基于串補線路出串運行的保護配合方法

楊 雪，李凡紅，李 輝，李飛鵬,王 勝，何海龍

(國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610017)

0 引 言

隨著兩河口電廠等一系列重大工程投產，四川電網短路電流快速增長，在不采取措施的情況下，多處500 kV、220 kV母線短路電流超過斷路器遮斷容量[1]。同時，為了提高電力輸送容量，部分線路采用串聯電容補償方式，進一步增加母線短路電流。因此，尋求一種降低短路電流的方案具有重要現實意義。

為解決水利資源豐富的甘孜片區電網窩電棄水問題，500 kV康蜀串補站采用串補輸電方式提升了通道外送能力，但導致蜀州站母線短路電流達極限水平。為有效抑制母線短路電流水平，國內學者進行了大量研究。文獻[1]提及線路出串運行降低短路電流方案，并分析了對安控裝置的影響，但其線路為常規無串補線路。文獻[2]提出通過分母運行、斷開線路等方法對短路電流進行限制；文獻[3]提出一種基于Pareto優化的分層分區方法；文獻[4]提出合理安裝電流限制器降低短路電流的方法。以上手段均為采用單一站內措施對短路電流進行限制，現場試驗效果亦不佳，對于重負荷的蜀州站已不具備現場指導意義。結合500 kV康蜀串補站與蜀州站實際情況，國網四川省電力公司提出將500 kV甘蜀一線和500 kV蜀景三線從蜀州站出串運行的網絡架構，以最大程度降低蜀州站內短路電流，但蜀景三線發生故障跳閘過程及跳閘后，會導致潛供電流、斷口間暫態恢復電壓有較大增幅，嚴重時將導致斷口發生重擊穿、重合閘失敗、故障切除推遲甚至導致斷路器的損壞[5]。

下面提出一種在500 kV蜀景三線跳閘后與500 kV甘蜀一線串補本體保護裝置配合的保護方法，通過在500 kV康蜀串補站加裝遠傳裝置，分別接收500 kV蜀景三線蜀州側和丹景側線路保護裝置的分相跳閘命令，實現聯跳串補裝置，抑制蜀景三線跳閘造成的潛供電流以及暫態恢復電壓。

1 設備及運行方式簡介

1.1 出串運行方式簡介

四川甘谷地水電送出通道經500 kV甘谷地站—500 kV康蜀串補站送至500 kV蜀州站。為有效限制蜀州站母線短路電流，對電網結構進行調整，采用500 kV甘蜀一線與500 kV蜀景三線從蜀州站出串運行的電網結構，即甘谷地站第4串、丹景站第3串全串運行，蜀州站第7串邊斷路器停用，甘蜀一線和蜀景三線通過蜀州站內中斷路器5072連接，如圖1所示。

圖1 500 kV蜀州站出串運行方式

1.2 串補站簡介

串聯補償電容通過其容抗性質補償部分輸電線路感抗，使兩電源點間總電抗降低，從而聯系更加緊密，提高系統的穩定性。500 kV康蜀串補站作為川內首座串聯電容補償站，其原理接線如圖2所示。帶串補運行時，圖中56112、56111隔離開關閉合，即將電容器組串接在甘蜀一線；與串聯電容器組并聯的MOV是一個金屬氧化鋅的非線性電阻。當電容器兩端電壓較低時，MOV呈現高阻狀態，MOV中不流過電流，串補裝置是一個線性電容器。當電容器兩端的電壓超過導通級電壓時，MOV上逐漸流過電流，即將電容器中流過的電流分流，降低電容器組兩端電壓，從而起到保護電容器組作用[6]。如果電壓進一步升高達到保護級電壓或MOV熱量值過大，則火花間隙擊穿，從而短接電容器組對電容器組進行保護。阻尼電抗器能夠在半個周波內使間隙擊穿或使5611斷路器旁路時產生的高頻分量電流衰減。

圖2 甘蜀一線串聯補償接線原理

500 kV康蜀串補站內設置有雙重化配置的500 kV甘蜀一線串補本體保護裝置，用于保護電容器組。

2 出串運行對系統影響及解決方案

2.1 出串運行對系統影響分析

在圖1中，500 kV甘蜀一線通過蜀州站5072斷路器與500 kV蜀景三線進行連接。當500 kV蜀景三線發生故障時，蜀州站5072斷路器、丹景站5031、5032斷路器相繼跳閘后對系統的影響分析，主要從潛供電流、暫態恢復電壓以及故障對串補系統的影響進行分析。

2.1.1 串補電容對暫態恢復電壓的影響

現有研究已闡明[7]，在串補線路中，當線路切除故障并作用于斷路器跳閘時，由于串聯電容器兩端存在較高殘壓。這將導致斷路器跳開后，斷路器線路側斷口存在電位，斷路器母線側斷口與線路側端口之間的壓差(即斷路器斷口恢復電壓)可能超過原來水平。斷路器的暫態過電壓能力是有限的，由于串補電容器的作用，在串補電容器線路側發生故障時，將可能使暫態恢復電壓從無串補線路的 2.00 pu，最大增加到 8.48 pu[8]。當暫態恢復電壓超過斷路器本身的能力，將導致斷路器重擊穿，引起系統過電壓、故障切除推遲甚至導致斷路器的損壞。對于串補線路出串運行原理類似，如圖1中，蜀景三線跳閘后，5072斷路器靠近串補側有較高的殘壓，仍然存在以上分析問題。

2.1.2 串補電容對潛供電流的影響

現有重合方式一般整定為單相重合閘方式，當線路發生單相接地，保護跳開故障相兩端時，正常兩相之間由于電容耦合及互感作用，故障點弧光通道中仍有電流流過，即所謂的潛供電流。串補線路的潛供電流中有幅值較高的低頻分量,低頻分量使其過零次數減少，尤其當弧道電阻較小時低頻分量幅值較大，所以單相重合閘成功率將相比無串補線路時低[9]。

2.1.3 故障對串補系統的影響分析

當蜀景三線發生故障時，會有很大的短路電流〗流過電容器組，此時若不采取將串補電容器組快速旁路、退出運行的措施，在大電流的沖擊作用下，可能導致電容器組元件損壞，因此在蜀景三線故障時，需以較短延時旁路串補電容器組。此外，若蜀景三線發生單相永久性接地故障時，串補電容器組若在線路斷路器重合之前進行重投，將導致電容器組重投于故障，同樣可能造成電容器組元件的損壞。

基于以上分析，在蜀景三線發生故障時，應具備聯跳串補功能，且應該在線路斷路器跳開之前旁路串補電容器組；若蜀景三線發生單相接地故障，應在線路可靠重合以后再重投串補電容器組。

2.2 聯跳串補方案實施

基于以上分析，在蜀景三線發生故障后，為有效抑制斷路器跳閘后造成的暫態恢復電壓，降低斷路器被重擊穿的風險，同時提高重合閘成功率，蜀景三線跳閘后，應同步聯跳甘蜀一線串補裝置。

2.2.1 康蜀串補站現有聯跳方式

以甘蜀一線/蜀景三線為例，500 kV蜀景三線跳閘后，應能實現500 kV康蜀串補站500 kV甘蜀一線串補本體裝置退出運行，即觸發5611斷路器旁路。但在現有運行方式下，僅有甘蜀一線故障可實現聯跳甘蜀一線串補本體裝置、旁路5611斷路器功能。不同線路發生故障時康蜀串補站各裝置動作為：

1)甘蜀一線故障時，可實現聯跳康蜀串補站甘蜀一線串補功能，這是由于甘蜀一線固定接有故障后聯跳串補二次回路。當甘蜀一線故障時，康蜀串補站甘蜀一線遠傳裝置分別接收甘谷地側、蜀州側跳閘開入命令，并將跳閘命令轉發至甘蜀一線串補本體保護裝置。裝置收到跳閘開入命令后出口旁路5611斷路器，此時并未出現前面所提及的斷路器重擊穿、重合率低的風險。

2)當蜀景三線發生故障時，無法實現聯跳康蜀串補站甘蜀一線串補本體保護。這是由于當蜀景三線發生故障時，甘蜀一線縱聯差動保護判為區外故障，保護可靠不動作，即康蜀串補站甘蜀一線遠跳裝置無法接收到跳閘命令，從而串補本體保護裝置不動作旁路5611斷路器。此外蜀景三線未將跳閘命令發送給康蜀串補站，即使蜀景三線跳閘，其跳閘命令無法發送至康蜀串補站本體保護裝置，從而造成跳閘后產生較高潛供電流和暫態恢復電壓，存在斷路器重擊穿、重合閘失敗的風險。

2.2.2 具體實施方案

提出在500 kV康蜀串補站新加遠跳裝置，分別用以接收蜀州側和丹景側蜀景三線跳閘命令。以康蜀串補站1號串補本體保護為例進行說明，圖3為康蜀串補站甘蜀一線1號串補本體保護聯跳回路原理圖。

圖3 甘蜀一線1號串補本體保護聯跳閘回路原理

圖3中，右側PCS-9570C-H2為康蜀串補站甘蜀一線1號串補本體保護裝置，蜀景三線遠跳接口屏(蜀州側和單景側)為新加遠跳裝置。由圖可知，甘蜀一線出串運行前僅有甘蜀一線可實現聯跳串補功能，考慮出串運行后的特殊情況，將蜀景三線跳閘接點引入康蜀串補站遠跳裝置，并將遠跳裝置接入甘蜀一線1號串補本體保護裝置，蜀景三線丹景側遠跳接口裝置用于接收蜀景三線跳閘后丹景側線路保護跳閘命令，并將跳閘命令轉至甘蜀一線1號串補本體保護裝置；蜀景三線蜀州側遠跳接口裝置用于接收蜀景三線跳閘后蜀州側線路保護跳閘命令，并將跳閘命令轉至甘蜀一線1號串補本體保護裝置。

蜀景三線蜀州側和丹景側線路保護也通過加裝遠跳裝置將其跳閘命令送達康蜀串補站，其原理相同，文中以蜀州側為例。如圖4所示，蜀景三線蜀州側1號線路保護裝置PCS-931SC-G的分相跳閘接點TJA-8、TJB-8、TJC-8接入遠跳裝置，通過光纖與康蜀串補站蜀景三線遠跳接口裝置A(蜀州側)相連接，實現蜀景三線蜀州側故障后聯跳串補功能。

圖4 蜀景三線蜀州側1號線路保護跳閘命令開出

3 出串運行現場試驗

3.1 試驗方法

為檢驗所提方案回路的完整性和可靠性，在一次設備僅停串補情況下進行試驗。試驗前首先進行二次安全措施布置，防止在試驗過程中導致甘蜀一線誤跳閘。

試驗1：在蜀景三線蜀州側1、2號線路保護屏內分別模擬蜀景三線A相、B相、C相單相瞬時接地故障，在康蜀串補站內查看蜀景三線1、2號遠跳接口裝置(蜀州側)、甘蜀一線1、2號串補本體保護裝置開入變位情況，同時記錄5611斷路器動作情況。

試驗2：在蜀景三線蜀州側1、2號線路保護屏內分別模擬蜀景三線AB相、BC相、CA相相間故障，在康蜀串補站內查看蜀景三線1、2號遠跳接口裝置(蜀州側)、甘蜀一線1號串補本體保護裝置開入變位情況，同時記錄5611斷路器動作情況。

試驗3：在蜀景三線丹景側1、2號線路保護屏內分別模擬蜀景三線A相、B相、C相單相瞬時接地故障，在康蜀串補站內查看蜀景三線1、2號遠跳接口裝置(丹景側)、甘蜀一線1、2號串補本體保護裝置開入變位情況，同時記錄5611斷路器動作情況。

試驗4：在蜀景三線丹景側1、2號線路保護屏內分別模擬蜀景三線AB相、BC相、CA相相間故障，在康蜀串補站內查看蜀景三線1、2號遠跳接口裝置(丹景側)、甘蜀一線1、2號串補本體保護裝置開入變位情況，同時記錄5611斷路器動作情況。

3.2 試驗結果分析

4次試驗結果如表1所示。由表1可知，蜀州站、丹景站內蜀景三線發生單相瞬時故障時，康蜀串補站內甘蜀一線串補裝置正確旁路，待故障線路約1.5 s重合閘后，串補在1.7 s左右重投。當蜀州站、丹景站內發生相間故障時，康蜀串補站內遠傳裝置均正確接收三個分相跳閘命令，并將5611斷路器正確三相永久旁路。

表1 測試結果

為了更直觀說明所提出的保護配合方法，以最為常見的單相瞬時故障為例進行詳細說明，圖5為模擬蜀景三線C相瞬時故障康蜀串補站所接收信息。

注：圖中#1串補代表甘蜀一線串補本體圖5 蜀景三線蜀州側C相瞬時故障1號線路保護聯動串補試驗結果

蜀景三線中斷路器重合閘定值設置為1.5 s，串補重投定值設置為1.7 s。由圖5可知，當蜀州站蜀景三線發生單相接地故障，1號線路保護動作后，1號串補保護收到“A套C相線路聯跳串補旁路”命令，以收到此命令為錄波觸發起始點(即零時刻點)，控保系統各相關動作出口信號及旁路斷路器位置變化信號如下：1)串補保護無延時出口“A套C相間隙觸發”；2)串補保護8.8 ms延時后出口“#1串補#1保護旁路合閘”；3)操作箱18.8 ms延時后出口“#1串補#1操作箱C相合閘”；4)旁路斷路器46.8 ms延時后返回“#1串補5611斷路器C相合位”；5)串補保護1 709.800 ms延時后出口“#1串補#1保護串補重投”，其工作邏輯正確，在發生單相接地故障時，旁路串補以降低過電壓，待線路重合成功后，串補再進行重投，防止串補先于線路重合閘，導致電容器組重合于故障，對電容器組造成傷害。

3.3 串補旁路時序關系

由前文分析可知，帶串補出串運行線路在發生故障時，由于電容器上殘壓，導致在拉開斷路器過程中或斷路器跳開等待重合過程中，斷路器有重擊穿的風險，因此有必要在斷路器開斷前對串聯電容器旁路并使其放電。但第3.2節中并未體現斷路器斷開前串補電容器已可靠旁路，尤其當出現非常嚴重的故障需要在極短的時間(小于5 ms)內將電容器組旁路時，由于旁路斷路器固有合閘時間在 30 ms 左右，不能滿足要求。這時解決方案為觸發火花間隙，使其導通，達到快速旁路的作用，原理見第1.2節中的介紹。但由于間隙不能自熄弧，因此在間隙被擊穿后仍需要合旁路斷路器使間隙熄弧。

結合第3.2節中結論，對比線路側斷路器跳閘時間、串補站內斷路器合閘時間、間隙觸發時間等再進行深入分析。 同第3.2節，以蜀景三線C相瞬時故障為例進行分析，提取兩側錄波文件數據，如表2所示。

由表2可知：當蜀景三線C相故障時，5072、5031、5032線路斷路器在34.6 ms時C相跳閘位置開入，證明斷路器已在分位；5611斷路器在46.8 ms時合閘位置開入，旁路成功，但間隙在7.8 ms時幾乎無延時瞬時旁路。說明在斷路器跳開之前，間隙早已觸發，將串補電容器組成功旁路，實現串補旁路先于線路斷路器跳開需求，有效抑制了前面提及的風險，且在線路側斷路器成功分閘后，正確實行聯跳命令，出口旁路5611斷路器，可靠旁路串補，并使間隙熄弧。

表2 C相故障動作時序表

4 結 論

以500 kV康蜀串補站出串運行方式為例，對帶串補出串運行線路可能對系統造成的威脅進行分析并提出了相應的解決方案，主要結論如下：

1)帶串補線路出串運行方式下，當延伸線路發生故障跳閘時，由于串補電容器兩端的殘余將導致出現過高的暫態恢復電壓以及難以熄滅的潛供電流，可能導致斷路器重擊穿、重合閘失敗、故障切除推遲甚至導致斷路器的損壞的風險。

2)當蜀景三線線路故障拉開斷路器時，串補間隙保護功能可快速旁路串補，實現斷路器開斷前對串聯電容器旁路并使其放電，抑制斷路器拉開過程中造成斷路器重擊穿、避免短路電流對串補電容器組造成損害，并延時出口合旁路斷路器使間隙熄弧。

3)所提出的串補線路出串運行保護配合方案在延伸線路單相接地時能與線路重合閘時間進行配合，不僅能降低暫態恢復電壓，也能保證線路正確重合，同時也能避免串補重合于故障，對電容器組造成沖擊；在延伸線路發生相間故障時，能可靠永久旁路串補裝置，降低暫態恢復電壓。經過現場試驗驗證了所提方案的可靠性。

所提出的串補線路出串保護配合方案方案接線簡單且前瞻性強，在系統運行方式發生改變后易于取消。目前該方案已投入生產應用，具有較高的工程意義。