【线路分布电容电流补偿方案的研究案例概述综述4600字】

线路分布电容电流补偿方案的研究案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u7678线路分布电容电流补偿方案的研究案例概述 1228931.1概述 1175581.2并联电抗器补偿 193871.2.1补偿原理 1291681.2.2补偿效果 228231.3测量电压补偿 483861.3.1补偿原理 4208621.3.2补偿效果 5273121.4时域补偿 7228771.4.1补偿原理 7269411.4.2补偿效果 9178781.5补偿方案的比较 10275311.5.1补偿方案的说明 10264571.5.2灵敏性和速动性分析 1138031.5.3可靠性分析 12252231.5.4灵活性分析 14307481.6小结 151.1概述前文已分别从理论和仿真上分析了输电线路分布电容电流对纵联电流差动保护的影响，其中全电流差动保护受到的影响最大。在特高压交流工程应用中，这种影响将会严重威胁到继电保护的可靠性，需要采取可靠的电容电流补偿方法来解决该问题。本章将对目前已采用的几种电容电流补偿方案进行研究比较，确定对全电流差动保护进行分布电容电流补偿的有效方案。1.2并联电抗器补偿1.2.1补偿原理直接装设在特高压输电线路上的并联电抗器在工程上成为“高抗”，其主要作用是补偿线路容抗以平衡线路的无功功率传输和限制线路工频过电压，同时可在中性点加小电抗来抑制潜供电流。它是利用电感的感性电流补偿电容的稳态容性电流，但对暂态过程中的电容电流无能为力。此外，高抗的使用还需考虑防止谐振，因而不能完全补偿电容电流，通常采用欠补偿的方式，其补偿度为（5-1）其中，为线路全长的正序电容，为高抗的补偿容量。高抗模型如图1.1所示图1.1并联电抗器模型高抗提供的稳态补偿电流为（5-2）其中，和为高抗并联处的测量相电压和零序电压，，由式（2-6）且考虑中性点的小电抗有。1.2.2补偿效果在我国特高压输电中，高抗补偿度通常在80%-90%之间[43]，以下分析以南阳至荆门段特高压线路的85%补偿度为例，计算如下线路分布电容的总无功容量为则补偿容量为设计如表1.1所示的几种高抗补偿方案1.1高抗补偿方案M侧（南阳）N侧（荆门）方案1（Mvar）10000方案2（Mvar）500500方案3（Mvar）01000补偿的仿真结果如图1.2所示（a）空载合闸时的电容电流（b）空载运行时的电容电流（c）负载运行时的电容电流图1.2并联电抗器的补偿效果由图1.2可以看出，并联电抗器对于系统稳定运行时线路分布电容电流的补偿十分有效，可以大幅减小稳态电容电流，使在正常运行和区外故障时保护的动作量大大减小，提高了保护的可靠性。但在空载合闸的暂态过程中无法有效地补偿电容电流，保护整定值需要躲过的最大不平衡电流仍很大，对于提高保护灵敏性的作用有限。另外在各种补偿方案下，补偿后的稳态电容电流相差不大，但根据线路正常运行的补偿效果来看，方案2的双侧半补偿的效果更好。而在实际工程中，高抗的补偿容量是可控的，是随线路上潮流的变化而控制投切容量的，因此高抗补偿具有不确定性，不能作为降低保护整定值的主要补偿方式。1.3测量电压补偿1.3.1补偿原理输电线路可以用Π型等效电路来代替，此时其为一个四端口网络，可以利用算法从线路两侧的测量电流中消除电容电流，再用所计算得到的电流构成差动保护。如图1.3所示图1.3线路Π型等效电路由于受线路分布电容电流的影响，线路两侧测量电流和的相位不再为180°，故利用算法补偿后的电流和来进行保护判断。考虑到故障情况下的不对称电流，线路每侧各相的电容电流为（5-3）又由第二章可知，，则有（5-4）则两侧补偿后的电流为（5-5）式中，和为两侧的测量相电压和零序电压。1.3.2补偿效果利用第四章的参数计算得线路正序容抗，代入式（5-5）并进行仿真，结果如图1.4所示（a）空载合闸时的电容电流（b）正常运行时的电容电流（c）线路区外故障时保护的电气量图1.4测量电压补偿的补偿效果由图1.4可以看出，测量电压补偿法能够有效补偿线路的稳态分布电容电流，接近实现稳态电容电流的全补偿，使得线路在正常运行和区外故障时构成保护动作量的电容电流大大减小，可以利用较小的整定值或制动量轻松避免保护的误动，对提高保护的灵敏性和可靠性非常有利。但同样在空载合闸或故障时的暂态过程中会出现凸起的电容电流暂态分量，其中主要包括高频分量和衰减的直流分量，对这些分量测量电压补偿法的补偿效果不佳，还是只能依靠高整定值躲过。1.4时域补偿1.4.1补偿原理对于电容元件，在时域中其电流与电压间存在如下关系（5-6）可见，电容上流过的电流大小与其电压变化率成正比关系，这是电容元件的固有特性，适用于所有频率的电容电流与电容电压。因此，可以利用这种元件特性来计算线路的暂态和稳态电容电流，并进行补偿。如图1.5所示图1.5时域的线路Π型等效电路根据等效电路进行双侧半补偿，计算公式如下两侧电容电流分别为（5-7）考虑的线路分布电容正负零序参数不同，上式进一步分解，得（5-8）在工程应用中，时域中的导数可以近似用差分计算来求解，即（5-9）则两侧各相的补偿分布电容电流后的电流量为（5-10）若线路还加装有并联电抗器，还需考虑高抗的补偿作用，时域补偿算法应只用补偿剩下的电容电流。在时域中，电感元件的电压和电流的关系为（5-11）再根据图1.1的高抗模型，可计算一侧高抗补偿各相的分布电容电流为（5-12）又知中性点流过的电流，联立式（5-12）可得中性点处的电压为（5-13）电抗器补偿的电流公式化作微分方程为（5-14）则每侧各相补偿后的电流为（5-15）本文模拟的线路不超过300km，可以利用集中参数等效电路来近似模拟线路的实际情况，是属于误差允许的范围内。若线路更长时，需要考虑线路的分布参数特性，各序电纳可以参考式（5-16）进行计算（5-16）其中，为线路的传播系数，为线路的波阻抗，为线路长度。此外，还可只利用单侧电气量进行全补偿的方法，计算过程与上述相似。但与并联电抗器补偿相似，单侧全补偿的准确度不及双侧半补偿的，因此本文不予说明。1.4.2补偿效果假设线路单独使用时域补偿法进行双侧半补偿电容电流，利用第四章的线路参数可计算得线路电容为；。代入式（5-10）中，并仿真得到结果如图1.6所示（a）空载合闸时的电容电流（b）正常运行时的电容电流（c）线路区外故障时保护的电气量图1.6时域补偿的补偿效果由图1.6可以看出，无论时对暂态电容电流还是对稳态电容电流，时域补偿法都具有很好的补偿效果，基本上可以稳定实现对线路电容电流的全补偿，有效地减小电容电流构成的保护动作量，保护的可靠性高。1.5补偿方案的比较1.5.1补偿方案的说明由于实际工程中并联电抗器的容量具有不确定性，其不能作为保护中电容电流的主要补偿方案，故不参与讨论。对于测量电压补偿法，其对稳态电容电流的补偿效果极佳，可以将电容电流降到6A左右，但不能解决暂态电容电流仍较大的问题；对于时域补偿法，其从原理上可以补偿任何交流分量的电容电流，实际补偿效果也是如此。而第四章中已验证低通滤波器可以很好地消除信号的高频暂态分量，因此下文采用“测量电压补偿+低通滤波器”的方案来与时域补偿方案进行比较，以选择最佳的补偿方案。1.5.2灵敏性和速动性分析通过前两章的分析可知，全电流差动保护的整定值主由线路空载合闸时的电容电流电流大小决定。在空载合闸时，保护中产生的不平衡电流如图1.7所示图1.7空载合闸时经滤波处理后的电容电流由图1.7可已看出，两种补偿方案均能很好地降低线路电容电流，从而降低全电流差动保护的整定值。测量电压补偿方案虽然利用了滤波器很大程度地减小了电容电流的高频暂态分量，但暂态过程中仍有一些分数频分量和衰减的直流分量无法消除，导致保护的最大不平衡电流在200A左右，而采用时域补偿方案时仅在9A左右。因此，设置采用测量电压补偿方案时全电流差动保护的整定值设置为300A，而采用时域补偿方案时设置为30A。以在线路末端（k3处）经高阻性接地故障下（此时，故障电流最小）保护动作电流的大小来判断保护灵敏性。假设过渡电阻为1000Ω，仿真结果如图1.8所示图1.8线路不同运行状态下故障时保护的动作量由图1.8可以看出，两种补偿方法下，线路负载运行时保护的动作电流最小，分别为509.8A和501.2A，则有测量电压补偿方案的保护灵敏度为；时域补偿方案的保护灵敏度为。明显可见，采用时域补偿方案时保护的灵敏性要高很多，更加有利于保护的动作。此外，从图中还可发现，测量电压补偿方案中保护对于故障时动作量的反应要稍慢于时域补偿方案，是因为从原理上，测量补偿法是在稳态频域上减去电容电流，其需要至少一个基频周期的采样值用于计算。而时域补偿法是在时域上减去电容电流，其使用的微分算法可以利用实时采样的数据进行计算，速度更快，效率更高。所以，测量补偿方案不仅在暂态电容电流的补偿上无能为力，在计算的速度上也略有逊色。1.5.3可靠性分析保护的可靠性体现在线路空载合闸时不误动、区内故障时不拒动、正常运行和区外故障时不误动。其中，正常运行和区外故障时在前文两种补偿法的补偿效果中已经展示出保护的制动量大于制动量，这两种情况下保护均能可靠不动作，因此本节不再重复说明。同样以线路末端高阻接地故障为例，仿真结果如图1.9所示（a）空载合闸时（b）合闸于故障线路（c）空载线路区内故障时（d）负载线路区内故障时图1.9保护的动作情况由图1.9可以看出，在线路空载合闸于正常线路或故障线路、空载线路区内故障时，采用两种补偿方案的全电流差动保护均能正确判断。只有在负载线路区内故障时会发生保护拒动的情况，这是负荷电流导致保护制动量过大的结果，是全电流差动保护的缺陷，需要靠故障分量电流差动保护来进行正确动作。因此，就仿真结果而言，使用两种补偿方案的保护可靠性相同。1.5.4灵活性分析从前两小节的分析可知，时域补偿方案在各种运行情况下均能有效降低线路电容电流在全电流差动保护中形成的动作量，十分理想地到达了降低保护整定值以提高灵敏性的补偿目的。其单独使用的效果极佳，但考虑到实际工程中仍有在线路上并联高抗以抑制工频过电压的需求，在应用时域补偿方案时还需要考虑在线路带有高抗时方案的灵活性。在加装有补偿度为85%的并联电抗器时，假设高抗补偿方案为方案2，则可计算每侧每相的并联电抗器电感为，设置在中性点串接的小电感为。代入式（5-14）中并进行仿真，结果如图1.10所示图1.10考虑高抗的时域补偿方案的效果由图1.10可以看出，时域补偿法与搭配联电抗器补偿一起对线路分布电容电流进行补偿时，补偿效果依旧非常明显，几乎实现了全补偿。是因为时域补偿的算法可以根据并联电抗器的补偿容量调整时域补偿的补偿量，在随线路潮流变化而对并联高抗进行投切时，时域补偿方案仍可以对电容电流进行精确且稳定的补偿。仿真虽然采用严格的高抗半补偿方式，但实际线路仍可以根据两侧不同的补偿容量按时（5-14）对两侧保护的电流量进行不同程度的补偿，同样可以得到相似的结果，本文不再展示。可见，时域补偿方案不仅可以满足保护的灵敏性、速动性和可靠性要求，还保证了线路运行状态调整的灵活性要求。1.6小结本章针对线路分布电容电流造成全电流差动保护整定值过高的问题，介绍并仿真分析了并联电抗器补偿、测量电压补偿和时域补偿三种电容电流补偿方法的补偿效果。结果表明，并联电抗器补偿在线路稳态时有效果，但因其补偿度的不确定，不能单独使用。而测量电压补偿和时域补偿都可以保证保护