（电力电子与电力传动专业论文）具有串补电容输电线路距离保护的研究.pdf

山东理t 人学硕l ：学位论文 目录 a b s t r a c t s e r i e sc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rc a l ls h o r t e nt i l ee l e c t r i c a ld i s t a n c eo f 纽a i l s m i s s i o nl i n e s ； i m p r o v et h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m w h e r e a s ，m ei n t r o d u c t i o no fs e r i e sc o m p e n s a t i o n c a p a c i t o rb r i n g sn e wf o l l o w i n gi s s u e sa j l de 1 1 1 1 a j l c et h ed i m c u h y 锄dc o m p l e x i t yo ff a u l t j u d g m e n ti nt h ep o w e rs y s t e mr e l a yp r o t e c t i o n t h ew o r ko ft h i sp 印e ri st 0a 1 1 a l y z et h e i n n u e n c em es e r i e sc o m p e n s a t i o nc 印a c i t o rb r i n g st oi m p e d a n c ed i s t a i l c ep r o t e c t i o n ， z e r o s e q u e n c ed i s t a n c ep r o t e c t i o na n dp o w e r - f k q u e n c yd i s t a n c ep r o t e c t i 0 1 l ，b r i n gf o n v a r d t h es o l u t i o ns c h e m e a tt h es a m et i m e ，m i sp a p e ra d v a i l c e st h en e wm e t h o dw h i c hu s i n g l e a s t s q u a r em e t h o dt oc a l c u l a t ec o m p e n s a t i o nd e g r e ea i l df a u l tp o s i t i o nw h e ns e r i e s c o r n p e n s a t i o nc 印a c i t o ri n s 诅l l e di nt h em i d d i eo f l i n e s f i r s t l y n l ep 印e ra i l a l y z em ef a u l tt h a te x i s t si nt h es e r i e sc o m p e n s a t i o nc 印a c i t o rl i n e s a r e ra n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i p 锄o n gf k q u e n c yc h a r a c t e d s t i cw b j c hs e r i e sc o m p e n s a t i o n c 印a c i t o r 撕s e ，c o m p e n s a t i o na 1 1 df i a u l tp o s i t i o n ，w ef i n dt h a tr e s o n a i l c ef r e q u e n c yi n t l l e t r a n s i e n tl o w - n e q u e n c yc o m p o n e n ti n d u c e db yt h es e r i e sc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ri s c a l c u l a t e db yt h ef o l l o w i n ge q u a t i o n 国= 国o l x a n dt l l e n ，w ea n a l y z et h er e l a t i o n s k p b e t w e e nt h em e t r i c a li m p e d a 哪：ei n 仃 l d i t i o nd i s t a 】n c ep r o t e c t i o n 锄de q u i v a l e n ti m p e d a n c e m e a s u r e d舶mt h e p o r t d u et o t h em e t r i c a l i m p e d a l l c e i s c a l c u l a t e d a s 乙( f ) = 阻幸烈f ) 】m + 妒( f ) 】锄dt h ee q u i v a l e n ti m p e d a n c ei sc a l c u l a t e da s z ( f ) = f 1 【z ( s ) 】，w e c a nd e d u c et h a tm et i m e d o m a i nc h a i - a c t e d s t i co fm e t r i c a li m p e d a n c ed e p e n d so n w a v e f o mo fc u r r e n t 锄dv 0 1 t a g e a tm ee n d ，t l l ea u t h o ra l l a l y z e st h e 、v a v ep r o c e s so f s e r i e sc o m p e n s a t i o nc 印a c i t o ra n dd e d u c e sn l er e n e c t e ds y s t e m 柚dt r a l l s m i s s i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ff k q u e n c y d o m a i nc h a r a c t e r i s t i c ，w ef i n dt h a tt r a n s m i s s i o n 、v a v es h o w sh i 曲丘e q u e n c yc h a r a c t e r ，w h i l et h er e n e c t e dw a v es h o w sl o w - f r e q u e n c y s n l o o t hc h a r a c t e r s e c o n d l y ，t h j sp 印e rd e t a i l e d l ya i l a l y z e st h ei n n u e n c es e r i e sc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r b r i n g st od i s t a i l c ep r o t e c t i o n ，s e p a r a t e l ya n a l y z et h ed i 毹r e n ts i t u a t i o ni n c l u d i n g t l l ei n s t a l l p o s i t i o n a i l d c o m p e n s a t i o nd e g r e eo c c u 仃e d i nt l l e i m p e d a n c ed i s t a i l c ep r o t e c t i o n ， z e r o s e q u e n c e d i s t a r i c e p r o t e e t i o n a i l dp o w e k q u e n c yd i s t a n c e p r o t e c t i o n t ot h e d i r e c t i o ni m p e d a n c ed i s t a n c er e l a y 觚dp o w e r f r e q u e n c yv a r i a t i o nd i s t a l l c er e l a y ，w e c o n c l u d et i l a t ，t 1 1 ei m p a c to fs e r i e sc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ri n s t a l l e do nt 1 1 et 、v os i d e si s v e r ys m a l l ，w h e nt h es e r i e sc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ri n s t a l l e di nt h em i d d l eo fl i n e s ，w e h a v et oi d e n t i 匆t l l ef l a u l to c c u r r e db e f o r eo ra r e rt h es e r i e sc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r t ot h c i i 兰坚翌2 2 羔鲨垡笙奎一一 目录 z e r o 。s e q u e n c er e a c 铷c er e l a y ，w h e nt h es 舒e sc o m p e n s a t i o nc 印a c i t o ri 1 1 s t a l l e da tm ee n d o fl i n e s ，i t 、v o u l da a e c tt h ep h a s er e l a t i o n s h i po fb e t w e e nm e a l s u r e dz e r o s e q u e n c ec u n e n t a i l d 士t a u l tb 砌c hz e r o s e q u e n c ec 蛐n 啪t ，t h e r e f o r e ，i tw o u l di n d u c et h ei i l i s o p e r a t i o no r r e f 璐eo p e r a t i o n f i 姐l l y ，t h ep 印e rb 血g sf o n 砌l e a s t s q u a r em e t h o dp a r a m e t e re s t i m a t i o n 鲥n c i p l e ， a n dl 咖的d u c e san o v e lf a u l tp o s i t i o ni d e n t i f i c a t i o n 砒l i c hc a i la v o i dt l l ei i l f l u e n c es e r i e s c o m p e n s a t i o nc a p a c l t o ra i l di t sc o n l p e n s a t i o nd e g r e e t h en o v e ls c h e m ec 雒n o to i i l v c a l c u l a t et h ec o m p o n e n tc o e m c i e n tw h i c hc 觚c e 渤i nt h ef a u l to c c 腑e db e f o r eo ra 能r t h e s e n e sc o m p e n s a t l o nc a p a c i t o r ，b u ta l s od e d u c et h em e t r i c a l i m d e d a n c ea n dt h cf j 眦l t d i s 切n c e t h e o wa 1 1 a l y s i sa i l de m t ps i m u l a t i o nr e s u h ss h o wt h a tt h i sm e m o dh 嬲ah i g h r e l i a b i l i 劬v e r a c 蚵a i l dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：s e r i e sc o m p e n s “o nc 印a c i t o r ；d i s t a n c ep r o t e c t i o n ；l e a s t s q u a 鹏m e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构 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。 研究生签名：葬；专延时间：硼年6 月f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：华菇廷 导师签名：专令渤罗 时间：，2 缈彩，年占月1 f 日 时间：z o 。彦年吾月 日 山东理t 人学形! j ! 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 输电线路距离保护原理综述 距离保护是输电线路所配备的主要保护之一，或作为线路保护主保护，配备单 端三段式( 或四段式) 距离保护，或通过通讯通道构成具有绝对选择性的纵联距离保 护( 超范围纵联距离和欠范围纵联距离) ，或作为纵联差动、纵联方向等主保护的后 备保护。距离保护在高压、超高压乃至特高压输电线路的保护中具有举足轻重的重要 地位【l ，2 】。 距离保护从构成原理上划分，可以分为两种类型：测量阻抗式距离保护和相量比 较式的距离保护。前者主要通过测量的电压和电流对测量阻抗进行计算，通过判断测 量阻抗的特性来区分区内外故障；后者通过构造一个补偿电压( 假设从保护安装点到 整定点无故障，由保护安装处的测量电压计算出的一个虚拟电压) ，通过比较补偿电 压相量和极化相量( 测量电压、正序电压、故障前电压、零序电流等) 的幅值或者相 位关系构成的距离保护原理。反应故障工频变化量的保护原理属于相量比较式的原 理，其比较的相量为补偿电压的故障分量与故障前的补偿电压的幅值。 1 1 1 测量阻抗式距离保护原理 随着超高压大容量电网的出现，要求继电保护装置有更快的动作速度，以便快速 切除短路故障。但是，继电保护保护装置的动作速度与测量准确度、工作可靠性密切 相关。就一般情况而言，继电器的动作速度愈快，测量准确度就要降低，对相位比较 式阻抗继电器，容易受非周期分量电流和高次谐波的影响；此外，过快的动作速度容 易受到干扰的影响，因而工作可靠性也要相应降低。可见，一味强调继电器的动作速 度是不恰当的，应综合考虑。但就距离保护装置而言，为解决快速性和测量正确度、 工作可靠性间的矛盾，在超高压线路的距离保护装置中，可增设快速距离i 段。当然 快速距离元件工作应是可靠的1 3 】。 阻抗继电器的动作速度应具有以下特性：动作速度快；动作速度较为稳定，较少 受短路阻抗、发生短路瞬间电流相位角以及非周期分量电流和高次谐波的影响；在实 际工作状态下，有足够的抗干扰能力，动态超越应小于5 1 3 j 。 1 ) 全阻抗距离继电器 该原理的核心思想是利用测量电压和电流获得测量阻抗，如图1 1 所示，当在线 山东理t 人学硕l ：学位论文 第一章绪论 路上f 点发生金属性短路时，测量z ，= 乩i m = z ，。 图卜1 简单单端电源输电系统金属性短路 由此可见，当测量阻抗的幅值小于整定阻抗的幅值时，为区内故障，因此判据为： j zj j l z 辩。j ( 1 1 ) 这就构成了全阻抗继电器，其特性为一以整定阻抗为半径的一个圆。 2 ) 电抗型距离继电器 为了能够适应较大的过渡电阻，对于单端电源线路，取测量阻抗的虚部( 即测量 电抗) 即可以消除过渡电阻的影响，用测量电抗的大小来判断故障是区内或是区外， 如图1 2 所示。 。 图卜2 简单单端电源输电系统经过过渡电阻r g 短路 动作判据为： x j = i m z j 】= i m 【r g + r f + j x f 】 x s c t ( 1 2 ) 这就构成了电抗型距离继电器，其特性为一与实轴平行的直线。 对于双端电源线路， 图卜3 简单双端电源输电系统经过过渡电阻短路 山东理工人学形! j j 学位论义第一章绪论 此时，测量阻抗z ，= v m i m = z ，+ r 。i f 厂i m ，令k e 筘= i f i m ，那么测量阻抗可 以表示为：z j = z f + k 。e 筘，其中k 。= r 。k 。因此，要想消除过渡电阻的影响，必 须将测量阻抗乘上e 书，然后取其虚部： i m 【z j e l 6 】= x fc o s 万一r f s i n 艿 因此，其判据为： x jc o s 万一r j s i n 万 x s e tc o s 万一rs c f s i i l 万( 1 3 ) 其动作特性为一倾角为万的直线，万 o 时为上倾线。 1 。1 2 相量比较式距离保护原理 相量比较式的距离保护原理的核心思想是：首先定义一个补偿电压相量h ，5 1 ， 补偿电压的含义为假设从保护测量点到整定点之间无故障，由测量电压构造的一个虚 拟电压，机。= v m z 鳅i m ，通过比较区内外故障时补偿电压相量和极化相量之间的 差别构成保护的原理。 1 ) 方向阻抗继电器 当输电线路上发生金属性短路时，反方向故障、区内故障以及正方向区外故障时 补偿电压与测量电压相量( 作为极化量) 的关系如图l 一4 所示。 图卜4 补偿电压与测量电压( 作为极化量) 的关 障 可见，当线路上发生金属性短路时，区内故障时，补偿电压与测量电压反相位， 区外故障时，二者同相位。因此，判据为： i ， 9 0 0 a r g ；坠 2 7 0 0 ( 1 4 ) 7 吃 山东理工人学坝1 ：学位论文第一章绪论 这种原理称为方向阻抗距离继电器，由于采用测量电压为极化量，当在出口短路 时存在保护死区，因此采用与测量电压近似同相位的一些电压相量作为极化量来消除 保护死区，如可以采用故障前的电压、正序电压、负序电压、非故障相电压等。 2 ) 零序电抗型距离继电器 由于线路只有在接地短路时才可能具有较大过渡电阻，而相间短路时其过渡电阻 为相间的电弧，其电弧两端的压降不超过额定电压的3 5 ，因此距离继电器只考 虑单相接地故障时的抗过渡电阻能力。当单相发生经过较大过渡电阻接地时，线路上 的电压相量如图1 5 所示。 ，一_ j 敞 图卜5 线路上各点电压的关系 通过观察各个电压之间的关系，我们可以得到如下结论：区内故障时，补偿电压 滞后于故障点的电压；反之当区外故障时，补偿电压超前故障点电压札。 因此可以得到判据如下： 0 1 8 0 。 a r g 睾 o o( 1 一) v f 然而故障点的电压无法测量到，考虑到单相接地短路时故障支路的零序电流和故 障点电压同相位( 过渡电阻为纯电阻性) ，而故障支路的零序电流和测量点的零序电 流近似同相，二者之间只有微小的角度差伊= a r g i m 。i ，。因此可以用测量的零序电 流来代替故障点的电压，从而构成零序电抗型距离继电器判据： 0 1 8 0 0 j z ，+ z 。l 动作区为一以一z 。的端点为圆心，以i z 。一( 一z 。) l 为半径的一个圆。 反方向的动作特性可以用如下方程表示： l z ：一z 嗣眦i i z ；+ zj i 反方向的动作特性为以z ；的端点为圆心，以f z ：一z 鳅i 为半径的一个位于第三象 限的小圆，因此，该判据具有很明显的方向性。 4 ) 工频变化量的电抗型距离继电器 根据单相经过过渡电阻短路的相量图，可以找到工频变化量电抗型距离继电器的 判据： i 哦，i h 。lc 唧l ( 其中角度缈为补偿电压故障分量与故障前分量的夹角：缈= a r g 吃h 。 山东理丁人学硕l j 学位论文第一章绪论 还可以找到另一个电抗型距离继电器判据： v 9 0 k 鹕赢砣7 0 0 “圳 1 2 串补电容的作用及国内外研究现状 1 2 1 串补电容的概念及作用 串联电容补偿分为固定串联电容补偿和可控串联电容补偿，与之相对应，串联电 容包括固定串联电容( f s c ，f a s t e ns e r i e sc a p a c i t o r ) 和可控串联电容嘲( t c s c ， t h y r i s t o r c o n t r o ls e r i e sc a p a c i t o r ) 。固定串补装置( 如图l 一7 所示) 主要有电容器( 组) 和电容器( 组) 的附加保护装置组成，附加保护装置主要有非线性电阻( m o v ) 和 保护间隙两部分组成。可控串补装置( 如图1 8 所示) 是在固定串补装置的基础上， 在串联电容器旁并联一个由晶闸管( t c r ) 阀控制的电感回路，从而产生一个叠加在 电容器上可控附加电流，实现了对串联补偿电容的外部等效阻抗的控制；即通过对半 导体晶闸管的触发控制来实现对串联补偿电容的平滑调节和动态响应的控制。 阻尼装 阻尼装 图1 7 固定串联补偿( f s c ) 装置图1 8 可控串联补偿( t c s c ) 装置 无论是固定串补电容还是可控串补电容，电容器( 组) 都是其主要部分，它的功 能是补偿输电线的部分感性阻抗，增加同步力矩，减少功率输送引起的电压降和功角 山东理t 人学硕_ l ：学位论文 第一苹绪论 差。除此之外，二者中其它各元件的相互关系及其工作原理如下： ( 1 ) m o v 是串联补偿电容器的主保护。串补所在线路上出现较大故障电流时，串 联补偿电容器上将出现较高的过电压，m o v 可利用其自身电压一电流的强非线性特性 将电容器电压限制在设计值以下，从而确保电容器的安全运行。 ( 2 ) 火花间隙是m o v 和串联补偿电容器的后备保护，当m o v 分担的电流超过 其启动电流整定值或m o v 吸收的能量超过其启动能耗时，控制系统会触发问隙，旁 路掉m o v 及串联补偿电容器。 ( 3 ) 旁路断路器是系统检修和调度的必要装置，串补站控制系统在触发火花间隙 的同时命令旁路断路器合闸，为间隙灭弧及去游离提供必要条件。 ( 4 ) 阻尼装置可限制电容器放电电流，防止串联补偿电容器、间隙和旁路断路器 在放电过程中被损坏。 由于交流输电线路的阻抗特性呈感性，利用串联电容器的容性特性，补偿输电线 的部分感性阻抗，从而相当于缩短了输电线路的电气距离，进而提高输电系统的传输 容量，提高网络实际输送能力。应用于长距离大容量输电线路除能够扩大线路输送容 量和提高线路潮流输送能力外，还能够增加输电线路稳定裕度，改善联网负荷分配， 改善系统稳定性。 比如在忽略电阻的情况下，线路始、末端的有功功率相等，线路传输功率为： 尸：盟s i 的 x 最大传输功率为： 尸：盟 x 这里的x 即为输电线路的电抗，由此可见输电线路的传输功率和最大传输功率与 线路的电抗成反比，为了提高线路的传输功率，在线路上串联电容器，用电容器的容 抗来补偿线路的一部分感抗，比用其它方法更容易和经济。 可控串补技术是灵活交流输电系统( f a c t s ) 中的一种，和传统的固定串补电容相 比，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。t c s c 的应用是高压输电系统在控制方 面的重要突破，它可发挥现有输电系统的潜力、提高输送能力、灵活地调节系统潮流、 增强系统的阻尼作用，是保证超高压电网安全运行的重要技术措施。串联电容补偿技 术不仅在技术上具有优势，而且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 7 9 1 。串联电容补偿技术是现代电力电子技术 和计算机自动控制技术在电力系统中的应用，是提高远距离大容量输电系统的传输容 山东理t 人学硕i j 学位论文第一章绪论 量、改善系统稳定性的一种最为成熟且经济有效的方法，在电力系统中已有7 0 多年 的应用历史1 们。 1 2 2 串补电容的国内外应用概况 串联电容补偿技术是一项成熟的技术。1 9 2 8 年，串联电容补偿技术最早应用于美 国的3 5 i x 。引起的。出现电压反相与故障点的位置有密切关系，当故障点远离串补电容 的安装处，出现电压反相的可能性就越小；出现电压反相的条件就是托 x 。另外， 在故障序网图中，也会发生电压反向。当发生电压反向时，以电压为参考量的距离 保护等，其动作的正确性将受到影响。 图1 9 无串补电容的故障线路电压分布图 e v n 图1 一l o 有串补电容的故障线路电压分布图 所谓电流反相就是当系统发生短路时( 如图l 一1 0 ) ，故障点为f ，若如 x 。+ z 。， 则流过母线n 侧的故障电流i 。呈现容性电流，与没有串联电容补偿相比，电流相位 改变了1 8 0 。( 实际是接近1 8 0 。) ，出现电流反相。当电源负序阻抗小于电容容抗时， 保护测得的负序电流也将反方向。当发生电流反向时，以电流为参考量的距离保护等， 其动作的正确性和选择性同样将受到影响如。 1 。3 。2 串补电容的加入引起的暂态问题 当触发角发生阶越变化后，t c s c 不能立刻进入稳态，而需要经历一特定的暂态 过程，且不同的同步信号如电容电压同步和线电流同步，不同的控制模式如阻抗开环 和阻抗闭环等对t c s c 暂态过程的时间常数和动态品质有显著的影响。 山东理i 人学硕上学位论文 第一章绪论 当保护间隙被击穿时，放掉电容c 上电荷需要时间，放电时间可能超过快速保 护动作时间，并且放电引起的暂态分量与系统故障出现的暂态分量相叠加，从而对保 护带来不利的影响。此外，系统故障时保护间隙可能发生不对称击穿，引起纵向不对 称，产生的不对称分量与短路故障的不对称分量相叠加，同样对保护带来不利的影响。 在串补线路中，系统的任何扰动，包括线路故障、电容器插入、切除串联元件等， 都可能在系统中产生低频分量。低频分量会使暂态电流有所增加。研究结果表明，较 高的电流峰值可能影响继电保护装置，对保护装置的过流单元的动作特性影响更大。 对于距离继电器，在靠近保护范围末端发生短路时，会出现暂态超越动作或延缓动作。 1 3 3 具有串补电容线路保护的研究概况 目前世界各国均在高压、长距离输电线路上装设串补装置，由于串补电容技术在 电力系统中的广泛应用，促进了人们对具有串补电容线路保护的研究，早在七八十年 代，文献【1 4 】提出了针对串补线路的距离保护原理，利用故障后暂态分量求解短路阻 抗，并用集成电路实现了单相串补线路保护的试验装置。由于集成电路功能的限制， 给这种方法的实现带来了一些无法克服的困难，使原理未得到充分利用。文献 1 5 】对 串补线路故障后电压、电流反相的现象进行了分析，并提出了一种带有记忆作用的方 向阻抗保护方案，文献 1 6 】提出了利用模量进行方向比较的高频方向保护方案采用微 机实现，具有不受串补度大小和串补电容保护动作影响的特点，动作速度快。已有的 串补电容线路距离保护都存在着可靠性和动作准确性较差，同时易受低频暂态分量影 响的特点。 九十年代以后，人们加大了串补线路距离保护新原理新方法的研究，即采用工频 量的方法，期望通过保护安装处的电流、电压量实时计算出串补电容上的压降，并利 用此压降对保护所得到的电压进行补偿，以消除串补电容的影响，扩大距离保护的整 定范围。文献【1 7 】还给出了用数值计算方法求解m o v 上的电压与电流的非线性方程， 得到串补电容上的电压，然后算出串补系统的动态等效阻抗的快速距离保护算法。对 文献 1 8 2 0 】分别以我国的阳城淮阴，大同房山，天生桥平果5 0 0 k v 串补线路为等 值系统，对目前在运行中的各种典型线路保护装置，在固定串补度及串补安装位置的 条件下，针对电压反向、电流反向、低频暂态分量等串补线路特有的问题进行理论分 析和数字仿真研究，并且讨论了不同制造商生产的线路保护装置中距离保护方案的应 对性措施。 山东理工人学硕j ：学位论文第一章绪论 1 4 本章小结 串联电容补偿在输电线路上的应用，缩短了线路的电气距离。一般认为，串联电 容补偿系统给输电线路带来的主要问题为：电压反向；电流反向；引入暂态分量( 高 频和低频分量) ；次同步谐振等。因而，串联电容补偿系统对二次系统，尤其是继电 保护系统的运行性能将产生很大影响，增加了继电保护系统判断故障的难度与复杂 性。原有的继电保护系统在串补线路及其相邻线路上是否适用，还需要重新考证和实 践证明。 串联电容补偿技术最早是在1 9 2 8 年应用于美国纽约的3 5 k v 电网。固定串补技 术在电力系统中己经有十分成熟的运行经验。与此同时，国内外的继电保护工作者针 对串补给电力系统带来的问题进行了大量的理论研究与实验论证工作，得出了很多对 工程实际非常有用的指导意见和建议。然而，由于串补系统尤其是可控串补系统的本 体保护在故障期间和故障切除后的动作行为具有高度的动态性和不确定性，使串补线 路及其相邻线路的继电保护，仍然存在诸多问题。而且，我国在串补方面的实践经验 也较欠缺。至今，我国已投入运行了四个固定串补工程。在我国今后的大电网规划与 建设中，还将引入更多的串补工程。因此，借鉴国外成熟先进的运行经验，并根据我 国己投运串补装置的运行状况，进一步深入研究串补线路继电保护的理论与技术问 题，以采取合理和有效的措施使原有的继电保护系统能继续适用于串补线路，或结合 新技术的发展提出基于新理论新判据的新型保护方案，具有很大的现实意义。 距离保护是目前超高压电网中常用的后备保护方案，或者作为高频纵联主保护方 案的起动元件，其基于输电线路感性阻抗变化的工作原理，更容易受到串补系统在故 障期问的动态特性的影响。对于串补引入所带来的系列问题，至今仍没有十分完善的 距离保护解决方案。因此，借鉴国内外学术界已有的相关研究成果，利用e m t p 进 行数字仿真，并利用仿真结果运用m a t l a b 编程对现有的距离保护原理进行测试， 进一步研究串补线路中距离保护的工作特性，以便采取合理的改善措施使常规距离保 护适用于串补线路，具有一定的实用参考价值。 1 5 本论文所做的工作 为了解决串补电容对距离保护带来的影响，结合实际的故障分析，本论文主要做 以下几个方面的工作。 l 、具有串补电容线路的故障分析，分别在输电线路的集中参数模型和分布参数 山东理工人学硕十学位论文第一章绪论 模型下，分析串补电容安装在不同位置时，保护安装处的电压、电流以及测量阻抗等 的不同特征，找出区内外故障时的电气量的特征差别，为研究串补电容对传统的距离 保护带来的影响奠定基础。 2 、串补电容对传统各种距离保护的影响的理论分析及仿真验证。根据串补电容 在输电线路上的不同位置、不同的串联补偿度，研究串补电容对方向阻抗继电器、零 序电抗型继电器以及反映工频变化量阻抗和电抗型距离继电器的影响。 3 、串补电容在线路中间时，保护识别区内外故障的最大难点在于识别故障点在串 补电容之前还是之后。本文利用线路简单的i u 模型，利用最小二乘法识别故障位置， 并用e m t p 进行仿真验证。 山东理t 人学硕1 ：学位论文第二章具自串补电容线路区内外故障分析 第二章具有串补电容线路区内外故障分析 本章首先介绍了输电线路数学模型，根据精确的数学模型，从集中的精确p i 型 模型和考虑波过程的分布参数模型两个角度，分析了串补电容线路故障后电压电流以 及测量导纳等的故障特征，为分析串补电容对传统距离保护的影响奠定理论基础。 2 1 输电线路的数学模型 根据电磁波在输电线路的传播过程，具有均匀分布参数的输电线路的原始模型是 由无穷多i 也c 的p i 型电路级联而成。所谓输电线路的数学模型或等值电路，包括两 种类型，一种是不考虑输电线路内部波过程，而只关心输电线路两端电压电流的输入 输出关系，把输电线路当作二端口网络等效成p i 型或者t 型电路，根据对线路模拟 的精确程度分为简单i 也模型，r l c 集中p i 型模型，多级级联p i 型模型和精确p i 型等效模型。另一种是考虑行波在输电线路的传播过程，根据行波传输理论建立的分 布参数模型，根据考虑线路参数的精确程度，分为无损模型( 不考虑损耗) 、无畸变 模型、有畸变模型和频率相关参数模型n 1 ，勿。 2 1 1 不考虑波过程的集中参数的线路模型 ( 1 ) 简单i u 模型 r l 模型是最简单的线路模型，它就是把输电线路按照其长度等效成电阻与电感 的串联，如图2 一l 所示。 图2 1 输电线路r _ l 模型 ( 2 ) 简单p i 型等效模型 为了能够将输电线路的对地分布电容的影响考虑在内，将简单的r l 模型的两端 并联两个等效的对地电容，如图2 2 所示。图中c l = c 2 ，其中c 为线路全长的电容。 山东理工人学硕_ l ：学位论文 第二章具有串补电容线路区内外故障分析 图2 2 一级万型模型 ( 3 ) 多级p i 型等效电路 为了更好的模拟线路的分布参数，采用多级简单p i 型2 3 1 等效电路的级联，很显 然，级联的p i 型等效电路的个数越多，则模拟越准确。如图2 3 所示。 i 。 图2 3 多级万型模型 ( 4 ) 精确的频域内集中参数p i 型模型 根据输电线路基于分布参数的偏微分方程，利用l a p l a c e 变换得到其频域内的 解，可以得到频域内输电线路两端电压电流的二端口关系，根据这个关系可以等效为 频域内的集中p i 型等效电路，如图2 4 所示。 u ( s ) z c ( j ) 砌( 肛) 图2 4 频域内的p i 型等效电路 图中，z c ( s ) = 0 习丽万丽，丫= 0 i 丽，z l 、z 分别为每公里长的线路阻 抗和导纳，x 为线路长度。 山东理t 人学硕l j 学位论艾 第二章具有串补电容线路区内外故障分析 2 1 2 考虑波过程的分布参数的线路模型 无论参数是否频率相关，分布参数线路总可以用下面频域内的微分方程组表示： 一掣：z 。，( x ) 出 一掣：i y ( 力 出 ( 2 1 ) 其中，z l 、k 分别为单位长度线路的阻抗和对地导纳。求解这个方程，可以得 到线路两端电压电流的关系，假设首端为m 端，末端为n 端，则两端的传播关系为： l ( s ) 1 1 咖( 讧) 一z c 妫( 讧i ( s l ( 2 2 ) l 凡( s ) jl j 办( 讧) 乙幽( 怔) 业九( s ) j 其中，乙( s ) = 0 泵万万两为波阻抗，丫= 0 泵丽为传播参数。将上式稍做 变换，并令f = y + z 。，称为电压前行波，b = y z 。j 电压反行波，不难得到行波传 播公式： r ( j ) = ( j ) 彳( s ( 2 3 ) i 召0 ( s ) = 巩( j ) 么( s ) 其中，彳( j ) = e x p ( 一讧) 为传播函数。 ( 1 ) 无损线路模型( 时域贝瑞隆等值电路) 当忽略线路损耗时，乏= 0 i 石为常数，厶、c 。为单位长度输电线路的分布 电感和电容。y ( j ) = j c ，c = 1 厶c o 为行波传播速度。因此，传播函数转化为时域 表达式为： 口0 ) = 6 0 一三c ) ( 2 4 ) 因此行波传播公式在时域内变为： n ( f ) + z c o o ) = “m ( 卜r ) + z c o ( 卜丁( 2 5 ) l “m o ) 一z 。0 0 ) = | o r ) 一z 。f ( f 一丁) 其中，丁为行波从线路一端传播到另一端的时间。根据( 2 5 ) 式可以得到时域 内无损线路的贝瑞隆等值电路如图2 5 所示。 山东理t 人学颂f ：学位论文第二章具有串补电容线路区内外故障分析 j bz cz c0 n _ z f m 二：t=- 图2 5 时域贝瑞隆等值电路 根据贝瑞隆等值电路，可以分析线路上的波过程( 如图2 6 所示) ：如果在m 端加上电源，则会瞬间产生初始行波瓯，经过时间t 后，传播到端，发生反射， 得到反射波k 。f s o ，再经过时间丁后，传播到m 端，有一次发生反射k m 妊f s o ，如此 往复。可以利用网格法以粕1 直接得到各个点的前行波和反行波。只需将同一方向的 行波叠加并考虑时间延迟即可。例如线路上任意点x 处的前行波和反行波的表达式 为： 兵g ) = s o 一茗c ) + k ，& p 一( 2 三+ x ) c 】+ ( 2 1 2 ) 吃 = 玉；属p g i 上一曲c 】+ 盔二岛p 一( 4 三一劝c 】+ ( 2 一1 3 ) m前行波参考方向 反行波参考方向 n 图2 6 无损线路的网格分析法 ( 2 ) 频域内的贝瑞隆等值电路 当考虑线路损耗，甚至考虑频率相关参数时，根据方程( 2 3 ) ，可以很容易的 得到频域内的贝瑞隆等值电路如图2 7 所示。 山东理工人学硕i ：学位论文第一二章具有串补 乜容线路区内外故障分析 掣z c ( s )z c ( s ) 挫) u m 图2 7 频域贝瑞隆等值电路 2 2 具有串补电容线路的故障分析 本小节重点对具有串补电容线路的三个方面进行分析，其一是线路故障后，从 测量点看进去的瞬时暂态钡9 量导纳的频率特性，目的是研究串补电容线路产生的暂态 振荡分量与线路长度、补偿度等关系的影响；其二是分析故障后，传统的基于工频分 量距离继电器的测量阻抗的频谱特征以及其时域内随时间的变化规律，目的是为了分 析其对距离继电器暂态响应特性的影响；其三是分析具有串补电容的线路对故障后波 过程的影响，重点在于分析串补电容的反射和折射系数。 2 2 1 集中参数模型下的故障分析 利用线路精确的集中参数模型，分析不同故障位置、不同的串联电容补偿度对测 量阻抗频率特性以及时域特性的影响，研究的故障线路模型如图2 8 所示。 图2 8 故障线路模型 图2 _ 8 中，z - z n h ( mk 2 匕2 去鼬( 肌 当发生金属性故障时，从测量点m 看进去的等效导纳为： 山东理工人学硕1 ：学位论文第二章具有串补电容线路区内外故障分析 ( 俐= 币砸盖 q 1 4 ， 令( 2 1 4 ) 式中的分母为0 ，即 1 + 歹a c z 。t a n h ( 【y ( 国) x 】) = o ( 2 1 5 ) 令( 2 1 5 ) 中的t a n h ( y ( 国) x 】) 犀，则( 2 1 5 ) 式可简化为 l + j 玩昭。弦= o ( 2 1 6 ) 把乙= 侉和= 瓜代入6 ) ，其中z o 地伽厶为线路单位毗虼 为线路单位对地导纳。 l + 歹c ( r o + j 三o ) x = o ( 2 一1 7 ) 由( 2 一1 7 ) 式可知下式成立： 匾 2 1 了 ( 2 一1 8 ) 式中：为工频，厶为线路单位电感，c 为串补电容，x 。为串补电容的容抗，k 为补偿度，rx 为故障点的距离，l 为被保护输电线路的长度。 从( 2 一1 8 ) 式可以看出，具有串补电容故障线路的谐振频率国和故障点的距离 x 及补偿度k 有关。以下是基于这个问题的仿真。 被研究系统的参数( 工频下) 为：线路阻抗z 0 = ( 0 0 1 9 3 9 6 7 3 + j 幸0 。3 6 7 8 9 2 6 ) o h m l ( m ；线路对地导纳= j 卑3 0 8 5 0 1 6 幸l o _ 6s 触。线路长度为1 2 0 k m 。 利用m a t l a b 分析其导纳的频率特性，当补偿度为4 0 ，故障距离分别为4 0 k m 或2 0 k m 时，其测量导纳幅频特性和相频特性为： 测量导纳幅频特性测量导纳相频特性 图2 9 补偿度为4 0 故障距离为4 0 k m 山东理t 人学形! i ：学位论文 第二章具有串补电容线路区内外故障分析 测量导纳幅频特性测量导纳相频特性 图2 一1 0 补偿度为4 0 故障距离为2 0 i 锄 当补偿度为2 0 ，故障距离为4 0 k m 时， 测量导纳幅频特性 其测量导纳幅频特性和相频特性为： 测量导纳相频特性 图2 1 1 补偿度为2 0 故障距离为4 0 k m 从图2 9 至图2 1 0 的仿真结果可以看出，当补偿度一定时，谐振频率功随故 障距离的增加而减小；从图2 9 和图2 一l l 的仿真结果可以看出，当故障距离一定 时，谐振频率缈随补偿度的增加而增大。 2 2 2 具有串补电容线路的测量阻抗随时间变化分析方法 传统的相量比较式原理的微机距离保护对测量阻抗的计算，实际上是对测量电压 电流的时变相量的计算，设被采样信号为x ( r ) ，计算的时变相量如下所示： 山东理工人学硕j j 学位论义第一二苹具有串补电谷线路区内外故障分丰斤 加) 2 去l m ) c x 町叩) 卉 其中，瓦为工频周期，。为工频角频率。 如果将上式两边都乘上一个相位移的因子e x p ( _ 扣。f ) ，可以得到： 瓤忙去l m ) e x p _ 加。o