故障分量方向元件的电容电流补偿方案

2013-07-26姜宪国王增平张执超

华北电力大学学报(自然科学版) 2013年2期

姜宪国，王增平，张执超

(华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206)

0 引言

目前高压线路多采用基于故障分量的方向元件［1～4］构成纵联保护，如相量差故障分量方向元件、正序故障分量方向元件［5，6］以及负、零序［6～8］方向元件等。由于利用了故障附加网中的信息，使该类元件对过渡电阻、负荷电流、系统振荡等因素影响不敏感，动作灵敏，实现简单。

但是当线路处于环网结构中时，会出现外部某处故障线路两端故障分量电压相等或相近的情况。在线路分布电容的作用下，两端将流过超前于各自电压90°的电流。若线路较长，使两侧电流大于方向元件的电流门槛值，则两端正方向元件会同时启动而导致纵联保护误动。

针对以上问题，本文提出一种电容电流按比例补偿方案。比较线路两端电流幅值确定各自的补偿比例，采用线路分布参数T 模型计算补偿电流总量，从而得到线路两端各自的补偿量以及补偿后的电流值。采用补偿后的电流值构造故障分量方向元件，能够有效避免环网中故障分量方向纵联保护误动的问题。最后通过数字仿真验证该方案的有效性和可行性。

1 环网中分布电容对故障分量方向纵联保护的影响

故障分量方向元件有多种类型，常见的有向量差故障分量方向元件、正序故障分量方向元件以及负、零序方向元件等。该类方向元件所利用信息是故障附加网中的信息，以正序故障分量元件为例，其正反向动作判据分别为

环网中发生故障时的正序故障附加网 (故障点电源未画出)如图1 所示。以线路L1 为研究对象，假设环网中各元件阻抗角相等，由电路原理可知，在L1 外部故障时，总有一点会使线路L1 两端正序故障分量电压满足。此时L1 上流过的穿越电流为零，进而使和分别由两端各自电压和线路对地电容决定，均为超前于电压90°的量。由式 (1)可知，此时正序故障分量元件的正方向判据成立。若线路L1较长，且M，N 两端正序故障分量电压较高，则两端正方向元件会越过电流门槛而启动，导致线路L1 的方向纵联保护误动。

图1 环网系统的正序故障附加网Fig.1 Positive sequence additional fault network of a ring network system

2 电容电流补偿方案

线路分布电容电流会对环网中的故障分量方向纵联保护造成不利影响，若简单地通过抬高电流门槛值来防止误动则势必要降低保护的灵敏度，增加保护拒动的可能性。对此，本文提出一种电容电流补偿方案，解决分布电容产生的影响。

2.1 补偿方案实现原理

对于图1 所示环网系统，当线路L1 两端电压相等时，两端电流亦相等。除此之外，当L1两端电压不相等时线路上会有穿越电流流过，若穿越电流较小，两端保护同样能满足正方向判据，但此时两端电流不再相等。由于线路两端电流大小关系并不固定，补偿电流差动量时所采用的半补偿或全补偿方式［9，10］无法适应不同的电流分布情况，会出现过补偿或欠补偿的问题。

考虑以上因素，本文采用按比例补偿电容电流的方法，根据两端电流幅值确定各自补偿比例，并进而求取补偿量。补偿模型为线路分布参数T 模型 (如图1 中线路L1)，构造线路两端正序故障分量补偿电流分别为

式 (5)、 (6)为正序故障分量电流的补偿公式，可直接用于构成正序故障分量方向元件。对于其他类型的方向元件，只需将正、负、零三序故障分量的补偿后电流求出，然后根据方向元件需要的信息类型进行选取和组合即可。

2.2 补偿方案基本特性

式 (5)、 (6)的补偿方案是为解决环网中线路外部故障两端正方向元件同时动作而设置的，除此之外在非环网结构、仅一端正方向判据成立以及线路内部故障等情况下补偿会对保护产生不同的影响。此处仍以正序故障分量元件为例对该补偿方案在各种情况下的特性进行分析。

(1)环网中线路外部故障且两端保护正方向判据均成立。此时的相位近似相等，其和为电容电流总量。由于采用了按比例补偿的方式，使式 (3)、 (4)的值近似等于M 端和N端流入线路电容中的电流。因此从而使两侧补偿后的电流近似为零，能够可靠低于门槛，防止保护误动。

(2)环网或非环网中线路外部故障且一端保护正方向判据成立，对端保护反方向判据成立。此时判为正方向端的电流与线路电容电流的相位近似相等，而判为反方向端的电流与线路电容电流的相位近似相反。因此采用式 (5)、 (6)进行补偿后，正方向端的电流幅值将会下降，而反方向端的电流幅值将会上升，从而降低了正方向元件的灵敏度而增加了反方向元件的灵敏度，使纵联保护在区外故障时的安全性得以提高。

(3)环网或非环网中线路内部故障且两端系统均为大电源。线路内部故障时，M 端电流相位与式 (3)计算的补偿电流相位近似相等，N 端同样如此，因此采用式 (5)、 (6)进行补偿后，两侧电流会有所下降，使纵联保护的灵敏度降低。但由于两端系统阻抗较小，而线路对地容抗很大，电容补偿电流相对故障电流很小，因此造成的影响基本可以忽略。

(4)环网或非环网中线路内部故障且一端为弱馈系统。与两端均为大电源的情况不同，此时由于弱馈侧系统阻抗大，本身的故障电流小，与该值相比总补偿电流不能忽略。然而由于采用了按比例补偿的方式，弱馈侧补偿电流仅占总补偿电流的很小一部分，两端电流在补偿前后相差不大，补偿产生的影响仍然可以忽略。

3 仿真分析

3.1 仿真参数及仿真内容设置

本文利用PSCAD/EMTDC 对图2 所示500 kV电压等级的环网供电系统进行仿真。P 侧系统参数M 侧系统参数:N 侧系统参数:线路的长度分别为300 km，100 km，120 km，参数均为 Z1=0.020 83 +j0.282 2 Ω/km，Z0= 0.114 8 +j0.719 0 Ω/km，Y1= j4.053 0 ×10－6S/km，Y0= j1.643 0 ×10－6S/km

图2 环网供电系统Fig.2 Ring network system

仿真内容包括:a.区外K1 点三相故障;b.线路L3 断开，区外K1 点三相故障;c.区内中部K2 点三相故障;d.线路L3 断开，区内中部K2 点三相故障;在以上故障情况下，对线路L1两端补偿前后的正序故障分量电流进行比较，故障发生时刻为0 s，仿真时长为0.06 s。

3.2 仿真结果与分析

(1)区外K1 点三相故障时线路L1 两侧电流仿真结果如图3 所示，此时两端保护的正方向判据均成立。由图可见，在未经补偿前两端电流幅值约为250 A 和130 A，若方向元件的电流门槛低于130 A，则两侧正方向元件会同时启动而导致纵联保护误动;而按比例补偿后两端电流均接近于零，能够可靠低于门槛，从而避免纵联保护误动。

图3 K1 点三相故障Fig.3 Three-phase fault on K1

(2)图4 为线路L3 断开且K1 点发生故障的仿真结果。此时环网已经解环，M 端保护的反方向判据成立，N 端保护的正方向判据成立。由图可见，经过电流补偿后，M 端的电流幅值有所上升而N 端的电流幅值有所下降，从而使M 侧的反方向元件灵敏度有所增加，而N 侧的正方向元件灵敏度有所下降，因此补偿后纵联保护在区外故障时的安全性得到提升。

图4 线路L3 断开K1 点三相故障Fig.4 Three-phase fault on K1 with L3 disconnection

(3)区内中部K2 点三相故障的仿真结果如图5 所示。此时线路L1 两端保护的正方向判据均成立，且由于两侧系统均为强电源，正序故障分量电流较大。由图可见，经过补偿后两端的电流幅值有所下降，但由于线路容抗很大，补偿电流相对故障电流很小，因此补偿产生的影响基本可以忽略，保护仍能灵敏动作。

图5 K2 点三相故障Fig.5 Three-phase fault on K2

(4)图5 为线路L3 断开且K2 点发生故障的仿真结果。此时线路L1 两端保护正方向判据均成立，M 端为强源，电流较大，N 端为弱馈系统，电流较小。由图可见，经过补偿后两端电流幅值有所下降，但由于采用了按比例补偿的方式，强源侧补偿的电流较多而弱馈侧补偿的电流较少，两侧电流在补偿前后相差不大，使补偿对保护造成的不利影响基本可以忽略。