（电气工程专业论文）可控串联补偿tcsc对输电线路继电保护的影响分析.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文( 0 - - 控串联补偿( t c s c ) 对 输电线路继电保护的影响分析，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注 和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 生五垒互 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： ! 盈五纽 日期： 导师签名：* e l期： 兰旦 2 ：z ：圣 拳尊釜 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 可控串联电容补偿( t c s c ) 是灵活交流输电系统( f a c t s ) 的重要组成部分， 由于它具有潮流控制、阻尼线路功率振荡、提高电力系统暂态稳定和抑制次同步振 荡( s s r ) 等多种功能，因此在电力系统中的应用潜力很大，在各国f a c t s 实践中 均为首选的实用化装置。t c s c 运行于电力系统中时，会产生谐波、序分量等问题， 这些使传统的输电线路继电保护理论和技术面临挑战。因此，有必要深入研究t c s c 对现有继电保护的影响，考察现有继电保护系统在t c s c 线路上的适应性。 本文在分析固定串补对输电线路影响的基础上，研究了输电线路短路故障时 t c s c 的谐波特性及动态基频阻抗特性，并通过m a t l a b 进行仿真，分析t c s c 的加入 对系统稳态和暂态的影响，最终重点研究了t c s c 对输电线路继电保护的影响。 关键词：柔性交流输电系统，可控串补，继电保护，动态基频阻抗 a b s t r a c t t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n ( t c s c ) i sa ni m p o r a n tm e m b e ro ft h ef l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) sf a m i l y i th a sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha st i d a lc u r r e n tc o n t r o l l i n g ， d a m p i n gp o w e ro s c i l l a t i o n ，i m p r o v e m e n to ft r a n s i e n ts t a t ea n ds u p p r e s s i n gs u b s y n c h r o n o u s r e s o n a n c e ( s s r ) ，s oi t sp o t e n t i a li sv e r yg r e a ti ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n di ti sp r i m a r i l yi nt h e a p p l i c a t i o no ff a c t s t h ep r o b l e m ss u c h 撼h a r m o n i ca n ds e q u e n c ec o m p o n e n tw i l lb ep r o d u c e d w h e nt c s ci so p e r a t e di np o w e rs y s t 啪，w h i c he f f e c tt h et r a d i t i o nt h e r o ya n dt e c h n o l o g yo f p r o t e c t i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ei n f l u e n c e so ft c s ca n dr e n e wt h ea d a p t a t i o no f t c s co nt h ee x i s t i n gr e l a yp r o t e c t i o n a tf i r s t ，t h ea r t i c l er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c e so ff i x e ds e r i e sc o m p e n s a t i o nf o rt r a n s m i s s i o n l i n ea n da n a l y z e dc h a r a c t e r so fh a r m o n i cw a v ea n dt h ed y n a m i cr e s i s t a n c eo fb a s i cf r e q u e n c yo f t c s cw h e nt h ef a u l to c c u r r e d t h e n ，s i m u l a t e db ym a t l a b ，w ev e r i f yt h ei n f l u e n c eo ns t e a d ys t a t e a n dt r a n s i e n ts t a t eo fs y s t e m a tl a s t ，w er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c e so ft c s co np r o t e c t i o nf o r t r a n s m i s s i o nl i n e y u h o n g a n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r ) d i r e c t e db yp r o f t a o z h e n g k e yw o r d s ：f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) ，t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e s c o m p e n s a t i o n ( t c s c ) ，p r o t e c t i o n ，d y n a m i cr e s i s t a n c eo fb a s i cf r e q u e n c y 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 无功补偿和f a c t s 技术的发展1 1 2 可控串联补偿电容器t c s c 2 1 3 本文所做的工作5 第二章固定串补对输电线路的影响6 2 1 概述6 2 2f s c 对输电线路的影响6 2 3f s c 对输电线路保护的影响1 0 2 4 对f s c 输电线路继电保护问题的解决策略1 2 第三章可控串补的结构特性分析1 4 3 1t c s c 电路结构、运行模式及基本特性1 4 3 2t c s c 的谐波特性17 3 3t c s c 的阻抗特性1 9 第四章t c s c 的仿真研究2 5 4 1m a t l a b slm u lln k 简介2 5 4 2 单相电力系统的仿真2 6 4 3 三相电力系统的仿真3 1 第五章t c s c 对输电线路保护的影响4 1 5 1t c s c 对距离保护的影响4 1 5 2t c s c 对高频方向保护的影响5 0 5 3 装有t c s c 的超高压线路的暂态保护5 4 第六章结论5 7 参考文献5 9 致谢6 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 2 h f 产 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 无功补偿和f a c t s 技术的发展 1 1 1 无功补偿技术必要性 输电系统是现代电力系统的重要组成部分，早期电力系统基本上是独立的发电厂向 近距离的负荷供电。电力工业是国民经济战略性基础产业，是国民经济健康发展和人民 正常生活秩序的重要保障。随着技术的发展，成熟，为了保证系统更加良性地运行，许 多孤立的发电厂通过高压输电线实现了互联，就我国而言，“西电东送，南北互供，全 国联网”的局面基本建成，许多优越性已经得到证明，例如电网互联使可靠性更高，电 网互联可以长距离大容量输电，从而使远方电源更加经济。 目前，由于电能的生产、输送、消费同时进行，不能大量储存，电力消费取决于电 力用户的需要，而电力负荷有一定的随机性，为保证供电质量和可靠性以及电力设备安 全，电力系统中每个母线的电压和频率必须保持在规定的范围内，各同步电机同步运行； 电力在电网中传输按电气规律分布、线路潮流难以控制；电网短路电流水平迅速提高， 现有的断路器难以满足急剧增大的断流容量的要求，载流导体及各类电气设备也无 法满足不断提高的动稳定和热稳定等方面的要求，只能被迫更换运行中不满足要求 的大量电气设备；电力系统故障过渡过程极其短暂，为保证安全运行，电力系统需 要配备大量相应速度快的控制保护系统和自动化系统。 无功补偿技术的发展正是为了解决上述问题的有效措施之一。因为发电厂不可 能靠近所有负荷中心，加入无功补偿方法来控制电网电压并提高输电能力，由于电 网电压和有功功率对无功功率变化很敏感，所以采用无功补偿的措施是有效的。当 今社会能源成本不断上升，无功补偿可以改善电能质量，降低电能损耗，减少用户 的电费支出，无功补偿的另一个优点是无需外部电源就可以在任何地点产生无功， 发生无功功率的成本较低，是一项投资少，收效快的节能措施，而且在工厂系统中， 绝大多数的用电设备都是电感性质的元件，如感应电动机、电力变压器等，这些设 备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以产生这些设备需要维持 正常工作的交变磁场。 同时，无功功率和供电系统的功率因数也有密切的关系，而功率因数是衡量企 业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 2f a c t s 技术 无功补偿装置的快速发展n 矗3 1 ，是因为无功补偿装置应用了大量的电力电子技 术发展过程的新理论，并在实践中引入新型器件。 文献 4 给出了f a c t s 的定义，所谓f a c t s 就是基于晶闸管组件的控制器，灵 活交流输电系统包含了移相器、静止无功补偿器、串联电容调节器、带负荷抽头调 节器、故障电流限制器以及其他一些尚未发明的控制器。 上述定义并未很明确，因此大多采用后述的定义：“除了直流输电以外的所有 将电力电于技术用于输电的实际应用技术 ，这是n g h i n g o r a n i 博士在1 9 9 4 年的 c i g r e 会议上提出的。 i e e e 在用户电力技术( c u s p o w ) 发展的基础上又提出了一个最全面的f a c t s 定 义。该定义在文献 5 中描述如下：所谓柔性交流输电系统( f a c t s ) 即装有电力电子 型或其他静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统，f a c t s 控制器是可提供一个或多个控制交流输电系统参数的电力电子型系统或其它静止 设备。 伴随电力电子技术的发展，世界各国开始普遍关注f a c t s 的进一步发展，许多 国际权威性的电力系统专家、学者者和认为f a c t s 是“现代电力系统中具有变革性 影响的前沿性课题之一”，它的出现能有效地化解现代电力系统面临的各种状况。 f a c t s 技术具有以下主要优点： ( 1 ) 按照提前规定的输电线路传送，控制整个电力系统流向，是的电网的输 电能力和系统的经济效益大大提高； ( 2 ) 输电线路的输送功率可达到导线的热稳定极限范围，进而提高了输电线 路的利用率； ( 3 ) 能有效地抑制电力系统振荡； ( 4 ) 对电网或者设备发生故障所带来的影响起到很好地限制作用，限制了事 故扩大，保证整个系统安全稳定运行。 1 2 可控串联补偿电容器t c s c 1 2 1可控串补( t c s c ) 概念与原理 晶闸管控制的串联补偿电容器t c s c 是灵活交流输电系统的重要组成部分，它 主要是由电容器和晶闸管控制的电感并联而成，通过控制晶闸管的触发角实现对阻 抗的平滑控制。 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 。 t c s c 利用可控硅控制触发角口的不同实现对电容器旁路、投入或部分调制三 种工作模式，使有效容抗值在串补电容器装置的控制下得到快速而平滑地调节，从 而提高整个系统的传输能力，达到了灵活控制系统潮流，改善系统暂态稳定性的目 的。基于t c s c 的多种控制功能及良好的工业效益，使它成为最早实现工业应用的 f a c t s 元件之一。 1 2 2t c s c 的作用 t c s c 利用大功率电力电子器件快速地调整其基波等值容抗值，从而改变所串联 的线路的等值阻抗。与常规串补相比，在超高压输电系统中，t c s c 具有以下优点： ( 1 ) 输电系统的传输能力得到提高。t c s c 等效地减小了系统电抗，相当于缩短了 输电线路的长度，从而提高了系统的经济性。 ( 2 ) 潮流控制。t c s c 可用来进行潮流控制，从而使得电网中的潮流分布发生改变， 这是因为等效串联电容的容抗可以连续改变。 ( 3 ) 电力系统暂态稳定性明显提高。当电网遭到大扰动时，晶闸管的触发角在晶 闸管阀的快速控制作用得到快速调整，从而改变串联电容的补偿度，提高了系统的 暂态稳定性。由于系统阻尼不足或由于系统大扰动引起的低频功率振荡，这些都可 以利用t c s c 进行阻尼。 j ( 4 ) 当发生故障，t c s c 可以通过晶闸管旁路减小短路电流，同时可以降低m o v 的 能量定值。 ( 5 ) 抑制次同步振荡。加入串补可能会引起次同步振荡( s s r ) 现象，但加入t c s c 能抑制s s r 现象。 1 2 3 国内外研究状况 对固定串联补偿技术的研究，国外可以追溯到1 9 2 8 年，为当时纽约电网3 3 k v 系统。因此距今已经有8 0 多年的历史，在1 9 5 0 年，超高压电网中开始应用固定串 联补偿技术。该项技术现在已经发展成很成熟的技术哺】，安装串补的系统最高额定 电压已达到了7 6 5 k v 目前，可控串联补偿技术主要有以下几种形式： 1 2 3 1 t s s c 晶闸管投切的串联电容器 如图卜1 所示，可投切电容器组是由一组可分别投切电容器构成，其中每组可 投切电容器又由一对反并联的晶闸管与电容器并联而成h 1 。可投切电容器组由不同 容抗值的串联容性电抗组成，能够控制输电线路的功率。可投切电容器组的基本思 华北电力大学工程硕士专业学位论文 路是通过投切不同数目的电容器， 使得线路的等效电抗值改变。 t s s c 的优点是响应速度快， 的电容器，因此只能实现离散的、 因此串联容性电抗的容抗值发生变化，从而最终 同时不会产生谐波；缺点由于只能投入不同组数 阶跃的控制，并且不能解决次同步振荡【8 1 。 s 1s 2s n 巴 巴1 让 c 1c 2c n 图卜1 可投切电容器组电路结构 1 2 3 2 t c s c 晶闸管控制串联电容器或可控串联电容 如图1 - 2 所示，t c s c 模块由一个串联电容器c 与一个晶闸管控制的电抗器l 并联而成n 们。t c s c 能够连续控制大范围的输电线路功率。从系统的观点来看，可 变串联补偿的基本思路：通过适当地调节触发角口，提高串联补偿线路中固定电容 器上的基频电压，进而改变串联容性电抗的有效值。 c 图卜2t c s c 模块 t c s c 调节触发角口，使得电容器电压快速、准确变化，因而能够很好的控制线 路潮流、抑制次同步振荡，并阻尼功率振荡；由于在容性区、感性区之间存在着一 个谐振区域，因此晶闸管的触发角并不是连续变化阳1 。它在工业应用主要有以下几 方面： ( 1 ) s l a t tt c s c 1 1 9 9 3 年美国b p a 位于o r e g o n 的中北部地区的s l a t t 站由g e 公司制造的t c s c 装置建成。s l a t t 站电压等级为5 0 0 k y 。该站的t c s c 由6 个完全相同的模块串联而 成，每一个模块可以独立运行和控制。 ( 2 ) s t s d et c s c 该站处于瑞典北部水电向南部负荷中心送电的4 0 0 k v 输电线上，其中的设备都 是a b b 公司专门提供。该站不仅有固定串补，同时还包含可控串补，主要参数为： 总的串补度为7 0 ，额定电流为1 5 0 0 a ，系统电压4 0 0 k v ，频率5 0 h z 。 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 3 ) 巴西南北联络线的t c s c h 】 巴西电网由两部分构成，分别是北部一东北部的互联系统和南部一东南部一中 西部互联系统，之前这两部分分别独立运行。1 9 9 9 年1 月，连接这两互联电网的南 北联络线一期工程调试完毕并投入运行。该联络线北起i m p e r a t r i z ，南至s e r r ad a m e s a ，长1 2 7 7 k m ，电压等级5 0 0 k v ，线路额定容量1 3 0 0 m w 。 ( 4 ) 天生桥一平果t c s c n 3 1 2 0 0 3 年6 月，我国第一个超高压可控串补( t c s c ) 工程( 平果t c s c ) 在天平 线( 贵州天生桥一广西平果) 平果侧建成投运，该站的装置由s i e m e n s 公司制造。 该可控串联补偿系统由安装在平果站的两组电容器组构成，每条线路上安装一组， 设计方案完全相同，都是由固定串联电容器组和可控串联电容器组串联组成。平果 t c s c 工程的建成为“西电东送一增加了3 0 0 m w 的输电容量，同时t c s c 还将使系统 的暂态稳定性水平得到改善，并阻尼功率振荡。 ( 5 ) 碧口一成县t c s c 3 2 0 0 4 年1 2 月，在甘肃省陇南地区的成县变电站，可控串补装置一次投运成功。 碧成输电线路长1 4 2 k m ，电压等级为2 2 0 k v ，在加入串补后碧成线的暂态稳定极限 提高到3 4 5 m w ，静态稳定极限可达到4 0 0 m w 。该装置使系统的传输能力得到增加， 使得线路电压分布明显改善、而且对主系统弱阻尼振荡起到抑制作用。 1 3 本文所做的工作 本文详细介绍了t c s c 的动态基频阻抗特性及谐波特性，介绍固定串补( f s c ) 对系统电流、电压的影响，并进一步分析了可控串补( t c s c ) 对距离保护、高频方 向保护的影响，并对t c s c 的仿真进行了初步的研究。 第一章在对国内外文献的基础上概述了无功串联补偿的必要性和f a c t s 技术发 展现状及其对电力系统带来的影响和新的要求，进而概述了f a c t s 特别是t c s c 输 电线路继电保护的研究现状。 第二章概述了固定串补( f s c ) 的加入在电流、电压、低频暂态电流方面的影 响。 第三章着重论述了输电线路短路故障时t c s c 的谐波特性及动态基频阻抗特性。 第四章通过m a t l a b 仿真，对比分析了安装t c s c 与否对系统稳态和暂态的影响。 第五章结合t c s c 动态基频阻抗特性，研究了t c s c 对输电线路继电保护的影响， 重点分析了在故障分量距离保护，高频方向保护等方面的影响。 第六章对本文的研究进行了小结，概述了本文提出的重要结论。 5 华北电力大学t 程硕十专业学位论文 2 1 概述 第二章固定串补对输电线路的影响 随着电力系统的发展，大容量、远距离输电已成为目前必需的问题。然而，由于受 到多方面的影响，比如环境和经济方面，使得当前系统的潜在能力并没有发挥出来，另 外，暂态稳定极限会限制长距离、重载、跨区间交流输电系统的传输容量的提高。在远 距离输电系统中，如果送端、受端的电压相角差值较大时，稳定裕度就会变小。如果系 统遭到干扰，它的稳定运行就会面临危险。其次，输电系统在远距离输电时将产生、消 耗大量的无功功率。无功功率的不平衡则会进一步造成较大的电压偏差，导致系统电压 不稳定，致使系统失去稳定甚至崩溃。 固定串联补偿电容( f s c ) 技术是有效、经济的手段，它能够提高输电系统的经济 性和可靠性。与另外架设输电线路相比，其经济效益非常突出。在输电线中间加入串联 电容器有多方面的优点：线路电抗减小，缩小线路两端的相角差，通过控制潮流提高电 力系统的传输能力，能传输较大的功率：通过改善电力系统的稳定性，获得较高的稳定 裕度；使得电压质量及无功功率平衡有明显改善；通过双回线路之间的负荷调节，使其 达到最佳分配；使系统的线路损耗有所减少。 通常传统的继电保护中，输电线路等被保护元件、对象的设置参数是已知的，保护 装置的参数提前整定。加入固定串联补偿电容后，使得输电线路的阻抗具有不确定性， 并引起诸如电压反向、l c 谐振等问题，这在某种程度上影响了传统输电线路的保护。 本章主要概述固定串联补偿带来的低频电流超越问题和给距离保护、方向保护以及 纵联保护带来的影响。 2 2f s c 对输电线路的影响 2 2 1 含串补线路的电压情况 加入串联电容的输电系统如图2 - 1 所示： 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图2 1 串联电容的输电系统 双侧电源为系统供电n 耵，若在系统内发生短路，例如在k l 点发生短路，双侧电源 为短路点提供的短路电流分别为l 、厶，对于保护安装处的测量电流同样为l 、厶， 而母线m 、n 、p 处的电压分别为： 对于电容器侧的电压为： 假定碟i x r ，所以电压发生反向， 保护也许会表现不同的动作特性：b 会拒动，保护c 误动。若串联补偿电容没有被旁路， 同时保护装置a 和d 处发生正向的区外故障，那么a p 段会出现超越动作。 电压互感器( t v ) 连接点与故障点之间的阻抗的性质决定了阻抗继电器是否可以 正确动作。对上图2 - 4 中的装置b ，若假设在发生故障时，不发生电流反向现象，分析 故障对保护装置b 的影响分两种情况分别讨论。 ( 1 ) 若采用电压互感器( t v ) 为线路侧，则串补电容不会影响短路故障时的保护 范围，保护范围为线路全长的8 0 8 5 。当反向区以外发生短路故障时，如图2 4 中 s 2 点时，在线路的电压互感器( t v ) 处电压将反向，那么保护b 就会误动。 l o 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 2 ) 若采用电压互感器( t v ) 为母线侧时，如果发生反向故障，那么保护不会发 生误动。进行为防止正向区外短路故障的超越动作的整定时，会使得区内发生故障时保 护的保护范围会缩短。如上图中电容出口发生正向短路时，保护b 的电压反向，保护 拒动。 综上诉述，保护装置b 无论是采用线路电压互感器还是母线电压互感器，电压反 向的影响都无法完全的避免。 2 3 2f s 0 对负序( 零序) 功率方向保护的影响 ( a ) 正向故障( b ) 反向故障 图2 - 5 负序分量计算用网络图 文献【1 9 】详细论述了固定串补对负序、零序功率方向元件的影响。当串补电容 未被击穿时，不管在继电器与短路点之间存在串补电容，还是在短路点的反方向上- 存在串补电容，也不管是发生正向不对称短路，还是反向不对称短路，只要串补电 容没有发生不对称的击穿的情况，同时保证串补电容的感抗z 。大于容抗群，那么 负序功率方向继电器都能作出准确的动作。负序功率方向继电器不会出现误动，这 是因为在实际的电力系统中一般可以保证上述约束条件的成立。如果在短路起始 时，串补电容的保护间隙被击穿，那么串补电容将不会影响保护装置的动作。 在零序网络中，当变压器接在母线上、容量较大同时中性点接地时，容抗砟有 可能不会小于感抗乙，因此零序功率方向元件可能会出现误动。但是我们可以通过 进行零序电流补偿的办法来解决这种情况。由于串补的存在，在发生接地故障时， 零序电流会增大，如果采取将整定值整定的较高，那么零序电流i 段保护范围将会 缩小，造成零序后备保护的灵敏度降低。 而在t c s c 线路上，故障后，如果t c s c 的电容没有被旁路，零序网络上有可 能会发生保护拒动，但由于t c s c 动态基频阻抗存在，发生拒动的可能性比f s c 线 路要小。如果t c s c 的电容被旁路，t c s c 便会转化为感性，也仅仅是在故障初期 短时，最多只会引起动作延时，不会造成保护拒动。 另外，如果串补电容发生了不对称的短接情况，无论是负序网络，还是零序网 络，拒动或误动都有可能出现。因此利用t c s c 中的m o v 作过电压保护时，会降 低拒动或者误动的发生，同时提高了保护的可靠性。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 3 3f $ 0 对纵联保护的影响 输电线路的纵联保护由纵联方向保护、纵联距离保护和纵联相差保护三部分组 成，对不同的电压等级有时还有全电流差动保护。 与之前讨论的串联补偿装置对各种保护的影响相同，由于串补可能会引起电 流、电压反向，因此串联补偿装置对于纵联方向保护、距离保护的影响中也会出现 对方向阻抗元件或者方向元件的方向判断出现失误的情况。而纵联方向保护、距离 保护的保护性能又受方向元件的判断能力的影响。当被保护线路的内部发生短路， 同时在串补电容一侧的综合阻抗成容性时，纵联相差保护会出现拒动；当被保护线 路外部发生短路时，串联补偿装置将不会影响纵联相差保护的性能。 但在现行的l1 0 k v 系统中，保护背侧对应等效系统阻抗比串联补偿的电容容 抗要大，因此系统一般不会发生电流反向，因而串联补偿装置对于系统纵联保护的 影响不会太大。 2 3 4 低频电流分量引起的超越问题 由于系统感抗大于串补电容的容抗，工频频率高于振荡频率，所以幅值通常会 小于工频分量电流的幅值啪1 。在串联补偿装置后发生三相短路故障时，随着运行方 式的改变，低频分量的频率也会有变化，一般约为2 7 - 2 8 h z 。而且低频分量衰减 的时间常数相比于无串补线路时直流分量衰减的时间常数增大了一倍。 短路电流的波形在低频分量的影响会出现畸变，一般在故障后3 - - 4 周期才能 衰减得较多，低频分量的引入使距离保护第1 段超越，线路保护第1 段动作速度为 2 5 一3 0 m s 。但是，若m o v 导通会使得短路电流的低频分量有明显的减少，这样保 护的超越误动的可能性大大减小，甚至不会出现超越的情况。 当短路故障大声在串补装置前时，被补偿线路一侧的电流波形会发生畸变，这 是因为系统的感抗与串联补偿电容形成的阻容谐振产生低频分量，对于另一侧流向 故障点的电流为工频电流，因此在低频分量影响下反应相位比较的纵联保护往往不 能准确动作。 2 4 对f s 0 输电线路继电保护问题的解决策略 大量的继电保护工作者为解决上述继电保护的问题进行了多方面的研究，其中 主要的改进方法有： ( 1 ) 距离保护采用带记忆作用的正序电压作极化电压。距离保护能根据发生对称短 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 路时极化电压的记忆作用准确动作，如果发生不对称接地故障，只要满足继电器安 装处至故障接地点序网络对应的感抗不小于串补装置的容性阻抗，那么保护安装处 的正序电压将不会出现反向，在串补线路上使用正序电压作极化电压的阻抗继电器 能正确判别故障方向。所以，串补线路的距离保护适合用采用带记忆作用的正序电 压作极化电压。 ( 2 ) 主保护采用纵联方向保护。一般情况下，故障分量方向元件和负序、零序功率 方向元件受串补电容的影响很小，从理论上来说固定串补线路的主保护可以采用纵 联方向保护，但在实际的系统中这种保护方式用得并不多，比如1 l o k v 系统。 ( 3 ) 主保护采用分相电流差动纵联保护。分相电流差动纵联保护具有较强的制动特 性，可以通过低通滤波来消除谐波分量，或者利用傅立叶变换的方法，同时具有对 故障的高选择性、高灵敏度以及传输信号的高抗干扰性。还可以利用采样值比较原 理的电流差动保护来清除由故障引起的非周期分量及谐波分量的影响。在微波、光 纤技术发展的基础上，长距离输电线路开始应用分相电流差动纵联保护，且串补电 容对其影响甚微。 ( 4 ) 根据行波原理，上世纪七十年代瑞典a s e a 公司开发了r a l d a 行波保护，以及瑞 “ 士b b c 公司研发了l r - 9 1 保护，但实践证明并不是很理想。 ( 5 ) 上世纪八十年代，工频故障分量保护原理一经提出，利用这一原理研制的故障 分量方向继电器便被逐步开发研制，理论上当补偿度很小时，工频故障分量保护原 理适用于串补线路。 目前f s c 带来的线路保护问题已基本解决。； 1 3 华北电力大学下程硕十专业学位论文 第三章可控串补的结构特性分析 3 1 t c s c 电路结构、运行模式及基本特性 3 1 1t c s c 电路结构、运行模式 图3 1 所示为t c s c 的基本结构。由图可知t c s c 共包括四部分：串联补偿电容 器c 、旁路电感器l 、双向晶闸管t c r 以及氧化锌限压器m o v 。 b r e a k e r 图3 1t c s c 的基本结构图 t c s c 的补偿度决定于电容器c 的容量大小，晶闸管触发角的限制与电容器的耐 受电流电压的能力共同决定了t c s c 的容性区范围；旁路电感器l 主要用于抵消减 少故障期间短路电流，使得m o v 所吸收的能量有所减少：双向晶闸管t c r 用于改变 t c s c 的等效阻抗，以满足系统在各种运行条件下的要求，如提高系统的稳定性、增 加传输能力、抑制次同步谐振。 通过对触发脉冲的控制，t c s c 改变着晶闸管的触发角，进而改变由其控制的电 感支路中电流大小，实现总的等效电抗的连续改变。如图3 - 2 所示触发角在1 4 5 。 1 8 0 。时，其等效电抗呈容性：在9 0 。1 4 0 。时，其等效阻抗呈感性。因此，当系 统发生故障时，t c s c 具有限制短路电流的作用。 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图3 - 2 等效阻抗与触发角的变化曲线 t c s c 模块有3 种基本运行模式：全关断模式、旁路模式和微调模式。 ( 1 ) 全关断模式下，晶闸管门极不存在触发信号，使得晶闸管开关处于未导通状态， 即触发角口= 1 8 0 。，整个模块阻抗就相当于电容器容抗。 ( 2 ) 旁路模式下，晶闸管门极连续被触发，使得晶闸管开关处于全部导通状态，即 触发角口= 9 0 。整个模块成小感抗性质，这是因为晶闸管支路中存在电抗。 ( 3 ) 微调模式下，由于触发信号采用相控，使得晶闸管开关处于部分导通状态，即 触发角口 1 8 0 。由于晶闸管导通程度的不同，整个模块表现的性质也不同。导通 程度较高时，模块呈感性；导通程度较低时，模块呈容性。 3 1 2t c s c 的特性的解析表达式 根据t c s c 模块的3 种基本运行模式列写出下列方程： ( 1 ) 晶闸管关断状态 c 鲁训= “咖帅) 式中，i 是线路电流峰值，v 。为电容上电压，缈支路电流初始相位角。 ( 2 ) 晶闸管导通状态 c d _ 生v ，：f ( f ) 一屯( f ) 出 ” i d i l ：( f ) 出 ” ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 一 华北电力大学工程硕+ 专业学位论文 一二二- 二= = 二= = 二，一一一 其中屯为t c r 支路电流，l 为t c r 支路总的电感。 对以上三式进行拉氏变换，得： 岬_ l 喙以i 1 一斗争 4 ， 郴m p 岳c 南一篇， + 黯浯5 ， 一l c 南+ 南，一岳南一篇 + 舞6 ， 其中晶闸管关断时刻粤窆圭电压为瑶。，晶闸管导通时刻电容上电压为z ；o ，【】为 取虚部运算符，：1 历。 进行拉氏反变换，得： z c ( 垆b 三c y - 茄i ( s i n c p s i n c o t - c o s 伊伽+ 瑶。 ( 3 _ 7 ) 饥m 南， s i n ( p ( c o s t o t - c o s c o o t ) + c o s o ( s i n t o t - 挚叫伊8 ， + c o 0 2 s i n c o o t 哪m 黔。卜c 知咿s 协刎一咖s 驴， m 9 ， + 吃c o s c o o t 因此，得流过电容的电流为： ( 3 一1 0 ) 根据t c s c 模块的3 种基本运行模式，我们得到了t c s c 特性的解析表达式。由 t c s c 特性的解析表达式可进一步得出在稳态和暂态情况下，t c s c 装置的动态基频 阻抗及、谐波阻抗。 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 1 3t c s c 的基频等效阻抗公式 t c s c 能起到提高系统的稳定性、增加传输能力、抑制次同步谐振等作用，这可 以通过改变其基频等效阻抗的大小和性质来实现乜。所谓基频等效阻抗是指由电容 器c 和可控电抗器( t c r ) 所组成的t c s c 对应于f = 5 0 h z 时的基频下的等效阻抗。t c s c 的基频等效阻抗表达式如下式所示，即 式中 = 去一磊a 伽“n 2 小磊1 西4 a 啪8 2 0 ( k t a n k 仃一t a i l 盯) ( 3 - 1 1 ) 3 2t c s c 的谐波特性 彳= 岳扣等舻击 电力系统中安装串补时，一方面会带来谐波，另一方面会使电力网络参数发生 快速变化，比如三相输电线路中t c s c 控制不一致，使得结构不对称，因此会带来 序分量，平行线中t c s c 控制不一致，将产生动态谐波环流等，这些使传统的输电 线路继电保护理论和技术面临挑战。在此之前，我们应该了解一下t c s c 的谐波特 性。 3 2 1 稳态下的谐波 t c s c 在稳态情况下通常运行于微调模式，在一个周期内，t c s c 的电感电流波 形相对于电容电压过零点对称，而且电容电压本身同样对称。串联电容与电感支路 构成l c 回路，因此形成环流，这是t c s c 产生的谐波电流的主要原因，但是谐波电 流对系统波形的畸变影响不大，通常的稳态情况中，尽管电容上的电压畸变率比较 大，但在测量电压中的比重较小，因此各节点的电压畸变率也很小。对于线路电流 而言，正常运行时，畸变也不会超出容许的范围。总之，在稳态情况下，继电保护 装置几乎不受谐波的影响。 1 7 华北电力大学工程硕十专业学位论文 3 2 2 动态过程的谐波 根据文献 2 2 的研究，节点电压畸变率受t c s c 的关闭或工作点的变化的影响 不大，但线路电流畸变率就会受到影响。此外，若进行工况调整，线路电流谐波会 变大，但波形畸变率均在容许的范围以内，因此不会严重臆想继电保护的性能。当 发生短路故障时，串补线路上电压畸变率和电流畸变率较大，电压尤甚。在一般线 路上，各次谐波单调衰减，而在串补线路中，各次谐波均振荡减小。 串补线路来中的可控串补线路与固定串补线路的谐波特性也有以下几方面的 不同：在相同故障点、相同补偿度的条件下，电压畸变率方面，t c s c 线路较固定串 补线路要大一些，线路电流的最大可能畸变率方面，二者的相差并不大，t c s c 线路 较固定串补线路略微大一点。波形畸变率主要来源m o v ，发生故障后t c s c 的触发紊 乱使的t c s c 电压谐波没有明显的规律，各次谐波振荡剧烈，振幅比较大，波形包 络线忽大忽小，并未呈现单调下降的现象。各次谐波的变化规律产别也很大；而不 同短路条件下f s c 线路上的衰减过程类似，电流、电压谐波衰减波动小，速度快， 一个周波内便衰减到相对稳定的水平。 尽管故障点、故障时刻及触发角等多种因素对t c s c 的各次谐波产生影响，但 这些变化相对于基波而言占得比重依旧很小。图3 3 所示为故障后t c s c 旁路与否 对线路上电流、t c s c 上电压谐波的影响变化。 ( a ) t c s c 旁路 w ll j j ( b ) t c s c 不旁路 图3 3 三相短路时线路电流波形 通过上图我们可知，t c s c 旁路与否对电流谐波成分影响不大，对比之后得出， 1 8 o o m m 华北电力大学工程硕士专业学位论文 电流中直流分量比重较大，而谐波成分比重较小。就电压而言，与是否旁路关系紧 密，旁路时电压波形中的谐波成分主要与t c s c 模块中l c 回路产生的谐振有关， 不旁路时的电压波形含有大量的高次谐波则与t c s c 的触发紊乱及m o v 的过电压 保护有关。 ( a ) t c s c 旁路 ( b ) t c s c 不旁路 图3 4 三相短路时t c s c 电压波形 3 3t c s c 的阻抗特性 3 3 1 t c s c 的稳态基频阻抗特性 t c s c 在正常情况下通常运行于微调控制模式，因此t c s c 具有容性阻抗特征。 当电流数值不大，那样m o v 就会触发，因此t c s c 的基频阻抗与通过的电流无关， 而只与触发角口有关。正常情况下t c s c 的阻抗特性如图3 - 2 所示。 在t c s c 线路上，当短路故障发生一段时间后，动态过程结束后t c s c 又将进 入稳态。若t c s c 的电容未被旁路，并且短路电流足够大，从而触发m o v ，那样t c s c 的基频阻抗的与短路电流的大小、触发角口都有关系。 3 3 2t c s c 的动态基频阻抗特性 3 3 2 1t c s c 的动态基频阻抗特性的定义及计算条件 t c s c 的动态基频阻抗指的是t c s c 在暂态运行过程中所呈现的等效基频阻抗， 1 9 华北电力大学工程硕十专业学位论文 该定义对研究t c s c 对线路保护的影响的意义十分