（电力系统及其自动化专业论文）故障分量方向保护在串补线路中的应用研究.pdf

s t u d yo fd i r e c t l o n a lr e l a yb a s e do nf a u l t c o m p o n e n t su s e dl ns e r i e sc a p a c i t o r c o m p e n s a t e dl l ne s a b s t r a c t s e r i e s c a p a c i t o rc o m p e n s a t i o ni n c l u d i n g f i x e ds e r i e s c o m p e n s a t o r a n d t h y r i s t o r - c o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o rh a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sm e r i t sa sf o l l o w ： i n c r e a s i n gt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t y ，e n h a n c i i n gt h ev o l t a g ea n dt r a n s i e n ts t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e m ，r e g u l a t i n gp o w e rf l o wf l e x i b l y ，r e s t r a i n i n gl o w - f r e q u e n c ys y s t e mo s c i l l a t i o na n d s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ，e t c h o w e v e r ，s o m ep h e n o m e n as u c ha sv o l t a g ei n v e r s i o n ， c u r r e n ti n v e r s i o n ，l o w e r - f r e d q u e n c yt r a n s i e n tc o m p o n e n t sa r ec r e a t e dw h e ns e r i e sc a p a c i t o r s a r ei n s t a l l e do nt r a n s m i s s i o nl i n e s t h u si th a sar e m a r k a b l ee f f e c to ns e c o n d a r ys y s t e m ， e s p e c i a l l ye f f e c to no p e r a t i o nc o n d i t i o n sf o rt h er e l a y s i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i ct h e o r yo fs ce q u i p m e n ti sf i r s t l yi n t r o d u c e d ，a l ls o r t so ff a c t o r s w h i c ha f f e c tt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o na s s o c i a t e dw i t hs e r i e s c o m p e n s a t i o na r ep u tf o r w a r da n da n a l y z e d ，a n dp e r f o r m st r a n s i e n ts i m u l a t i o ns t u d yo nt h e s e i n f l u e n c ew i t hr t d s t h i sp a p e ru s e d s u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e ，d e d u c et h ed e t e r m i n a n t c r i t e r i o na n da l g o r i t h mo ft h ed i r e c t i o ne l e m e n tb a s eo n p o s i t i v e - s e q u e n c e f a u l t c o m p o n e n t t h e np e r f o r m st r a n s i e n ts i m u l a t i o ns t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo fd i r e c t i o n a l p r o t e c t i o n w h e na p p l i e dt os e r i e s c o m p e n s a t e dl i n e s e x p e n s i v er t d ss i m u l a t i o nt e s t s i n d i c a t e dt h a t ，p r o v i d e dt h a tt h es o u r c ei m p e d e n c eb e h i n dt h er e l a yi si n d u c t i v e ，t h er e l a yc a n m a k ec o r r e c to p e r a t i o n r t d ss i m u l a t i o nt e s t sa l s oi n d i c a t e dt h a ti ft h es o u r c ei m p e d a n c eb e h i n dt h er e l a yi s c a p a c t i v ea n d t h ev o l t a g ei sg o tf r o mt h eb u ss i d e ，t h er e l a yc a nm a k ec o r r e c to p e r a t i o n b u t ， w h e nt h ev o l t a g ei sg o tf r o mt h el i n es i d e ，t h er e l a ym a yw o r ki m p r o p e r l y d i r e c t i o n a lr e l a y s c a no p e r a t ep r o p e r l yw h e ni ti sc o m p e n s a t e db yv o l t a g e s c h e m e sf o r e n a m e dh a v eb e e n v e r i f i e db yr t d ss t i m u l a t i o n k e yw o r d s ：s e r i e sc o m p e n s a t e dl i n e s ；d i r e c t i o n a lr e l a y ；p o s i t i v es e q u e n c ef a u l t c o m p o n e n t ；d i r e c t i o n a le l e m e n t ；v o l t a g ec o m p e n s a t e d ；r t d s i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经 发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：辟够掏 沙7 | 年6 月孑寸e l 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 叼即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作姊包掏翮签名耘2 卯节莎胁日 广西大学硕士掌位论文故障分量方向保护在串补线路中的应用研究 致谢 在本论文的研究工作即将结束之时，怀着无限感激之情，我谨在此表达如下 谢意： 首先我要衷心感谢我的导师谭建成教授。谭老师无论从论文的选题、文献查 阅还是到课题研究，都给予本人细心指导。我取得的每一点成绩和进步都倾注了 谭老师的心血。谭老师严谨的治学态度、渊博的学识，以及多年的实践经验都使 我受益匪浅。 特别感谢电气学院，学院给我的论文研究工作提供了具有国际先进水平的实 验设备。 同时，我也要感谢梁志坚老师、古斌师兄、张超师兄和同门周笛同学以及其 它实验室的师兄、师姐及同班同学，与他们的交流和探讨使我得到了不少课题研 究的启发。在此向他们表达我的谢意。 最后，特别感谢我的父母，正是他们的全力支持和关心理解，使我得以顺利 完成论文的研究工作。 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立完成研究工 作所取得的成果。据我所知，文中除已经标明引用的内容以外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：驻丝掏日期 6 5 广西大学硕士学位论文故障分量方向保护在串补线路中的应用研究 1 1论文的研究意义 第1 章绪论 随着电力需求的不断增长以及电力体制改革不断深入，同时在环境问题日益 严峻和石油等常规能源不断减少等因素影响下，大容量远距离输电技术的应用对 于现代电力系统来说迫在眉睫。近年来，国内外一些输电工程中采用了一些提高 输电能力的技术和措施，比较典型的如串联电容补偿技术、高压直流输电技术、 紧凑型输电技术、动态无功补偿技术和大截面导线技术等。在电力电子技术以及 自动化技术的飞速发展下，串联电容补偿技术应运而生，是一种提高输电系统传 输容量、改善系统稳定性的成熟并且经济有效的技术手段，在电力系统中已有7 0 多年的应用历史j 。 串联电容补偿( s e r i e sc a p a c i t o r ) 分为固定串联电容补偿装置( f i x e ds e r i e s c a p a c i t o r ) 和可控串联电容补偿装置( t h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r ) 。串 补装置利用串联电容器的容性阻抗，补偿输电线的部分感性阻抗，使得发电机组 间电气距离缩短，同步力矩增加，达到改善系统稳定性，减少功率输送引起的电 压降和功角差，从而提高电力系统稳定运行水平，扩大线路输送容量，提高网络 实际输送能力。t c s c 装置是在f s c 的基础上增加了一个由晶闸管控制的电感回 路，通过产生一个加在电容上的可以控制的电流，来改变电容器的外部等效阻抗； 也就是通过对晶闸管的触发角的控制来完成对串联补偿电容的平滑调节以及相 应的控制。可控串补技术是灵活交流输电系统( f a c t s ) 中的一种，采用可控串 补可以进一步提高电网的输电能力和电力系统稳定性，优化系统潮流分布，抑制电 力系统低频振荡和次同步谐振。采用串联电容补偿技术带来的经济效益也非常明 显，常规串联电容补偿的造价通常不到架设一条新的输电线路造价的1 0 “j l 4 j 。 串联电容补偿技术可以说是一项比较成熟的技术，在电力系统中已经应用多 年。l9 2 8 年，美国的纽约的3 5 k v 电网最早将串联电容补偿技术投入实用。随后 在1 9 5 0 年，瑞典a l e t e r 变电站建成并投运了世界上第一个2 2 0 k v 串补站。1 9 6 4 年，瑞典h l a v e r o 的3 8 0 k v 电网首次引入串补技术。之后，串补技术逐渐应用于 超高压输电系统。19 6 8 年美国太平洋公司开始尝试在5 0 0 k v 电网中采用串补技 术。1 9 8 9 年，巴西电网建成并投运了世界上第一个8 0 0 k v 串补站。2 0 世纪9 0 年 代，在f s c 基础上发展起来的t c s c 技术逐渐被国外的超高压电网所采用。1 9 9 1 广西大掌硕士学位- g e 文故障分量：6 - 向保护在串补线路中的应用研究 年美国电力公司首先将世界上第一个可控串补装置应用于3 4 5 k v 电网的k a n a w h a r i v e r 变电站。 我国从2 0 世纪五十年代起开始研究串补技术的工程应用，六七十年代分别 应用于部分2 2 0 k v 和3 3 0 k v 系统来提高系统的稳定性和线路的输送能力。直到 九十年代中期，串补技术发展成熟以后，又重新将串补技术应用于超高压输电线 路上。据统计资料表明，在全世界的电力系统中，目前为止已投入运行的串补工 程大约有2 0 0 个，其中有大约5 0 的串补工程在美国和加拿大。串联电容补偿由 于明显的技术和经济优势，在将来的世界各国超高压输电系统以及国与国之间的 区域性电网互联中仍将具有十分广阔的应用前景 6 1 - 1 0 。 这样大规模的串补工程建设与投入运行，不仅是对输电系统一次设备的一次 技术革新，也是对二次系统，特别是原有继电保护能否胜任串补线路的一次重大 考验。串补装置的引入，改变了线路参数沿线分布的均匀性；串补本体保护在故 障时的动作，又不可避免的改变了线路的结构参数，从而增加了继电保护装置判 断故障的难度以及复杂性l j 儿川。因此，深入研究串补线路继电保护的理论与技术 问题，就成为了目前电力系统继电保护面临的一个新挑战。 1 2 串补技术及其对线路保护影响的研究现状 串补装置应用于超高压输电线路上，改变了线路参数沿线分布的均匀性，使 得在串补安装位置出现了电气量参数的跃变点：串补本体保护的动作，又使得线 路故障时出现了变结构与变参数现象。正是因为这些因素的存在，导致了串补线 路特有的故障特征即电流反向、电压反向和低频暂态分量现象，从而不可避免的 增加了继电保护系统故障判断的难度。 随着串补装置在输电线路中的广泛应用，世界各国的电力运营商、电力设备 制造厂商、大学等研究机构对适用于串补线路的继电保护展开了大量的研究和试 验工作。国内外学术界的研究热潮主要在集中在2 0 世纪9 0 年代。对串补装置的 研究主要是对f s c t c s c 数学模型、串补工作原理和串补本体保护装置、以及在 电网运行过程中的动态特性等。继电保护系统在串补线路中的动作特性研究主要 包括串补线路故障时的故障特征研究，串补影响线路保护正确动作的原因分析和 仿真计算。 文献【1 l 】阐述了串补装置的引入给常规保护带来的影响。主要内容包括对距 离保护、距离纵联保护、方向保护、电流差动保护的影响，通过分析各种保护的 优缺点，指出了串补线路保护选型注意事项。此外，文章还介绍了国内外串补线 2 广西大学硕- a z 掌位论文故l w - 分4 1 - ：6 - 向保护在串补线路中的应用研究 路保护研究的一些情况。 文献 12 】针对串补装置对工频故障分量保护的影响做了研究。对于工频故障 分量距离保护，指出其应用于串补线路时的主要问题在于，线路正向末端故障时， 保护动作具有不确定性。 文献 13 】对串补装置在超高压输线路上的运用进行研究分析，主要内容包括 串补装置带来的影响、串补本体的保护装置，电压反向和电流反向、低频暂态过 程分析、互感器位置对保护动作特性的影响、保护方案综合比较分较以及对串补 保护方案的评估方法。 文献 1 4 1 针对加拿大o n t a r i o 水电系统的串补装置改造工程，对其串补线路以 及相邻线路的距离保护进行测试和评估。利用r t d s 和e m t p 构造与实际系统 等值的数字仿真模型，对串补线路及其相邻线路的距离保护进行评估和测试，并 对现有保护进行系统的仿真计算，得出了工程计算结果与定值调整方案。 文献【l5 1 3 0 用改进的对称分量法计算了串补电容不对称击穿情况下，线路各 相阻抗元件的测量阻抗，然后定性地分析了串补电容不对称击穿情况对三段式接 地距离元件产生的影响。 类似的关于串补装置的引入对线路保护的造成的影响分析，还可以在文献 【1 6 1 - 2 0 】中找到。 上述文献的研究，主要是从系统稳态分析的角度触发，对串补本体保护的动 作特性，一般分只分为旁路或者不旁路两种状态进行讨论，而忽略了氧化锌非线 性电阻( m o v ) 的动作。 针对实际串补工程的保护装置研究也随之展开。文献【2 l 】主要介绍了我国大 房5 0 0 k v 双回线路加装串补电容后继电保护系统的改造情况，研究了目前线路上 投运的日本三菱公司距离保护装置( 型号m c d h ) 以及美国通用电气公司的 a l p s 型距离保护的运行情况，以外还介绍了上述两套保护应用于串补线路时所 采取的改进措施。 文献 2 2 】对我国阳淮线5 0 0 k v 串补工程进行仿真研究，仿真设置中考虑了阳 淮串补线路的实际一次系统、互感器c t 和c v t 、各种继电保护装置，并对不同 故障类型和不同故障点情况下保护的动作特性进行了仿真计算。 文献 2 4 1 针对阳淮5 0 0 k v 串补工程，详细分析了串联装置对线路保护的影响。 主要讨论了对距离保护，方向保护动作情况的影响。还分析了几种典型的保护装 置在串补线路中的动作特性。 文献 2 5 1 针对加拿大h y d r o q u e b e c 串补线路，采用r t d s 仿真系统，对各 种线路保护装置进行了闭环测试，比较了不同保护装置的优缺点。文章对各种故 障类型进行了仿真实验，记录了不同故障情况下线路的电流、电压情况，对各种 情况进行了保护装置动作特性的测试，重点对方向保护、距离保护、电流差保护 3 广西大学硕士掌位论文故障分 l - 方向保护在串补线路中的应用研究 进行了测试，并给出了的测试与评估结果。 上述针对具体串补工程的研究与分析，大都采用电磁暂态仿真计算或利用 r t d s 仿真的方法，其所得的结果与实际工程较为接近。 除了对保护原理进行深入研究外，针对具体保护装置的分析研究也逐渐成为 研究重点。其主要目的是通过这方面的工作来指导实际保护装置的运行与保护的 选型。 文献 2 7 针对目前电力系统中广泛采用的南瑞l f p9 0 0 系列微机成套保护， 对其在串补线路上应用的可行性进行了深入研究。分析比较了当保护背后系统等 值阻抗z s 大于和小于串补容抗z c 两种情况下，保护的动作情况，同时还讨论了 保护电压分别取自母线侧和电容器后的线路侧两种不同方案的优劣。 文献 2 8 分析了装设串补电容的同杆并架双回线上的方向保护的动作特性， 推导了保护安装处系统等值电源阻抗的计算方法。文章通过分析表明，在电容器 出口发生短路故障时，那么线路对侧的方向保护在高阻接地故障时可能发生判向 错误，出现拒动情况。 文献【2 9 针对应用与串补系统的距离保护进行研究，对各种采用极化记忆量 的阻抗元件进行分析比较。文章表明姆欧继电器应用于串补系统时，其动作特性 与系统结构、线路负荷、电压互感器安装位置密切相关。 总的来说，目前在串补线路上所使用的保护装置，基本都是以传统保护作基 础，再进行局部改造而来，目前主要的技术措施包括： 1 、保护选型上的措施。通过对各种传统线路保护装置进行分析比较，总结 各自的优缺点，选出受串补影响较小的保护原理。如目前串补线路普遍采用的电 流差动原理。 2 、原理改造上的措施。主要指结合前面的研究成果，对目前的保护原理进 行改造。对于距离保护，主要采用带极化记忆量的阻抗元件。 3 、定值选取上的措施。主要也是针对距离保护而言，对于其i 段的保护范围 整定，按补偿后的线路全长阻抗进行考虑，可以杜绝决大多数正向区外故障的超 越问题。 1 3 论文的主要研究内容 本课题借助具有世界先进技术的实时数字仿真系统( r e a l t i m ed i g i t a l s i m u l a t o r ，简称r t d s ) 进行研究。该仿真系统具有与p s c a d 或e m t p 相似的 模型算法内核，利用独立的多处理器并行实时计算，仿真结果真实有效并具有高 度实时性，对于研究时间精度要求较高的继电保护装置有很大的实际意义。 4 广西大学硕士掌位论文 故障分量：6 - 向保护在串补线路中的应用研究 本文主要的研究内容和拟解决的关键问题如下： 1 对串补线路给线路保护带来的影响进行详细而全面的理论分析，并进行仿真 验证： 2 搭建由正序故障分量方向元件构成的方向纵联保护仿真模型以及串补线路仿 真模型； 3 应用r t d s 对方向保护在串补线路中的动作特性进行仿真研究，特别对串补 引起的电压、电流反向情况下保护的动作特性进行研究。 4 对电流反向情况下，方向保护在正向故障拒动的情况进行分析。采用电压补 偿措施进行纠正，仿真验证该措施的可行性。 5 广西大掌硕士掌位论文 故障分t l - 方向保护在串补线路中的应用研究 2 1 引言 第2 章串补装置对线路保护的影响 串联电容补偿技术运用于超高压输电线路，能够减小输电线路电抗，缩小线 路之间的电气距离，因此是一种经济且有效的提高电力系统运行稳定性的技术手 段。 在忽略线路损耗的条件下，线路输送的静态稳定有功功率p 由下式确定： 尸：u s u r s i n & ( 2 - 1 ) 义 式中：u s 是送端母线电压幅值，u r 是受端母线电压幅值，6 是送、受两端母 线电压之间的相位差，x l 是输电线路的感抗。 在线路中串联容抗为x c 的电容补偿后，线路输送的静态稳定有功功率p c 为： 只：訾( 2 - 2 ) ，1 一1c 比较式( 2 一1 ) ，( 2 2 ) ，可以看出增加串联电容器后，在同一角度6 下，串补线 路的传输功率增加了i j 专i 倍。令磁2 詈， k c 为串联电容补偿度，一般实 际工程中为2 5 7 5 。 在一个系统的输送功率大致不变时，由于串补装置的引入，输电线路两端电 压相角差减小，提高了系统的抗扰动能力。当系统发生故障时，串补电容的m o v 保护将电容器组短接，从而限制了短路电流；故障消除后电容器重新投入运行， 将系统摇摆角限制在一定范围，提高了系统的暂态稳定性【4 1 。 和f s c 相比，t c s c 增加了t c r 串联电抗器支路。t c s c 装置可以根据系统 的不同运行情况，在一个较大范围内快速、连续地调节线路电抗，从而达到快速、 连续地调节线路传输功率的目的。因此，可控串联补偿装置可以进一步提高系统 的暂态稳定极限；在一定程度内减小次同步振荡和功率振荡；抑制次同步谐振； 减小故障电流并控制系统中枢点电压f 2 1 。 串补技术在电力系统中的应用，在实现这些功能的同时，也不可避免的破坏 了线路阻抗的均匀性，特别是在线路发生故障时的暂态过程，会给继电保装置判 断故障增加一定的难度。如果不采取一些措施，那么在某些情况下，保护的速动 性和选择性就得不到满足【1 1 1 。本章从串补装置的结构出发，在分析串补装置的基 6 广西大学硕士掌位论文故障分量方向保护在串补线路中的应用研究 本结构以及m o v 的工作特性之后，简要的分析串补电容给输电线路带来的影响 以及对线路保护产生的不良影响。 2 2 串补装置简介 2 2 1 固定串联电容补偿装置( f s c ) 固定串联电容补偿装置的单相电路原理图如图2 1 所示。 b k ( b ) c ：电容器组 m o v ：氧化锌限压器 g a p ：触发放电间隙 d ：阻尼回路 b k ：旁路断路器 图2 1固定串联补偿( f s c ) 装置电路原理图 f i g 2 1 t h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mo ff s c 目前串补装置中广泛地使用氧化锌非线性电阻( m o v ) ，作为电容器组的暂态过电 压保护，如图2 1 所示。m o v 是一个非线性电阻元件，它的主要成分是由氧化锌，一 般具有较稳定的电压以及能量特性。在系统正常运行时，m o v 是不导通的，当线路发 生短路故障，流经电容器的电流就会增加，从而引起电容器两端电压的升高。当其电压 接近整定值时m o v 迅速导通，这样就阻止了电容器两端的电压继续升高。当m o v 吸 收的能量超过设定值时，放电间隙会立即击穿，将m o v 短接以起到保护作用。 除m o v 过电压保护外，f s c 的本体保护还包括电容器过流保护、电容器不平衡保护、 m o v 过流保护、放电间隙保护、平台闪络保护、旁路断路器失灵保护等1 4 j 。 2 2 2 可控串联电容补偿装置( t c s c ) t c s c 装置主要结构包括以下几个部分：串联电容器c 、旁路电抗器l 、并 联双向晶闸管t c r 、氧化锌非线性电阻m o v 、阻尼回路d 、旁路断路器b k 、测 量控制和触发回路、其它辅助设备。t c s c 的电路原理图如图2 2 所示。 7 广西大掌硕士学位论文故障分量方向保护在串补线路中的应用研究 b k 图2 2 可控串联补偿( t c s c ) 装置电路原理图 f i g 2 2 t h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mo ft c s c 与固定串补装置相比，可控串补装置设置了一个与电容器并联的晶闸管支 路。可控串补技术利用不同的晶闸管触发角完成对电容器的控制，即旁路、投入 和部分调制三种状态。t c s c 装置具有增加系统传输能力，提高系统暂态稳定性， 控制系统潮流等功能。 串补线路发生故障时，特别是当短路水平较高，短路电流会非常大，电容器 两端电压迅速升高，当m o v 能量积累值大于设定的门槛值后，t c s c 装置的控 制回路会迅速将t c r 的触发角变为9 0 0 ，即由微调方式转换成旁路方式运行，这 时t c r 处于完全导通状态，这样t c s c 即从容性的高电抗转变成感性低电抗。当 流经t c r 的电流达到整定值时，旁路断路器闭合，使t c s c 退出运行。 2 2 3 串补装置特性小结 串补装置最常见的三种工作方式如下： ( 1 ) 线性方式：电容器两端的电压小于m o v 保护级电压，串补装置可以认为是 一线性电容器； ( 2 ) m o v 导通方式：电容器两端的电压大于m o v 保护级电压，m o v 导通，串 补装置的容抗减小； ( 3 ) 旁通方式：瞬时触发间隙导通( f s c ) 或触发晶闸管( t c s c ) 将串补装置工 作于旁路状态。m o v 导通时间过长，其吸收的能量超过限值时，也将触发串 补装置旁路。 2 3串补装置对线路保护的影晌 串补装置的存在破坏了输电线路阻抗的均匀性，由于其是一个集中的负电 8 广西大学硕士掌位论文故障分量方向保护在串# 1 - 线路中的应用研究 抗，使电压、电流的相位关系发生了变化，从而对保护的运行产生了影响。一般 来说，串补装置位于线路中间对保护工作较为有利，但串补站位于线路中间会导 致运行维护不方便，且不易在故障时实行强补。装于线路的一端或两端运行维护 方便，但对保护的影响较大，我国一般采用装在输电线路一侧的方法。给线路保 护造成的影响描述如下。 2 3 1 电压反向 图2 3 为分析用串补等值系统示意图。 图2 3 串补线路等值系统图 f i g 2 3e q u i v a l e n ts y s t e mc i r c u i to ff s ct r a n s m i s s i o nl i n e s 根据不同的故障情况，电压反向现象也有所不同，下面首先分析情况l ：f 3 处发生三相短路，此时： l = 面j 丢丽 2 3 7 吃= 老箸尚瓦2 赫厶 弘4 ， 若= j ( k x l 刊 ( 2 - 5 ) 当 o 6 鼍就可以出现电压反向，在系统中是比 j 较容易出现的。 1 2 广西大掌硕士掌位论文 故障分量7 5 - 向保护在串补线路中的应用研究 图2 9 区外故障电压分布 f i g 2 9v o l t a g ed i s t r i b u t i o no ft h ee x t e r n a lf a u l t r t d s 仿真仍然采用图2 3 所示的系统接线图，线路参数保持不变，补偿度 5 0 ，母线2 背后发生金属性单相接地，故障角3 0 度，仿真结果如图2 1 0 所示。 图2 1 0 区外故障电压、电流波形 f i g 2 10 v o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r mo ft h ee x t e r n a lf a u l t 仿真结果都取a 相观察，n 13 为电容线路侧e g e , ，即吃，n 16 为母线3e g 玉, ， 即或，i m a 保护4 测得的电流( 放大5 0 倍) 。由图可以看出吃的相位与或相反， 电流i m a 滞后吃，距离保护4 ( 采用线路电压吃) 反向向测量阻抗为感性，造成误 动。 由上述仿真结果可以看出，电压反向与串补电容的容抗大小及故障地点、系 统结构参数密切相关。串补度越大，故障点距串补安装处越近，出现电压反向的 可能性越大。电压反向将使距离继电器测量到的阻抗性质发生变化，造成距离保 13 f - 西大掌硕士学位论文故障分量方向保护在串补线路中的应用研究 护动作不正确，图2 3 中距离继电器3 在区内f 3 点故障、继电器4 在区内f 2 点 故障时拒动，继电器4 在方向fl 点失去方向性而误动。因此，电压反向不仅影 响串补线路上的保护，还将影响相邻线路的保护。 2 3 2 电流反向 串补线路虽然输送功率很大，但受端系统容量更大，一般都会出现电容器的 容抗大于受端系统等效电源阻抗的情况。这样在线路末端电容器前短路时受端系 统将送出容性短路电流，称为“电流反向”【5 0 1 。 还是采用图2 3 所示的系统接线图，在本线f 3 点发生故障，此时： l = j ( x u - x 立c 一+ k x l ) ( 2 - 8 ) 当k 扎+ 时，故障电流厶超前瓦，即发生了电流反向。此时电容器 两端的电压： 吲= 1 - ( x a ，+ l k x l ) x c 酬 圪一 ( 2 9 ) 电容器必然被旁路，因此不会发生电流反向的现象。但是在上述情况下发生 高阻接地( 过渡电阻为r ，) 故障时， 屯= j ( x m - x 监c + l k x l ) + r ( 2 - 1 0 ) 当过渡电阻较大时，m o v 不能导通，有可能发生电流反向现象，当过渡电 阻较小时，m o v 迅速导通，串补装置的等效容抗减小，则不会发生电流反向。 显然，出现电流反向的前提条件是串补容抗值大于其背后的系统总阻抗值，还与 故障点位置密切相关。 对应上述条件，还是采用图2 3 所示系统图，选择适当参数进行r t d s 仿真 实验。这里为了满足电流反向发生的条件，设定k - - 0 1 则满足l 乙+ i 致，在线路f 3 处发生单相高阻接地，串补度5 0 ，故障 角9 0 度，就会出现电流反向。 1 4 广西大掌硕士学位论文故障分量方向保护在串补线路中的应用研究 图2 1 1 母线电流波形比较 f i g 2 11c o m p a r i s o no fc u r r e n tw a v e f o r ma tb u s - b a r 图2 1 2 母线电压、电流波形比较 f i g 2 12c o m p a r i s o no fv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m i a 3 代表母线2 处电流，i a 4 代表母线3 处电流，都取a 相观察，由仿真结 果图2 1 1 可以看出，两侧母线电流在故障期间相位相反，与故障前相同。观察图 2 1 2 ，母线3 处的电流超前电压，即向故障点送出容性电流。即发生了电流反向。 这个时候距离保护3 的测量阻抗为容性，会发生拒动。 随着故障位置的改变，电流反向的程度会明显减轻。下面给出故障点逐渐远 离串补电容的仿真实例。 1 ) 线路2 0 处单相接地。 ，、_ 、 ，、 ，0 | 7 l lf 一一 k 乒 厂 、y 广r v k vv v o mo , n 8 9 1 3 5 y i e m龟0 l l 帕( 码i s i - m l _ 、 1 _ ，、八 ，、 _ 飞队肌风，7， 量 ￥心!u? , 4 4 c v 1 | + - 啊 v v 。_ mo , p 40 0 1 ” 图2 1 3 线路2 0 处单相接地 f i g 2 13s i n g l e p h a s eg r o u n df a u l to nt h e2 0 o ft h el i n e 1 5 广西大掌硕士掌位论文故障分量方向保护在串补线路中的应用研究 2 ) 线路3 0 处单相接地 图2 1 4 线路3 0 处单相接地 f i g 2 1 4s i n g l e - p h a s eg r o u n df a u l to nt h e3 0 o ft h el i n e 3 ) 线路5 0 处单相接地 图2 1 5 线路5 0 处单相接地 f i g 2 15s i n g l e - p h a s eg r o u n df a u l to nt h e5 0 o ft h el i n e 从上述仿真结果可以看出，随着故障距离的增大，两侧电流的相位差逐渐减 小，故障距离增大到线路5 0 处时，电流反向已不再发生。出现电流反向的前提 条件是串补容抗值大于其背后的系统总阻抗值，此外还与故障点位置密切相关， 越靠近串补电容，越容易发生电流反向。另外，若串补电容安装在线路中点，则 电流反向也不容易发生。电流反向对线路保护的影响更为复杂，目前主要是从一 次系统的设计上考虑，尽量避免出现这个问题。 2 3 3 暂态低频分量 串补电容改变了原来输电线路的结构参数，即由r 、l 等值电路变为r 、l 、 c 等值电路，从而在线路故障时，不可避免的在系统中系统引入了低频暂态分量。 特别是在线路故障时，串补装置中的m o v 是否导通，放电间隙击穿与否，是否 不对称击穿，使串补线路中的低频分量具有不确定性和复杂性。 1 6 广西大学硕士掌位论文 故障分量方向 w x 护在串补线路中的应用研究 如图2 3 中f 3 点发生故障时，求n 侧电流0 ( f ) 的解析式。令 r = l + l + 心。，l = 。+ 刖l + l u l ，于是可得r 、l 、c 串联电路方程 r 式( ，) + 三掣+ 石1n ( ，) 西= 邑s i n + a ) ( 2 - 1 1 ) 其中，es i n ( c o t + a ) 为n 侧电源故障回路的电动势。用相量法求解i n ( t ) 的稳态分 量0 。( ，) ，为 其中，l 知( f ) = ls i n o t + a 一妒) 一 生 一踊 一上 ，妒= a r c t g 等。 再用特征方程法求得暂态分量焉( ，) ( 2 - 1 2 ) 焉( f ) ：厨s i n ( 吖+ p ) p 百i ( 2 - 1 3 ) 其中，彳= 岳s i n a l 高c o s c 口刊+ 壶s i n ( a - c p ) ，一埘n c ， li l- j 8 = a r c 留三，五= 百2 l ，为暂态电流衰减时间常数，是非周期分量电流衰减时 间的两倍。铷庄，为暂态电流的角频率。最后，得到 k ( f ) ：i , s i n ( c o t + a 一妒) + 厮s i n ( c o o t + 0 ) p 1 ( 2 1 4 ) 由此可见，串补线路的短路电流中含有角频率为的暂态分量，由于k 置，所 以称为低炳分量。 2 4 小结 本章首先阐述了f s c 和t c s c 装置的基本结构及其工作原理。然后对串补装 置给系统带来的电压反向、电流反向和暂态低频分量问题，分别进行了概念描述 和详细的理论推导和分析，并且结合具体的r t d s 仿真实例说明这些问题对线路 保护产生的影响。 1 7 广西大学硕士掌位论文 故障分4 1 - 方向保护在串补线路中的应用研究 3 1 引言 第3 章故障分量方向保护原理介绍 方向元件在现代继电保护装置中占有重要的地位，从简单的方向性过电流保 护到复杂的超高压线路快速主保护中，都得到了广泛应用。 传统的方向元件通常按9 0 度接线法使用，这种接线法虽然在不对称短路时 无电压死区，但在三相短路时仍有电压死区，且其特性受故障点过渡电阻的影响。 在方向比较式纵联保护和方向性零序保护中使用的负序和零序功率方向元件实 质上是反应故障分量的，但由于负序和零序分别是在不对称和接地短路时出现的 故障分量，有一定的局限性，因此他们不能反应三相对称故障 6 0 】。 故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础，而故障分量是故 障信息的具体体现。近年来，随着微机保护的发展，故障信息识别、处理、利用 的手段和方法得到了极大地发展。反应故障分量的继电保护在电力系统中得到了 广泛应用。反应故障分量的继电保护相比传统保护有较大的优点，从原理上讲， 它不受正常负荷状态、系统振荡的影响。其中反应故障分量的方向元件具有明确 的方向性，且不受过渡电阻的影响也无电压死区，在超高压输电线路上获得了广 泛应用【6 2 1 。 3 2 故障分量方向元件基本原理 3 2 1 故障分量定义 任何设备发生故障时必然有故障信息出现，我们把表示故障信息的电气量称 为故障分量。按信息的性质分，故障信息可分为电气量和非电气量。按信息的用 途分，故障信息可分内部故障信息和外部故障信息两类。按信息的作用分，可分 为有用信息和无用信息。有用信息和无用信息是由保护的原理及技术要求决定 的，对于某一种保护有用的信息可能对另一种保护无用【3 引。 故障信息虽然由故障产生，但也存在着许多来源于非故障产生的信息，它们 看上去与故障信息非常相似，很难把他们与故障信息区分开。例如系统振荡下测 量阻抗的变化，合空载变压器产生的励磁涌流以及断路器三相不同期合闸产生的 负序和零序分量。 故障分量是故障信息在电气量上的具体体现，因此，故障分量可以定义为在 1 8 广西大掌硕士学位论文故障分-