一種評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法
【專利摘要】一種評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法。通過選取串補線路特征故障點經過渡電阻接地故障分析串補線路電氣特征，判斷串補線路電流反向特征。先確認串補線路故障屬性(金屬性或過渡電阻接地)，金屬性接地故障串補裝置一定被旁路，不考慮電流反向；經過渡電阻接地故障，需比較串補裝置安裝點背后系統等值阻抗(稱系統阻抗)與串補裝置等效阻抗(稱串補阻抗)大小，系統阻抗大于串補阻抗，不考慮電流反向；系統阻抗小于串補阻抗，需根據不同故障點位置經過渡電阻接地故障時串補等效阻抗變化特征結合金屬氧化物限壓器(MOV)動作情況確定電流反向特征，提供判斷串補線路發生電流反向的一種方法。
【專利說明】
一種評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統領域，具體地涉及為電力系統中串補線路上發生故障時系統 異常的評估手段，是一種通過理論分析串補線路發生故障時，線路保護安裝處是否存在電 流反向的判斷方法。
【背景技術】
[0002] 目前電網西電東送容量大，送電距離長，線路回數較多，為了充分發揮交流通道的 送電能力，確保西電東送目標得以實現，在西電東送交流主通道上大量使用了串聯補償電 容(簡稱串補裝置)設備。串補工程的投運，具有控制系統潮流、提高系統穩定性、抑制系統 低頻振蕩和次同步諧振等作用，對提高電網的安全穩定水平具有重要意義。
[0003] 在輸電線路增加串補裝置以后，由于串補裝置電容呈負阻抗特性，破壞了輸電線 阻抗的均勻性，給繼電保護帶來了重大影響，繼電保護性能與串補安裝位置以及不同的串 補度(指串補阻抗值與全線路阻抗的比值，本發明主要針對欠補償串補線路進行電流反向 特征判別）都有很大的關系，會面臨"電壓反向"和"電流反向"的問題。隨著電力系統的發 展，含串補裝置的線路繼電保護面臨著一些新的問題，譬如當串補裝置安裝于線路首端時， 串補裝置阻抗值若大于背后系統等值阻抗，就會面臨"電流反向"問題，所謂電流反向，是指 當串補線路上發生故障時，若故障電流方向為由系統指向故障點，則為正常相位;若故障電 流方向由故障點指向系統，則為電流反向。在線路保護分析中正向是指由母線指向線路為 正向。
[0004] 本發明通過理論分析當串補裝置安裝于線路一側，即靠近線路首端線路保護安裝 位置時，根據串補線路發生故障時分析故障點電氣特征量判斷在線路保護安裝處發生電流 反向的可能性。此方法的應用可以有效的指導設計和繼保人員在線路新建、設計規劃階段 確定串補電容的可靠安裝位置、電網架構規劃方面來進一步避免以后線路故障給繼電保護 帶來的特殊問題。
【發明內容】
[0005] 本發明主要針對安裝有串補裝置的輸電線路在發生故障時判斷保護安裝處是否 存在電流反向問題提出的一種分析方法。本發明為電網用戶在輸電線路保護設備的選型、 設計階段提供有效的指導，從而使輸電線路發生故障時進一步提升電網的穩定性、可靠性。
[0006] 本發明采用如下技術方案。
[0007] -種評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法，其中，線路保護裝置 設置在線路首端位置，串補裝置安裝在靠近線路保護裝置的線路段上;其特征在于：
[0008] 選取串補線路上經過渡電阻接地的特征故障點，根據串補裝置中的金屬氧化物限 壓器(簡稱MOV)動作后串補裝置等效阻抗電抗分量X'。大小的變化判斷線路首端保護安裝 處是否存在電流反向特征，最終決定串補線路保護的功能選型。
[0009] 本申請公開的評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法，其中，線路 本側保護裝置設置在線路本側首端位置，串補裝置安裝在靠近線路本側保護裝置的線路段 上;其特征在于，評估方法包括以下步驟：
[0010] (1)分析串補線路的接地故障屬性，即判斷所述接地故障是金屬性接地故障還是 經過渡電阻接地故障，當發生的故障為金屬性接地故障時，則流過保護安裝處的電流方向 不會發生反向，當所屬故障為經過渡電阻接地故障時，需轉入步驟(2);
[0011] (2)將故障點選取在串補裝置線路側出口點q處，其中所述串補裝置線路側出口點 是指串補裝置在背向本側母線的線路出口位置，當q點經過渡電阻接地故障并且MOV動作 時，計算串補裝置中MOV動作后的整個串補裝置的等效阻抗的電抗分量X。/與故障點q背后 系統阻抗電抗分量X s+Xq的大小，其中Xcq'為在q點發生經過渡電阻接地故障時并且MOV動作 后，串補裝置的等效抗阻電抗分量，1為本側系統電源與本側母線之間的系統阻抗電抗分 量，X q*q點到串補裝置線路側出口線路阻抗電抗分量，此時Xq*0歐姆，當Xcq' >XS+Xq且MOV 動作時，則確定k點故障時線路首端保護安裝處不會發生電流反向，轉入步驟(3);當X。，> X s+Xq且MOV沒動作時，則確定q點故障時線路首端保護安裝處會發生電流反向，步驟結束;當 X cq ' <XS+Xq時，無論M0V是否動作，均確定k點故障時線路首端保護安裝處不會發生電流反 向，轉入步驟(3);
[0012] (3)將故障點選取在遠離串補裝置的臨界點p處，在p點處串補裝置具有額定阻抗 電抗分量Xc = Xs+XiP特征，其中X。為串補裝置中電容器額定容抗，XiPS串補裝置線路側出口 點到臨界點P點之間的線路阻抗電抗分量，然后進入步驟(4);
[0013] ⑷將故障點選取在串補裝置線路側出口點q與臨界點p點之間K點，所述k點經過 二分法確定，當K點發生經與步驟(2)中相同的過渡電阻接地故障且M0V動作時，計算串補裝 置中M0V導通后的整個串補裝置等效阻抗電抗分量X ck'并與當前選取的故障點K背后系統阻 抗電抗分量Xs+Xik比較大小，其中，Xik為串補裝置線路側出口點到當前選取的故障點K之間 的線路阻抗電抗分量，當X ck ' >Xs+Xik且M0V動作時，則確定k點故障時線路首端保護安裝處 不會發生電流反向，需將故障點從k點向p點移動，重復本步驟(4)，直到找出發生經過渡電 阻接地故障但M0V不動作的點，即確定線路首端保護安裝處會發生電流反向的故障點，步驟 結束；當X ck'>Xs+Xik且M0V沒有動作時，則確定k點故障時線路首端保護安裝處會發生電流 反向，步驟結束；當Xd/ <XS+Xik時，無論M0V是否動作均需選擇1^點替換q點之后與p點間的新 的k點為故障點，重復本步驟(4)，直到找出滿足Xa' >XS+Xik且M0V沒有動作的點，可確定線 路首端保護安裝處會發生電流反向的故障點，步驟結束。
[0014] 本發明進一步優選包括以下技術方案：
[0015] 所述過渡電阻根據串補裝置所在輸電線路不同的電壓等級、處于不同系統運行方 式來預先設定和估算，過渡電阻取值范圍從串補線路所屬電壓等級經典型最大過渡電阻接 地故障值到串補安裝位置線路側出口側發生經過渡電阻接地故障M0V恰好導通的過渡電阻 值，具體取多大值需要通過離線仿真進行估算。
[0016] 500kV輸電線路的過渡電阻優選為300Q，220kV輸電線路的過渡電阻優選為100 Q 〇
[0017]所述K點為串補裝置線路側出口點q和p點之間的中點。
[0018] 本發明具有以下有益的技術效果：
[0019] 本發明針對安裝有串補裝置的輸電線路在發生故障時是否存在電流反向問題提 出的一種判斷方法。此方法對新建或擴建串補線路工程在設計、設備選型、定值整定階段提 供一種便捷的評測方法，通過預先對輸電系統的分析可以盡早的消除或避免含有串補裝置 的線路因電流反向問題使系統在故障時對線路保護動作產生諸多不利因素，針對存在的問 題選擇相應的應對措施來進一步提升電網的穩定性、可靠性以及安全性。
【附圖說明】
[0020]圖1典型串補線路安裝示意圖；
[0021 ]圖2串補線路保護等效阻抗模型示意圖；
[0022]圖3串補裝置結構示意圖；
[0023] 圖4串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的判斷方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合說明書對本發明的技術方案作進一步詳細介紹。
[0025] 附圖1所示為安裝有單個串補裝置的輸電線路系統圖，線路MN兩側系統分別為Em、 En，在M側、N側靠近母線側分別安裝有線路保護1、線路保護2,串補裝置安裝在M側母線與首 端線路出口處，K為距串補裝置線路側出口處故障點。
[0026] 附圖2為附圖1經過渡電阻接地故障的等效阻抗示意圖，Em*M側母線背后系統電 源，Um*M側母線電壓，流過M側母線保護1安裝處的電流側母線之間的線路正序阻 抗匕，串補裝置額定阻抗Z。，串補裝置線路出口處到故障點之間的線路正序阻抗側 母線背后系統電源，U n*N側母線電壓，流過N側母線保護2安裝處的電流In，F故障點經過渡 電阻Rg接地。q點為距串補裝置線路側出口處故障點，P點為MOV沒有動作時串補線路發生電 流反向臨界故障點，k為q點與p點之間的中點故障點。Im為M側母線流過保護1安裝處的故障 電流，In為流過保護2安裝處的故障電流。判斷附圖2所示串補線路(或本等值阻抗輸電系 統)是否會發生電流反向，通過選取串補線路上幾個典型的故障特征位置q點、P點、k點經相 同過渡電阻接地故障，可以通過故障仿真方法并計算不同故障位置時串補裝置(包括MOV) 兩側的電壓和電流，計算出串補裝置MOV導通后的等效阻抗電抗分量X/，在滿足串補等效 阻抗大于故障點背后系統等值阻抗前提下，結合串補裝置MOV的動作情況進一步判斷該串 補線路或附圖2所示系統是否存在電流反向特征。
[0027] 附圖3給出了串補裝置安裝結構示意圖，串補裝置包括串補電容Xc、M0V、間隙保護 Gap、旁路開關Breaker組成。
[0028] 附圖4給出了本申請公開的串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的判斷方法 流程示意圖，具體方案如下：
[0029] 步驟（1):首先要分析串補線路發生接地故障的屬性，當串補線路發生接地故障 時，判斷所屬故障是金屬性接地故障還是經過渡電阻接地故障，當線路發生的故障為金屬 性接地故障時，此時心為〇，由以下公式可得出串補裝置上的電壓降：
[0031] 其中Zs = Rs+j*Xs(Rs、Xs為串補裝置背后系統等值正序電阻、正序電抗)Zc = Rc-j*Xc (Rc、Xc為串補裝置的等效電阻、等效電抗hZFRi+j+XidXi為保護1安裝處到故障點之間 的線路正序電阻和正序電抗），對上述公式進行簡化處理得：
[0033]由公式可知，當心為0，認為串補線路發生金屬性接地故障，可得如下公式：
[0035] 在忽略Rs、心、RC情況下，上述公式可簡化為| Uc | = k* | E |，必有k> 1，此時串補裝置 間隙一定會被擊穿，流過保護安裝處的電流方向不會發生反向，當所屬串補線路故障為經 過渡電阻接地故障時，需轉入步驟(2);
[0036] 步驟(2):為便于分析串補線路在不同位置發生經過渡電阻接地故障時獲取M側母 線流過保護1安裝處的電流、串補裝置兩側電壓電氣特征量，見圖2所示，判斷串補裝置靠近 線路側出口 q點故障時M側母線保護1安裝處是否存在電流反向特征，當q點經過渡電阻接地 故障時，I^M側母線流過保護1安裝處的電流也即流過串補裝置電流，即I m，可表示為：
[0038]通常通過計算串補裝置MOV導通后的等效阻抗的電抗分量Xck'與其背后系統阻抗 電抗分量Xs+Xlq的大小，當(毛+ & - ) < 0 ,即有X'cq>Xs+X1(^M0V動作時，串補裝置被 旁路，則確定該串補線路(或者該串補線路首未端背后等值系統)不會發生電流反向，否則 MOV沒動作需轉入步驟(3);
[0039]步驟(3):判斷遠離串補裝置線路側出口 p點(p點為M側保護1發生電流反向的臨界 點，此處有X ' CP = XS+Xi^件成立，其中XiP為串補裝置線路側出□ q點到p點的線路正序阻抗 電抗分量)是否發生電流反向，當故障點沿線路右移至與步驟(2)中相同的最大過渡電阻接 地故障P點時，同樣可得流過P點的故障電流，即I n:
[0041] 計算串補裝置MOV導通后的等效容抗XCP'與其背后系統阻抗電抗分量Xs+Xlp大小， 當U s +心-Xcp) < 0,即有X'CP>XS+X1P且且MOV動作，串補裝置被旁路，則確定該串補線 路(或者該串補所在線路首未端背后等值系統)不會發生電流反向；否則MOV沒動作需轉入 步驟(4);
[0042] 由步驟⑵、（3)公式可以得出，因XiP >Xiq，則必有> Zw，所以^必然小于Ik。也 就是說，隨著故障點不斷遠離串補裝置，故障電流在逐漸減小，串補裝置等效阻抗電抗分量 逐漸增大，而越大，就越容易發生電流反向，當增大到超過了Xs+Xi，則意味著發生 了電流反向。
[0043] 步驟(4):將故障點選取在串補裝置線路側出口點q與臨界點p點之間K點，k點的選 擇我們采用二分法即取q與P的中點作為故障點，當K點發生經與步驟(2)中相同的過渡電阻 接地故障且M0V動作時，計算串補裝置中M0V導通后的整個串補裝置等效阻抗電抗分量X ck' 并與當前選取的故障點K背后系統阻抗電抗分量Xs+Xlk&較大小，其中，X lk*串補裝置線路 偵拙口點到當前選取的故障點K之間的線路阻抗電抗分量，當Xck' >XS+Xik且MOV動作時，則 確定k點故障時線路首端保護安裝處不會發生電流反向，需將故障點從k點向p點移動，重復 本步驟(4)，直到找出MOV不動作的點，可確定線路首端保護安裝處會發生電流反向的故障 點，步驟結束；當Xa ' >XS+Xik且MOV沒有動作時，則確定k點故障時線路首端保護安裝處會發 生電流反向，步驟結束;當Xa ' <XS+Xik時，無論MOV是否動作均需選擇k點替換q點之后與p點 間的新的k點為故障點，重復本步驟(4)，直到找出滿足X ck' >XS+Xik且MOV沒有動作的點，可 確定線路首端保護安裝處會發生電流反向的故障點，步驟結束。
[0044]
【申請人】結合說明書附圖以及表格對本發明的實施例做了詳細的說明與描述，但是 本領域技術人員應該理解，以上實施例中各故障信息分數值以及影響因素修正系數僅為本 發明的優選實施方案，本領域技術人員在本發明的發明思想下完全可能根據具體的發電機 組勵磁系統型號和實際工況對故障信息分數值以及影響因素修正系數進行合理的選擇或 修改。總之，本申請詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發明精神，而并非對本發明 保護范圍的限制，相反，任何基于本發明的發明精神所作的任何改進或修飾都應當落在本 發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法，其中，線路保護裝置設 置在線路首端位置，串補裝置安裝在靠近線路保護裝置的線路段上，其特征在于： 選取串補線路上經過渡電阻接地的不同故障位置點，根據串補裝置中的金屬氧化物限 壓器MOV導通后串補裝置等效阻抗電抗分量X'。大小的變化判斷流過保護安裝處的電流是 否具有反向特征，進而確定串補線路系統即本側母線及背后等值系統是否會發生電流反 向。2. -種評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法，其中，線路本側保護裝 置安裝在線路本側首端位置，串補裝置安裝在靠近線路本側保護裝置的線路段上;其特征 在于，評估方法包括以下步驟： (1) 分析串補線路的接地故障屬性，即判斷所述接地故障是金屬性接地故障還是經過 渡電阻接地故障，當發生的故障為金屬性接地故障時，則流過保護安裝處的電流方向不會 發生反向，步驟結束;當所屬故障為經過渡電阻接地故障時，需轉入步驟(2); (2) 將故障點選取在串補裝置線路側出口點q處，其中所述串補裝置線路側出口點是指 串補裝置在背向本側母線的線路出口位置，當q點經過渡電阻接地故障并且MOV動作時，計 算串補裝置中MOV動作后的整個串補裝置的等效阻抗的電抗分量X。，與故障點q背后系統阻 抗電抗分量X s+Xq的大小，其中Xcq '為在q點發生經過渡電阻接地故障時并且MOV動作后串補 裝置的串補阻抗電抗分量，Xs為本側系統電源與本側母線之間的系統阻抗電抗分量，X qSq 點到串補裝置線路側出口線路阻抗電抗分量，此時Xq為〇歐姆，當Xcq' >XS+Xq且MOV動作時， 則確定k點故障時線路首端保護安裝處不會發生電流反向，轉入步驟(3);當XcV >XS+Xq且 MOV沒動作時，則確定q點故障時線路首端保護安裝處會發生電流反向，步驟結束；當Xcq ' < Xs+Xq時，無論MOV是否動作，均確定k點故障時線路首端保護安裝處不會發生電流反向，轉入 步驟(3); (3) 將故障點選取在遠離串補裝置的臨界點p處，在p點處串補裝置具有額定阻抗電抗 分量Xc=Xs+X lp特征，其中Xc為串補裝置中電容器額定容抗，Xlp為串補裝置線路側出口點到 臨界點P點之間的線路阻抗電抗分量，然后進入步驟(4); (4) 將故障點選取在串補裝置線路側出口點q與臨界點p點之間K點，所述k點經過二分 法確定，當K點發生經與步驟(2)中相同的過渡電阻接地故障且MOV動作時，計算串補裝置中 MOV導通后的整個串補裝置等效阻抗電抗分量Xa'并與當前選取的故障點K背后系統阻抗電 抗分量Xs+Xik比較大小，其中，Xik為串補裝置線路側出口點到當前選取的故障點K之間的線 路阻抗電抗分量，當Xck' >XS+Xik且MOV動作時，貝議定k點故障時線路首端保護安裝處不會 發生電流反向，需將故障點從k點向p點移動，重復本步驟(4)，直到找出發生經過渡電阻接 地故障但MOV不動作的點，即確定線路首端保護安裝處會發生電流反向的故障點，步驟結 束；當X ck' >XS+Xik且MOV沒有動作時，貝議定k點故障時線路首端保護安裝處會發生電流反 向，步驟結束；當Xa' <XS+Xik時，無論MOV是否動作均需選擇k點替換q點之后與p點間的新的 k點為故障點，重復本步驟(4)，直到找出滿足Xck ' >Xs+Xik且MOV沒有動作的點，可確定線路 首端保護安裝處會發生電流反向的故障點，步驟結束。3. 根據權利要求2所述的評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法，其特 征在于： 所述過渡電阻根據串補裝置所在輸電線路不同的電壓等級預先設定。4. 根據權利要求3所述的評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法，其特 征在于： 500kV輸電線路的過渡電阻選為300Ω，220kV輸電線路的過渡電阻選為100Ω。5. 根據權利要求2所述的評估串補線路故障時保護安裝處發生電流反向的方法，其特 征在于： 所述K點為串補裝置線路側出口點q和p點之間的中點。
【文檔編號】G01R31/08GK105929304SQ201610308160
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】丁曉兵, 陳朝暉, 李捷, 李正紅, 邱建, 杜兆強, 劉永信
【申請人】中國南方電網有限責任公司, 北京四方繼保自動化股份有限公司