输电线路串联电容器补偿研究

输电线路串联电容器补偿研究
摘要：串联电容补偿技术是一种提高交流输电线路稳定极限的经济而有效的手段。

然而，串联补偿装置的存在破坏了传输线路的均匀性，容性阻抗的存在使电压和电流的相位发生变化，进而影响保护的动作特性。

文章首先介绍了串联电容器补偿的作用和应用特点，然后分析了串联电容器补偿对线路保护的影响，最后结合福建省电力有限公司电业局实践简要介绍了国内外主流厂家针对串联补偿对线路保护的影响提出的解决办法。

关键词：串联电容器；补偿；线路保护；影响
串联电容补偿技术是一种提高交流输电线路稳定极限的经济而有效的手段。

在线路上加装串联补偿能大幅度提高线路的输送能力和输电系统的稳定性，从而确保电网安全、稳定、经济运行，因而在电网建设及改造中日益得到重视，串联补偿技术已经成为建设“智能电网”的有效途径。

目前我国已经在南方电网500 kV天广双回线路、华北电网大房500 kV双回线路、阳城电厂500 kV送出线路等工程中装设了串联电容补偿装置并投入运行。

随着电网规模的不断发展，为提高输送容量，提高稳定极限，对串补技术的应用也将逐渐增加，还有大量输电线路计划加装串联电容补偿装置。

特别是在远距离、大容量坑口电厂的送出线路中，串补及可控串补技术将得到更大范围的应用。

然而，线路上装上串联电容器补偿后会破坏线路阻抗随短路故障点距离增长而增加的简单关系，可能引起线路保护超越动作或失去方向性。

分析研究串联补偿对继电保护的影响，有利于保障工作实践中串联补偿线路工程的实施，文中，笔者将对串联电容器补偿对线路保护的影响重点展开分析。

1 串联电容器补偿的作用
串联电容补偿装置是串联在输电线路中以补偿线路感抗，由电容器及保护设备、控制设备等组成的装置。

在输电线路上加入串联电容器对电力系统稳定有较大作用，具体表现如下几个方面：
①能够减小线路感抗，缩小两端电势间的相角差，从而获得较大稳定裕度和较高传输容量。

提高电力系统的稳定性，增加系统输送能力。

②改善系统的运行电压和无功平衡条件，补偿线路的感性压降，改善电压质量。

③缩短线路电气距离，合理分配并联或环网的潮流分布。

④串联电容使无功电流减小，运行电压太高，有利于降低线路电阻引起的损耗。

2 串联电容器补偿应用特点
串联电容补偿装设的规模主要取决于线路的补偿度和额定电流，串联电容的选择与系统近期和远景需要紧密相连，主要具有以下应用特点：
①串联电容补偿仅用于330 kV以上线路。

②补偿度一般在20%～50%之间。

③为便于维护，串联补偿一般集中安装在线路一端，线路距离较长时可分散安装在线路两端或线路中间。

④一般情况下，串补站不安装在电厂侧。

3 串联电容器补偿对线路保护的影响
串联补偿电容对继电保护的影响主要决定于补偿度、串补安装地点、保护间隙类型、保护间隙击穿和MOV导通以及串补电容故障时产生的暂态分量和电气量变化等。

线路装设串补电容后，因容性阻抗的存在将使电压、电流的相位发生变化，进而影响保护的动作特性。

串联电容补偿可能引起低频分量以及保护电压反向和电流反向等问题，给阻抗测量、距离保护、故障方向元件、突变量距离等都带来一定影响。

3.1 串联电容器补偿对阻抗测量的影响
串联补偿装置的存在破坏了传输线路的均匀性，由于其是一集中负电抗，使距离元件感受到的线路阻抗是不均匀的，在串补安装处有突变。

补偿电容的容抗（ZC）抵消了一部分线路阻抗（ZL）的感抗，使得在串补背后发生故障时保护的测量阻抗（ZJ）比实际的线路阻抗要相差一个ZC，即ZJ=ZL-ZC。

3.2 串联电容器补偿对距离保护的影响
3.2.1 正向故障时距离Ι段和工频变化量阻抗超越
如图1所示，当保护的正向含有串补电容时，若发生区外电容器后故障，按常规整定的快速保护会因助增使容抗放大，加上故障时产生的低频分量的影响，从而使保护超越。

如图1所示，则：Um=I1×Z1+UC
UC=-jXC×（I1+I2）
测量阻抗Zj=■=Zl-jXC×（1+■）
分析可得，保护测量到的容抗被放大了（1+■）倍。

此时，若距离I段按K×（Zl-jXC）整定（K=0.7～0.85）时，则可能发生保护超越。

同理，当正向串补电容在相邻线时，容抗可能被放大，仍可能超越。

3.2.2 反向故障时阻抗继电器失去方向性而误动
本线反向经串补故障如图2所示。

当反向经电容短路时，测量阻抗为感性，此时可能落入动作区而误动。

此时阻抗继电器在记忆的情况下，反向故障的特性为一抛圆，如图3中的C2所示。

此时C2其与电抗线X无共同的动作区而不会误动，但是当记忆消失时动作圆变为C1就有可能误动。

3.2.3 串联电容器补偿后引起低频分量
在串补电容器线路上发生短路故障时，暂态过程中由于电抗器的影响还会出现低频分量。

低频分量电流同样影响继电器的正确工作，需采取专门的滤波措施来消除谐波电流的影响。

经研究，低频频率与系统阻抗、补偿度、故障点有关。

当补偿度越大（电容量C越小）、短路点越近（L越小）时，其频率接近于工频。

当短路发生在电势过零瞬间时，在短路初该低频分量的幅值最大，在电压最大时故障，短路电流的该低频分量幅值最小，随后低频分量电流逐渐衰减。

低频分量幅值频率分布在10～35Hz区间，没有非周期分量。

低频分量电流在高压电网中衰减时间常数很大，是基本非周期分量电流衰减时间常数的两倍。

MOV（氧化锌避雷器）对低频暂态分量有影响，在MOV临近导通时衰减最慢，在MOV导通后，电容降低，电阻增加，低频分量的衰减将加快，其频率在20～35 Hz。

低频暂态分量难以通过滤波器的方法进行滤除，对工频量保护有较大影响，容易引起暂态超越。

3.2.4 保护间隙击穿后产生纵向不对称
为避免串补电容器的击穿损坏，电容器一般设有保护间隙，当故障电流较大时，电容器两端产生高电压使保护间隙击穿，电容器端短接。

这种保护间隙的击穿可能发生在一相或二相的串联补偿电容器上，从而引起纵向不对称，给距离保护带来影响。

4 距离保护的解决方法
①缩短距离I段保护范围。

为了解决传统的距离保护在串联电容补偿线路中的超越问题，国内外现今基本上采用了统一的方案：考虑线路感抗和补偿电容容抗的综合阻抗，以避免距离I段的超越动作，只要保护安装处至短路点之间包含串补电容，测量阻抗（XL-XC）与线路距离的比例关系受到破坏，通常要考虑缩短距离保护范围。

容抗上由于流过助增电流使得测量得到的等值容抗大大增加，使得串补电容的补偿效应影响到相邻线的保护，所以，无论是正向串补电容在本线还是相邻线，都要相应的缩短距离I段的保护范围来避免超越。

②增加专门的判据。

以我局使用的国内某厂家的串补线路补偿保护装置为例，该保护做法为将保护装置的极化电压采用记忆，并设置两个阻抗继电器，分别采用4周波前和6周波前的记忆，只有两个阻抗继电器同时动作才将故障判别为区内故障，这样可以有效防止反向经电容故障时失去方向性。

③采用滤波算法。

由于串联电容器后引起的低频分量电流对继电器的正确工作有影响，为了保证继电保护的正确动作，需要采取专门的滤波措施来消除谐波电流的影响。

5 结语
按照经验，串联电容器补偿装于线路中间对保护的影响较小，有利于保护正确动作，但是需要建设串补站，运行维护不方便，且不易在故障时实行强补。

串联电容器补偿装于线路的一侧或两侧，运行维护方便，但对保护的影响较大，我国多采用装在线路一侧的方法。

本文介绍了串联电容器补偿的作用和应用特点，然后分析了串联电容器补偿对线路保护的影响，最后结合我局实践简要介绍了国内外主流厂家针对串联补偿对线路保护的影响提出的解决办法。

希望能为相关工作者在串补工程的实践中提供帮助。

参考文献：
[1] 肖立军，胡少强.高压输电线串联电容补偿几个问题的探讨[J].电力系统及其自动化学报，2003，（6）.。