串联补偿电路与并联补偿电路的问题

串联补偿电路与并联补偿电路的问题研究
引言：无功补偿的两大类型手段，串联补偿与并联补偿， 基于对以上两种无功补偿电路的理解，我们来研究一下串联补偿电路中补偿电路的继电保护问题，并提出保护电路的方案，同时来讨论一下并联补偿与串联补偿的兼容性问题。

1串补电容对线路保护的影响
1.1补偿原理
串联补偿：通过在线路这种串联电容器（一般长距离输电线路呈感性），改变线路的阻抗特性，从而达到传输的目标。

串联补偿电容器对输电线路的控制是直接的，提供了很强的纵向潮流控制能力。

同时提供了无功补偿。

并联补偿：通过在线路这种并联电容器（或电抗器），通过电容器（或电抗器）向系统产生（或吸收无功功率）。

从而改善潮流分布的目标。

并联电容器向连接的节点提供无功功率，与补偿点相连的所有都将受到不可控的影响，尽管并联补偿是一种很好的电压控制方式，但对系统的纵向潮流控制能力较弱。

1.2串联补偿电路对继电保护向量的影响 1.
2.1电压反相
通常在非串补线路上，电源流出的短路电流落后于电源电势，母线电压与电源电势基本同相。

但在串补系统中，如从电源到保护安装处的感抗大于容抗，当靠近串补处发生故障时（如图1-1中F1点故障），将导致
加在继电器上的电压相位和电源电势相差180°，即保护丈量的电压将发生反向。

在故障序网图中，也会发生电压反向。

图1-1 简易的串联补偿电路系统
间隔保护或方向保护的电流方向不会因串补而改变。

这种电压方向的变化将对保护动作的正确性产生影响，但对不以丈量故障电压为参考量的保护（如电流差动保护），则不会造成影响。

1.2.2电流反向
在串补线路上，以线路始端母线电压为基准，线路短路电流可能超前于电势，相位变化约180°，即发生电流反向。

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。

以电流为参考量的保护，如间隔保护、方向保护、电流差动保护，在电流发生反向时，正常的选择性将受到影响。

1.3串联补偿电容对典型继电保护的影响 1.3.1串联补偿电容对间隔保护的影响
当串补电容器的保护MOV将串补电容旁路时，间隔保护自然适应，故以下主要讨论串补电容不被旁路的情况。

对于图1-1中F1点故障，线路保护继电器的丈量电压取自母线侧电压互感器（TV）。

当|XC|<|ZS|时（XC为电容器容抗，ZS为保护安装处到S端电源的阻抗），电压发生反向，无记忆的姆欧继电器与以有限记忆为极化量的可变姆欧继电器的动作特性如图2-1（a），区内故障时，可变姆欧继电器在动态期间能动作，在稳态期间不能动作。

当|XC|>|ZS|时，电流发生反向，姆欧继电器与可变姆欧继电器的动作特性如图2-1（b），区内故障时，可变姆欧继电器在动态期间与稳态期间均不能动作。

a.
b.
图2-1 F1点短路时，MN线路M侧保护动作特性.注：图中阴影为电抗器动作边界，阴影区为非动作区
对于串补相邻线路，如图1中F1处故障，MP线路的M侧的保护丈量的电压发生反向。

设MP线路M侧保护继电器的整定阻抗为ZY′，当|XC|<|ZY′|时，姆欧继电器与可变姆欧继电器的动作特性如图3（a），可见，对于反方向故障，可变姆欧继电器在稳态时误动作，在动态时不动作。

当|XC|>|ZY′|时，姆欧继电器与可变姆欧继电器的动作特性如图3（b），可见，对于区外故障，可变姆欧继电器在动态时会误动，在稳态时不动作。

对于串补相邻线路，如图1中F1处故障，MP线路的M侧的保护丈量的电压发生反向。

设MP线路M侧保护继电器的整定阻抗为ZY′，当|XC|<|ZY′|时，姆欧继电器与可变姆欧继电器的动作特性如图2-2（a），可见，对于反方向故障，可变姆欧继电器在稳态时误动作，在动态时不动作。

当|XC|>|ZY′|时，姆欧继电器与可变姆欧继电器的动作特性如图2-2（b），可见，对于区外故障，可变姆欧继电器在动态时会误动，在稳态时不动作。

a.
b.
图2-2 F1点短路时，MP线路M侧保护动作特性。

注：图中阴影为电抗器动作边界，阴影区为非动作区。

1.2.2对负序继电器及方向保护的影响
假设在图1-1中F1点发生不对称短路。

若MN线路M侧保护继电器丈量电压取自线路TV，在负序网络中，当|Z2S|>|X2C|时，I2J超前U2J，负序方向继电器动作，但是当|Z2S|<|X2C|时，出现了电流反向，I2J 落后于U2J，负序继电器不动作。

当保护继电器丈量电压取自母线TV时，不论是否出现电流反向，负序方向继电器都动作，与串补电容无关。

对于图1中MP线路M侧的保护，当F2点短路，保护的动作决定于串补线路及R端电源的总阻抗与串补容抗的相对大校。

2串补线路保护动作原理
2.1间隔保护设置电平检测器
对于图1-1中的MN线路N侧的保护，如不采取其他措施，保护整定范围通常为（80%～90%）（XNM-XC）。

GE公司提出设置一个电平门槛检测器，将间隔保护的整定范围设为90%XNM，保护动作输出由间隔保护与电平检测器“与门”输出，构成过电流/间隔保护组合。

原理上电平检测器检测IZ-V的值，其中Z为电平检测器整定范围，V为继电器电压。

设Z整定为XNM，考虑在M母线出口故障，串补电容不被MOV旁路的情况，整定门槛值PL=IXNM-I（XNM-Xt）=IXt,Xt 为串补电容与MOV的并联值。

当串补电容被旁路时，电平检测器的检测电压为IXt′，Xt′为串补电容与MOV导通后的并联值，显然Xt′<xt，故不动作。

2.2工频变化量间隔保护在增加一电抗型继电器
图2-1、图2-2示出了可变姆欧、姆欧、电抗器线以及工频变化量间隔保护的动作特性。

工频变化量动作方程为：|ΔUop|>Uz</xt，故不动作。

对接地故障：Uop=U-（I+3KI0）Zzd
对相间故障：Uop=U-IZzd
其中U为相间电压；I为相间电流；Zzd 为整定阻抗，Zzd取（80%～90%）（ZL-XC）；I0为零序电流；K为零序电流补偿系数；Uz
为整定门槛，取故障前工作电压的记忆量。

可变姆欧继电器：
电抗型继电器：
根据图2-1,2-2，得出以下结论见表1。

表1 各种保护动作特性
由此，工频变化量间隔保护可借助电抗器根据上述结论来构成其保护的逻辑。

2.3方向保护中的补偿
以负序方向为例，分析MN线M侧的保护。

在图1-1中，若正方向F1点故障，假设保护接线路TV，补偿前V2=-I2ZJ,ZJ为TV背后的等效负序阻抗，ZJ=ZS-XC。

当电容被旁路时，ZJ=ZS，为感抗特性；当电容不被旁路时，如ZS<z′|ZS-XC|，故在ZS<|xc|，故zr′-z′阻抗性质不变，保护丈量电压仍为反方向。

对于PM线M侧的保护，在图1-1中，若正方向F2点故障，V2=-（ZR′-XC）I2，由于ZL>|XC|,保护丈量电压为正方向。

若反方向F1点故障，V2=ZSI2，当XC>ZS时，出现电流反向的情况，同时也出现电压反向的情况，保护丈量电压仍为反方向，故保护均能正确动作。

<|xc|，故zr′-z′阻抗性质不变，保护丈量电压仍为反方向。

3串联补偿和并联补偿的调压作用
3.1串联补偿的调压原理
在分布负荷下，线路各段的电压损失取决于线路各段的阻抗和通过负荷潮流，各端电压损失为：
式中：为线路电阻；为线路电抗；P为线路输送的有功功率；Q为线路输送的无功功率；j为线路各段富康的下标；i为线路各段电压、电阻和电抗的下标。

投入串联补偿后，各端电压损失为：
从式中可以看出，串联补偿的投入，是
线路的电抗变,尤其在过补偿条件下，所在线路段将形成负电压降落，因此使得串联不愁的电压上翘。

还可以看出，串联补偿提高电压的作用与线路传输的无功功率有关，线路传输的无功越小，其补偿效果越弱。

3.2并联补偿的调压原理
并联电容器通过减少线路传输的无功功率减少线路电压损失，从而起到提高受端电压的作用，线路损失为：
式中，为并联补偿容量
从式中可以看出，并联补偿的投入，使线路的传输的无功功率由减少至，因此，减少了线路电压的损失。

与串联补偿
不同，串联补偿装置通常与负荷并联，就地提供所需的无功功率，并联提高电压的作用于线路电抗值有关，线路电抗值越小，其补偿效果越好。

3.3串联补偿与并联补偿同时运行效果
串联补偿和并联补偿欧诺同时运行时，模拟沿线电压分布如图3-1所示。

图3-1 串联补偿和并联补偿前后电压分布图
从图中可以看出，串联补偿的作用减小了线路电抗，由此降低了线路电压损失。

在线路阻性分布较大时，串联补偿恤采用过补偿方式，在这种补偿状态下，容性阻抗通过感性电流引起的电压升为负值，可以抵消部分电压损失产生的电压上翘的结果，并联补偿投入的情况下，电路的无功功率减少了。

4结论
根据以上的讨论分析，我们可以得出如下建议和结论：
1.从保护原理上看，对间隔保护增加一电平检测器可防止保护超越，并能进步保护动作范围。

2.工频变化量间隔保护增加一电抗型继电器线，对保证保护的方向性是很有效果的。

3.方向保护的方向性与保护丈量电压取用线路TV位置有关，但对丈量电压取用电容器外侧TV进行补偿的方向保护，能够正确判定保护的方向性。

4.从调压的观点看待串补与并补的作用是相互抵消的，受端电压的补偿效果将会受到影响，这一类问题将是今后串补并补应用中的共性问题。