋅不動作；外部短路時，將電容器兩端的電壓限制在較低的水平，保護電容器不受損壞。

3）快速真空放電開關：基于快速渦流驅動技術開發的快速真空斷路器用以快速釋放串聯電容器儲存的電荷。裝置正常運行時快速開關處于分閘狀態，線路發生短路時接通放電回路。其合閘時間可以控制在10ms左右，分閘時間可以控制在5ms以內。以快速真空斷路器為基礎，結合短路故障的快速識別技術，能夠做到在線路發生短路后 15ms左右將串聯補償電容器快速短接，大幅度縮短了過電壓的持續時間，從而使氧化鋅組件所需的能容量大大減少。電容器運行安全性的保障和氧化鋅組件能容量的降低為串聯補償裝置的研究與開發奠定了技術基礎。

當線路正常運行時，串聯電容器組串聯在線路中，利用電容器的容抗抵消線路的感抗，從而提高線路末端電壓；當線路在串補電容器安裝點后部發生故障時，通過氧化鋅組件限制電容器兩端的電壓，然后閉合快速開關短接電容器，使電容器退出運行。整個過程在15ms內完成。

3 串聯補償對繼電保護的影響

3.1 串補裝置對電流保護的影響

1）電流保護的基本原理

在110kV、35kV及10kV各個電壓等級的配電網中均安裝有電流保護，下面分析串補裝置安裝后對電流保護的影響。

電流保護是反應于電流升高而動作的保護，根據繼電器起動電流的選擇原則不同分為3個階段式保護。

（1）電流Ⅰ段保護：電流Ⅰ段保護為電流速斷保護，其反應于短路電流幅值的增大而瞬間動作。由于本條線路保護末端及下一條線路保護首端發生短路故障時短路電流大小十分近似無法做出判斷，因此電流速斷保護按躲過相鄰下一條線路出口處的短路電流的最大值來整定。電流速斷保護不能保護本段線路的全長。

（2）電流Ⅱ段保護：電流Ⅱ段保護即限時電流速斷保護，其保護范圍延伸至下級線路，與下級線路Ⅰ段保護配合，有時間延遲。其動作電流的整定原則是，以躲開下級各相鄰元件電流速斷保護的最大動作范圍來整定。

（3）電流Ⅲ段保護：電流Ⅲ段保護為過電流保護。其作為下級線路主保護拒動和斷路器距動時的遠后備保護，同時作為本線路主保護距動時的近后備保護，也作為過負荷保護，整定原則為躲開最大負荷電流來整定。按照保護動作時間的差異，過電流保護又分為定時限過電流保護和反時限過電流保護。

2）串聯補償對電流保護的影響

由Ⅰ、Ⅱ段或Ⅲ段保護所組成的階段式電流保護的優點是經濟、簡單、可靠，在110kV、35kV及以下電壓等級的電網中得到了廣泛的應用。

電流保護是反應于電流升高而動作的保護，串聯補償電容器的存在對電流保護的影響討論如下。

（1）故障發生在串補裝置安裝點的前端。由于配電網線路均為單電源線路，沒有環網，所以，電流是從電源側經過串補裝置流向負荷側，故障點在串補裝置前，串補裝置沒有改變串補裝置前的線路參數，串補裝置不會對電源側的保護裝置產生影響。

（2）故障發生在串補裝置安裝點的后端。由于串補的容抗部分抵消或全部抵消了線路的感抗，使得從電源點到故障點的阻抗相對于串補安裝前明顯減小，所以會使短路電流增大。由此說明，串補裝置安裝后提高了電源側的保護裝置的靈敏度。

（3）從時序上看，當發生故障時，電源側的保護裝置判斷故障到保護Ⅰ段出口大約需要 20～30ms，電源側的斷路器的動作時間為 50ms左右，從故障發生到切除故障需要70～80ms，而在線路發生短路時其合閘時間能夠控制在 10ms左右，結合短路故障快速識別技術，可以做到在 15ms只內迅速將串聯補償電容器短接，時間遠小于電流保護裝置動作時間，在電源側的保護還沒有動作出口時，串聯補償裝置已經退出了運行，因此，快速開關型串補裝置對線路的電流保護并不會產生影響。時序對比如圖3所示。

圖3 故障動作時序對比圖

（4）如果是單相接地故障，那么在小電流接地系統中沒有大的短路電流產生，保護裝置不需要動作跳閘。同理，串補裝置無法得到短路電流信息，也不會將串補裝置退出運行。

3.2 串補裝置對距離保護的影響

1）距離保護的基本原理

在110kV高壓配電網中均安裝有距離保護，下面分析串補裝置安裝后對距離保護的影響。

距離保護是利用短路發生時電壓、電流同時變化的特征，測量電壓與電流的比值，該比值反應故障點到保護安裝處的距離，如果短路點距離小于整定值，則動作保護。電力系統如圖4所示。

圖4 距離保護整定示意圖

按照繼電保護選擇性的要求，安裝在線路兩端的距離保護僅在線路MN內部故障時，保護裝置才應該立即動作，將相應的斷路器跳開；而在保護區間的反方向或正方向區外短路時，保護裝置不應動作。與電流速斷保護一樣，為了保證在下級線路的出口處短路時保護不誤動作，速動段距離保護的保護區應小于線路全長 MN。距離保護的保護區，用整定距離 Lset來表示。當系統發生短路故障時，首先判斷故障的方向，若故障位于保護區的正方向，則設法測出故障點到保護安裝處的距離Lk，并將Lk與Lset進行比較，若Lk小于Lset，則說明故障發生在保護范圍之內，這時保護應立即動作，跳開對應的斷路器；若 Lk大于 Lset，則說明故障發生在保護范圍之外，保護不應動作，對應的斷路器不會跳開；若故障位于保護區的反方向，則直接判為區外故障而不動作。

可見，通過判斷故障方向來測量故障距離，判斷出故障是否位于保護區內，從而決定是否需要跳閘，實現線路保護。距離保護可以通過測量短路阻抗的方法來測量和判斷故障距離。

2）串聯補償對距離保護的影響

由于串補電容減小了線路的電抗，破壞力輸電線路阻抗的均勻性，因此在串補后短路時，阻抗繼電器的測量阻抗會發生變化，而這些變化與和串補裝置的氧化鋅組件及開關動作特性都密切相關。

短路發生時，用來保護電容器的氧化鋅組件幾乎瞬時動作，用短路電流快速識別技術開發的控制器，可在2ms內識別故障并在15ms內將串聯電容器組短接退出。而對繼電保護來說，主保護動作時間實際為20～30ms，距離Ⅱ段及Ⅲ段規程要求延時動作，一般Ⅱ段取0.5s、相間1s，Ⅲ段則一般在2s以上。因此，對于具有延時段的距離Ⅱ段及Ⅲ段保護來說，動作出口時串補電容已被短接，故本文主要討論距離Ⅰ段保護的影響。

在110kV線路中沒有分支線，串聯補償裝置安裝于線路末端下一級變電站內，假定串補電容器兩端分別為a和b，b點即為下一級變電站的入口處。

在將線路接入了串補電容之后，測量阻抗Zm與短路距離 z1lk之間不再構成線性正比關系，如圖 5所示，測量阻抗在電容器兩側的a點和b點之間出現了阻抗突變。下面分析其對距離保護的影響。

圖5 安裝串補裝置后線路接線圖

（1）如果a點以前即M-a之間發生故障，故障點處于Ⅰ段的保護范圍內（即在圖6的阻抗圓內），那么此時串補裝置沒有感受到故障電流而不會動作，串補裝置縮短了電氣距離，使距離保護Ⅰ段的靈敏度提高。

圖6 距離保護阻抗圓

（2）如果a點以前即M-a之間發生故障，故障點處于Ⅰ段的保護范圍以外（即在圖 6的阻抗圓外），那么此時串補裝置沒有感受到故障電流而不會動作，距離保護Ⅰ段可能失去保護的選擇性，自動擴大了保護距離，使得Ⅰ段的保護范圍可能延伸到下一級。

（3）如果b點以后發生故障（可能發生在N母線或出線上），故障點處于上級Ⅰ段的保護范圍以外（即在圖6所示的阻抗圓外），那么此時串補裝置卻感受到故障電流迅速被旁路，上級Ⅰ段的保護尚未出口，故不會引起上級距離保護的動作。而此時只要電容器能夠被迅速的旁路，無論是母線保護還是下一級線路的距離保護，就都不會產生誤動。

4 結論

本文研究了快速開關型串補裝置的原理和結構，并對其對高中壓配電網中繼電保護裝置的影響做了分析，得到以下結論：

1）快速開關型串補裝置對中壓電網中電流保護并沒有影響，串補裝置安裝后會提高電源側保護裝置的靈敏度。

2）快速開關型串補裝置對距離保護會產生一定影響，串補電容器前端發生故障，而這個故障又在距離Ⅰ段的保護范圍以外，此時距離保護Ⅰ段可能失去保護的選擇性，自動擴大了保護距離，使得Ⅰ段的保護范圍可能延伸到下一級。

3）針對這種情況，最好的解決方案就是在做距離保護整定時，將串補電容器的容抗考慮進去。

[1]安玉紅.可控串聯補償（TCSC）對輸電線路繼電保護的影響分析[D].北京: 華北電力大學,2010.

[2]王向平.串聯電容補償線路的繼電保護設計研究[J].電力系統自動化,1999,23(13): 41-44.

[3]張金虎.串聯補償線路保護若干關鍵問題研究[D].北京: 華北電力大學,2015.

[4]劉亞軍.串聯電容補償對線路繼電保護的影響研究[D].北京: 華北電力大學,2013.

基于DSP的風力發電機組滾動軸承故障信號采集系統

近日，國家知識產權局公布專利“基于DSP的風力發電機組滾動軸承故障信號采集系統”，專利權人為哈爾濱理工大學。

本實用新型公開了一種基于DSP的風力發電機組滾動軸承故障信號采集系統，它涉及風力發電機故障診斷技術領域，將電渦流位移傳感器安裝在需要監測的滾動軸承上，采集到的信號經過A/D采集模塊將信息發送給DSP數據處理模塊進行數據處理，處理后的數據存放在數據存儲模塊，DSP數據處理模塊通過RS232接口將數據發送給計算機，計算機通過仿真器對DSP數據處理模塊進行控制。本實用新型能夠實現采集發電機組滾動軸承的故障信號，使用方便，操作簡單。

Research on the Influence of the Series Compensator on Relay Protection of Distribution Networks

Yu Hui1Qin Jianyong1Tang Xun1Zhang Jianmin2Guo Jing2
(1.Guangxi Power Grid Co.,Ltd,Hechi Power Supply Bureau,Hechi,Guangxi 547000；2.Beijing Sifang-Huaneng Power Network Control System Co.,Ltd,Beijing 100085)

As China's economic development,social demand for electricity continues to increase,while the primary energy to the unbalanced distribution of electricity load centers resulted in our country needs long-distance,high-capacity transmission.To improve power quality,series capacitor compensation as a relatively mature technology,improve power quality,an important means to solve the problem of low voltage.Compensation capacitor in series access undermine the uniformity of the transmission line impedance,change the distribution system each point current and voltage,so bring some impact on transmission line protection.

series capacitor compensation; electric protection; low voltage

于 輝（1973-），男，本科，工程師，主要從事企業高低壓配電運行管理工作。