電容補償對電力系統的影響

深圳市長城樓宇科技有限公司北京分公司 肖 楠

電力系統中的用電設備運行時產生無功功率，使電力系統性能降低，通過增加適當的電容可以改善電力系統性能，這種方式被稱為電容補償。電容補償使得電力系統能夠改變無功潮流的分布，提高用戶側的電壓質量，降低電力系統的電壓和功率損耗。無功補償方式主要分為并聯電容器和串聯電容，其中可控的串聯電容補償更加靈活、經濟，因此被廣泛應用于電力系統中的電壓調節、參數優化以及電力系統經濟運行。迄今為止，國內外許多研究都集中在電容器的研究上，其中最常見的是對電容器優化配置的研究，對于電容補償對電力系統節點參數的影響研究較少。電容器投切會影響整個電力系統的電氣參數，因此有必要對其進行深入研究。

當前學術界關于電容補償的研究方向主要是電容補償的目的以及具體方法，關于電容補償如何影響電力系統節點參數地研究不多。可控串聯電容補償方式能顯著改善電力系統運行效能，得到廣泛應用。但含串補的線路對原有繼電保護有較大影響。因此，需要深入研究可控串聯電容補償對繼電保護的影響，可控串聯電容補償可以有效增強電力系統性能，應用潛力很大。但含串補的線路會顯著影響現有繼電保護，因此有必要深入研可控串聯電容補償對繼電保護的影響。

本文重點探討可控串聯電容補償對點對輸電線路繼電保護的影響，其中主要包括可控串聯電容補償對距離保護、電流差動保護、功率方向元件、縱聯保護的影響，并提出可控串聯電容補償輸電線路的繼電保護配置要點。

1 可控串聯電容補償對距離保護的影響

1.1 可控串聯電容補償的基本原理

串聯電容補償技術是通過在線路上加裝串聯補償電容，以補償線路的電感，相當于縮短了線路的電氣距離，提高線路傳輸功率，降低線路輸送損耗，改善線路的電壓質量，降低線路的電壓降及減少兩端電壓相角差，更加合理地分布輸送功率，提高系統的動態穩定和靜態穩定性。可控串聯電容補償的基本原理，是通過在線路上添加一個串聯補償電容器來補償線路電感，可以起到縮短線路的電氣距離、傳輸功率、傳輸損耗，提升電能質量、減小兩端電壓相角差的作用，從而提高系統的動靜態穩定性。可控串聯電容補償的基本原理見圖1。

圖1 可控串聯電容補償的基本原理

1.2 可控串聯電容補償動態基頻阻抗對輸電線路距離保護的影響

距離保護最常用于高壓和超高壓電力線路。距離繼電器是距離保護的關鍵元件。常規情況下，如被保護線路短路，測量阻抗與母線到短路點的距離成正比。在包含串聯電容補償的輸電線路上則不存在上述關系，從而影響距離繼電器的動作特性。在包含可控串聯電容補償的輸電線路上，短路故障后可控串聯電容補償動態基頻阻抗的變化范圍類似FSC（串聯電容器組補償，fixes series capacitor），即在正常運行時的容性電抗與旁路運行時的感性阻抗之間變化。因此，電壓反轉和電流互感器的位置也是影響電力線路繼電保護性能的關鍵因素。這些因素對線路保護、可控串聯電容補償的影響，基本類似FSC。但由于可控串聯電容補償的基頻阻抗與FSC基頻阻抗的存在差異，二者對傳輸線的距離保護效果也不同[1]。

首先，在可控串聯電容補償中，是否發生電壓反向取決于運行條件，以及故障后可控串聯電容補償是否被旁路。如果由可控串聯電容補償的電容器失效并被旁路，則不會發生電壓反向；如果可控串聯電容器補償的電容器沒有被旁路，通常會發生電壓反向。如果發生這種情況可以用極化電壓以及閉鎖措施來防止拒動或誤動。可控串聯電容補償后的阻抗在失效后一段時間內呈現負阻，但對保護性能影響不大。

其次，當母線側電壓下降時，由于在同一整定保護范圍下的可控串聯電容補償導致距離保護拒動的概率增加，即在補償程度相同的情況下，可適當擴大可控串聯電容器補償線距的整定保護范圍[2]。

在同樣整定保護范圍下，可控串聯電容補償電路的保護動作比FSC電路的保護動作慢。當線路側電壓正向短路時，可控串聯電容補償與FSC線路的距離保護的作用相同。在反向短路的情況下，可控串聯電容補償線路的距離保護能更好地克服反向電壓的影響。

1.3 可控串聯電容補償的諧波特性對距離保護的影響

保護裝置兩端的電壓取決于源阻抗、線路阻抗和短路點等因素。可控串聯電容補償電路也與可控串聯電容故障后是否旁路密切相關。如果保護裝置和短路之間沒有可控串聯電容器補償，則保護裝置的電壓一般不受可控串聯電容器補償電壓諧波的影響，否則保護裝置處電壓受可控串聯電容補償上電壓的諧波的影響由短路點決定。如果用可控串聯電容器補償外部附近短路，則可控串聯電容器補償的電抗在測量阻抗的占比增加，其電壓諧波的影響更為明顯。在可控串聯電容補償外部遠距離發生短路時，電壓諧波的影響相對較小。

2 可控串聯電容補償的諧波對故障線路實測阻抗的影響

測得的從短路點到保護裝置的網絡基頻阻抗對保護繼電器的性能有決定性的影響。測量傳輸線基頻的阻抗計算可以使用頻域或時域方法。頻域法的基本算法是傅里葉變換法，該算法不可避免地會受到直流分量、高次諧波和低次諧波的影響。常用的濾波方法包括差分濾波和帶通濾波，帶通濾波器對直流分量、低頻分量和高次諧波有極好的過濾作用，而低通濾波器對直流分量和低頻分量有一定的放大作用。差分濾波器可以消除直流分量的影響，即使對低頻分量也有很強的抑制作用，但會放大大部分高次諧波。

例如，異相60度的差分濾波器可以使三次諧波增益加倍。由于電壓諧波分量非常復雜，在包含可控串聯電容補償電路的線路中，由可控串聯電容補償后的LC諧振回路產生的諧波分量非常突出，而這個諧波分量相距不遠三次諧波較近。因此，差分濾波器對這個諧波分量非常敏感，會增加阻抗計算中的誤差。考慮到阻抗計算的精度，在可控串聯電容補償電路中盡量使用帶通濾波器[3]。

研究表明，使用150Hz以上頻率分量有顯著衰減的低通濾波器可以確保300km線路的微分方程算法結果準確度。對于短線路，低通濾波器的截止頻率可以適當提高。然而，微分方程算法是在R-I電路模型的基礎上建立的。如果計算模型包括電容，針對R—L—C模型目前沒有成熟的計算方法[4]。因此，微分方程算法只能在計算電路不包括固定電容或可控串聯電容補償的情況下使用。可控串聯電容補償補償的諧波影響測量阻抗的計算。在短距離故障的情況下，諧波的影響比較大，對被測阻抗的影響也很大。

另一方面，在短距離故障的情況下，故障位置遠離整定保護區，距離元件的動作有效范圍大，極化電壓也會增加動作特性圓的覆蓋范圍，進而影響精度。對于遠距離故障，距離保護通常采用超范圍整定措施，以限制諧波對被測阻抗的影響，使其不受諧波影響。因此，通過適當的濾波措施，可控串聯電容器補償的諧波不會明顯影響距離元件。

3 可控串聯電容補償的諧波對電抗元件和方向元件的影響

在電力系統距離保護中，電抗元件通常通過動作信號與極化信號比相，方向元件極化信號則通過極化型號比相。方向元件基本上不受比相影響。對于電抗元件，如果相間出現故障，其動作信號由保護安裝處的電壓及線路電流合成，如其動作信號的諧波含量較大，但ZR1也非常大。當遠程位置出現短路時，諧波含量變小，ZR1相應降低。因此，諧波含量對的影響不大，因此對電抗元件的工作特性影響不大。

4 串補對縱聯差動電流保護的影響

電流差動保護的原理是比較兩端電流的相位。當發生內部故障時電流大致同相，而當發生外部故障時電流將異相。當輸電線路出現區域內金屬故障時，輸電線路兩側故障之間的相位關系由輸電線路阻抗和兩側等效系統阻抗決定。如圖2所示，區內故障發生時，線路兩端故障電流相位差取決于Zsm+ZK1與Zsn+ZK2的阻抗角差。對一般輸電線路，阻抗角差很小，故區內金屬性故障時，Im,In幾乎同相。

可控串聯電容的存在使得上述規律被打破。架設串聯電容補償系統安裝在系統的N一側，如圖2所示，兩端之間的電流相位差取決于Zsm+ZK1與Zsn+ZK2-XC的阻抗角差。Zsn+ZK2-XC由于串聯補償點的補償作用，阻抗角減小，導致該區域閉合時電流Im與In的之間的相位差增大[5]。

圖2 線路區內故障兩端電流相位分析圖

但一般情況下，補償電容的阻抗模值XC一般小于保護反方向的等效系統阻抗Zsn+ZK2，導致保護裝置的保護靈敏度較低。當包含串聯電容補償的線路出現內部故障時，通常旁路串聯電容補償，所以影響更小。如果保護線外發生短路，無論是否存在串聯補償電容，串聯補償電容是否被短接或擊穿，測相元件都不會失效。因此，縱聯差動保護通常對串聯補償電容器不太敏感。

5 可控串聯電容補償輸電線路對繼電保護的配置要求

基于以上分析，建議包含可控串聯電容補償的輸電線路需要遵循以下配置要求：

首先，可以采用全電流差動保護。理論上說，全電流差動保護完全不受串聯補償電容的影響。隨著光纖技術、GPS通信技術的持續進步，在不久的將來我國光纖縱聯差動設備的性能也將大幅提升。

其次，可以采用方向阻抗元件組成的縱聯保護。包含極化電壓的方向性阻抗元件可以解決串聯補償電容引起的方向性損耗問題，解決超范圍整定與縱向測量相結合時的超范圍或欠范圍問題。縱聯保護由方向阻抗元件組成，如果保護位置選擇正確且保護裝置安裝點的電流不改變電流故障條件的方向，則可用于具有串聯電容補償的受控輸電線路中。

6 結語

可控串聯電容補償是輸電線路的關鍵組成部分，通過對電容器進行旁路、投入或調制，串聯電容補償裝置可以調節有效容抗值，從而達到提高系統傳輸能力，改善系統穩定性的目的。但串聯電容補償裝置的引入會對電力系統產生影響，只要補償節點的無功功率變化，整個電網的無功潮流分布也會相應變化。同時，隨著有功功率潮流的變化，網絡中各節點的電壓和支路消耗的功率也發生變化。可控串聯電容補償的動態基頻阻抗、諧波分量都會對距離保護產生顯著影響。因此實際應用中，一定要詳細準確判斷補償電容器的影響程度，采取有效措施減少負面影響，提高電力系統性能和穩定性。