一种评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法
【专利摘要】一种评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法。通过选取串补线路特征故障点经过渡电阻接地故障分析串补线路电气特征，判断串补线路电流反向特征。先确认串补线路故障属性(金属性或过渡电阻接地)，金属性接地故障串补装置一定被旁路，不考虑电流反向；经过渡电阻接地故障，需比较串补装置安装点背后系统等值阻抗(称系统阻抗)与串补装置等效阻抗(称串补阻抗)大小，系统阻抗大于串补阻抗，不考虑电流反向；系统阻抗小于串补阻抗，需根据不同故障点位置经过渡电阻接地故障时串补等效阻抗变化特征结合金属氧化物限压器(MOV)动作情况确定电流反向特征，提供判断串补线路发生电流反向的一种方法。
【专利说明】
一种评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统领域，具体地涉及为电力系统中串补线路上发生故障时系统 异常的评估手段，是一种通过理论分析串补线路发生故障时，线路保护安装处是否存在电 流反向的判断方法。
【背景技术】
[0002] 目前电网西电东送容量大，送电距离长，线路回数较多，为了充分发挥交流通道的 送电能力，确保西电东送目标得以实现，在西电东送交流主通道上大量使用了串联补偿电 容(简称串补装置)设备。串补工程的投运，具有控制系统潮流、提高系统稳定性、抑制系统 低频振荡和次同步谐振等作用，对提高电网的安全稳定水平具有重要意义。
[0003] 在输电线路增加串补装置以后，由于串补装置电容呈负阻抗特性，破坏了输电线 阻抗的均匀性，给继电保护带来了重大影响，继电保护性能与串补安装位置以及不同的串 补度(指串补阻抗值与全线路阻抗的比值，本发明主要针对欠补偿串补线路进行电流反向 特征判别）都有很大的关系，会面临"电压反向"和"电流反向"的问题。随着电力系统的发 展，含串补装置的线路继电保护面临着一些新的问题，譬如当串补装置安装于线路首端时， 串补装置阻抗值若大于背后系统等值阻抗，就会面临"电流反向"问题，所谓电流反向，是指 当串补线路上发生故障时，若故障电流方向为由系统指向故障点，则为正常相位;若故障电 流方向由故障点指向系统，则为电流反向。在线路保护分析中正向是指由母线指向线路为 正向。
[0004] 本发明通过理论分析当串补装置安装于线路一侧，即靠近线路首端线路保护安装 位置时，根据串补线路发生故障时分析故障点电气特征量判断在线路保护安装处发生电流 反向的可能性。此方法的应用可以有效的指导设计和继保人员在线路新建、设计规划阶段 确定串补电容的可靠安装位置、电网架构规划方面来进一步避免以后线路故障给继电保护 带来的特殊问题。
【发明内容】
[0005] 本发明主要针对安装有串补装置的输电线路在发生故障时判断保护安装处是否 存在电流反向问题提出的一种分析方法。本发明为电网用户在输电线路保护设备的选型、 设计阶段提供有效的指导，从而使输电线路发生故障时进一步提升电网的稳定性、可靠性。
[0006] 本发明采用如下技术方案。
[0007] -种评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法，其中，线路保护装置 设置在线路首端位置，串补装置安装在靠近线路保护装置的线路段上;其特征在于：
[0008] 选取串补线路上经过渡电阻接地的特征故障点，根据串补装置中的金属氧化物限 压器(简称MOV)动作后串补装置等效阻抗电抗分量X'。大小的变化判断线路首端保护安装 处是否存在电流反向特征，最终决定串补线路保护的功能选型。
[0009] 本申请公开的评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法，其中，线路 本侧保护装置设置在线路本侧首端位置，串补装置安装在靠近线路本侧保护装置的线路段 上;其特征在于，评估方法包括以下步骤：
[0010] (1)分析串补线路的接地故障属性，即判断所述接地故障是金属性接地故障还是 经过渡电阻接地故障，当发生的故障为金属性接地故障时，则流过保护安装处的电流方向 不会发生反向，当所属故障为经过渡电阻接地故障时，需转入步骤(2);
[0011] (2)将故障点选取在串补装置线路侧出口点q处，其中所述串补装置线路侧出口点 是指串补装置在背向本侧母线的线路出口位置，当q点经过渡电阻接地故障并且MOV动作 时，计算串补装置中MOV动作后的整个串补装置的等效阻抗的电抗分量X。/与故障点q背后 系统阻抗电抗分量X s+Xq的大小，其中Xcq'为在q点发生经过渡电阻接地故障时并且MOV动作 后，串补装置的等效抗阻电抗分量，1为本侧系统电源与本侧母线之间的系统阻抗电抗分 量，X q*q点到串补装置线路侧出口线路阻抗电抗分量，此时Xq*0欧姆，当Xcq' >XS+Xq且MOV 动作时，则确定k点故障时线路首端保护安装处不会发生电流反向，转入步骤(3);当X。，> X s+Xq且MOV没动作时，则确定q点故障时线路首端保护安装处会发生电流反向，步骤结束;当 X cq ' <XS+Xq时，无论M0V是否动作，均确定k点故障时线路首端保护安装处不会发生电流反 向，转入步骤(3);
[0012] (3)将故障点选取在远离串补装置的临界点p处，在p点处串补装置具有额定阻抗 电抗分量Xc = Xs+XiP特征，其中X。为串补装置中电容器额定容抗，XiPS串补装置线路侧出口 点到临界点P点之间的线路阻抗电抗分量，然后进入步骤(4);
[0013] ⑷将故障点选取在串补装置线路侧出口点q与临界点p点之间K点，所述k点经过 二分法确定，当K点发生经与步骤(2)中相同的过渡电阻接地故障且M0V动作时，计算串补装 置中M0V导通后的整个串补装置等效阻抗电抗分量X ck'并与当前选取的故障点K背后系统阻 抗电抗分量Xs+Xik比较大小，其中，Xik为串补装置线路侧出口点到当前选取的故障点K之间 的线路阻抗电抗分量，当X ck ' >Xs+Xik且M0V动作时，则确定k点故障时线路首端保护安装处 不会发生电流反向，需将故障点从k点向p点移动，重复本步骤(4)，直到找出发生经过渡电 阻接地故障但M0V不动作的点，即确定线路首端保护安装处会发生电流反向的故障点，步骤 结束；当X ck'>Xs+Xik且M0V没有动作时，则确定k点故障时线路首端保护安装处会发生电流 反向，步骤结束；当Xd/ <XS+Xik时，无论M0V是否动作均需选择1^点替换q点之后与p点间的新 的k点为故障点，重复本步骤(4)，直到找出满足Xa' >XS+Xik且M0V没有动作的点，可确定线 路首端保护安装处会发生电流反向的故障点，步骤结束。
[0014] 本发明进一步优选包括以下技术方案：
[0015] 所述过渡电阻根据串补装置所在输电线路不同的电压等级、处于不同系统运行方 式来预先设定和估算，过渡电阻取值范围从串补线路所属电压等级经典型最大过渡电阻接 地故障值到串补安装位置线路侧出口侧发生经过渡电阻接地故障M0V恰好导通的过渡电阻 值，具体取多大值需要通过离线仿真进行估算。
[0016] 500kV输电线路的过渡电阻优选为300Q，220kV输电线路的过渡电阻优选为100 Q 〇
[0017]所述K点为串补装置线路侧出口点q和p点之间的中点。
[0018] 本发明具有以下有益的技术效果：
[0019] 本发明针对安装有串补装置的输电线路在发生故障时是否存在电流反向问题提 出的一种判断方法。此方法对新建或扩建串补线路工程在设计、设备选型、定值整定阶段提 供一种便捷的评测方法，通过预先对输电系统的分析可以尽早的消除或避免含有串补装置 的线路因电流反向问题使系统在故障时对线路保护动作产生诸多不利因素，针对存在的问 题选择相应的应对措施来进一步提升电网的稳定性、可靠性以及安全性。
【附图说明】
[0020]图1典型串补线路安装示意图；
[0021 ]图2串补线路保护等效阻抗模型示意图；
[0022]图3串补装置结构示意图；
[0023] 图4串补线路故障时保护安装处发生电流反向的判断方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合说明书对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
[0025] 附图1所示为安装有单个串补装置的输电线路系统图，线路MN两侧系统分别为Em、 En，在M侧、N侧靠近母线侧分别安装有线路保护1、线路保护2,串补装置安装在M侧母线与首 端线路出口处，K为距串补装置线路侧出口处故障点。
[0026] 附图2为附图1经过渡电阻接地故障的等效阻抗示意图，Em*M侧母线背后系统电 源，Um*M侧母线电压，流过M侧母线保护1安装处的电流侧母线之间的线路正序阻 抗匕，串补装置额定阻抗Z。，串补装置线路出口处到故障点之间的线路正序阻抗侧 母线背后系统电源，U n*N侧母线电压，流过N侧母线保护2安装处的电流In，F故障点经过渡 电阻Rg接地。q点为距串补装置线路侧出口处故障点，P点为MOV没有动作时串补线路发生电 流反向临界故障点，k为q点与p点之间的中点故障点。Im为M侧母线流过保护1安装处的故障 电流，In为流过保护2安装处的故障电流。判断附图2所示串补线路(或本等值阻抗输电系 统)是否会发生电流反向，通过选取串补线路上几个典型的故障特征位置q点、P点、k点经相 同过渡电阻接地故障，可以通过故障仿真方法并计算不同故障位置时串补装置(包括MOV) 两侧的电压和电流，计算出串补装置MOV导通后的等效阻抗电抗分量X/，在满足串补等效 阻抗大于故障点背后系统等值阻抗前提下，结合串补装置MOV的动作情况进一步判断该串 补线路或附图2所示系统是否存在电流反向特征。
[0027] 附图3给出了串补装置安装结构示意图，串补装置包括串补电容Xc、M0V、间隙保护 Gap、旁路开关Breaker组成。
[0028] 附图4给出了本申请公开的串补线路故障时保护安装处发生电流反向的判断方法 流程示意图，具体方案如下：
[0029] 步骤（1):首先要分析串补线路发生接地故障的属性，当串补线路发生接地故障 时，判断所属故障是金属性接地故障还是经过渡电阻接地故障，当线路发生的故障为金属 性接地故障时，此时心为〇，由以下公式可得出串补装置上的电压降：
[0031] 其中Zs = Rs+j*Xs(Rs、Xs为串补装置背后系统等值正序电阻、正序电抗)Zc = Rc-j*Xc (Rc、Xc为串补装置的等效电阻、等效电抗hZFRi+j+XidXi为保护1安装处到故障点之间 的线路正序电阻和正序电抗），对上述公式进行简化处理得：
[0033]由公式可知，当心为0，认为串补线路发生金属性接地故障，可得如下公式：
[0035] 在忽略Rs、心、RC情况下，上述公式可简化为| Uc | = k* | E |，必有k> 1，此时串补装置 间隙一定会被击穿，流过保护安装处的电流方向不会发生反向，当所属串补线路故障为经 过渡电阻接地故障时，需转入步骤(2);
[0036] 步骤(2):为便于分析串补线路在不同位置发生经过渡电阻接地故障时获取M侧母 线流过保护1安装处的电流、串补装置两侧电压电气特征量，见图2所示，判断串补装置靠近 线路侧出口 q点故障时M侧母线保护1安装处是否存在电流反向特征，当q点经过渡电阻接地 故障时，I^M侧母线流过保护1安装处的电流也即流过串补装置电流，即I m，可表示为：
[0038]通常通过计算串补装置MOV导通后的等效阻抗的电抗分量Xck'与其背后系统阻抗 电抗分量Xs+Xlq的大小，当(毛+ & - ) < 0 ,即有X'cq>Xs+X1(^M0V动作时，串补装置被 旁路，则确定该串补线路(或者该串补线路首未端背后等值系统)不会发生电流反向，否则 MOV没动作需转入步骤(3);
[0039]步骤(3):判断远离串补装置线路侧出口 p点(p点为M侧保护1发生电流反向的临界 点，此处有X ' CP = XS+Xi^件成立，其中XiP为串补装置线路侧出□ q点到p点的线路正序阻抗 电抗分量)是否发生电流反向，当故障点沿线路右移至与步骤(2)中相同的最大过渡电阻接 地故障P点时，同样可得流过P点的故障电流，即I n:
[0041] 计算串补装置MOV导通后的等效容抗XCP'与其背后系统阻抗电抗分量Xs+Xlp大小， 当U s +心-Xcp) < 0,即有X'CP>XS+X1P且且MOV动作，串补装置被旁路，则确定该串补线 路(或者该串补所在线路首未端背后等值系统)不会发生电流反向；否则MOV没动作需转入 步骤(4);
[0042] 由步骤⑵、（3)公式可以得出，因XiP >Xiq，则必有> Zw，所以^必然小于Ik。也 就是说，随着故障点不断远离串补装置，故障电流在逐渐减小，串补装置等效阻抗电抗分量 逐渐增大，而越大，就越容易发生电流反向，当增大到超过了Xs+Xi，则意味着发生 了电流反向。
[0043] 步骤(4):将故障点选取在串补装置线路侧出口点q与临界点p点之间K点，k点的选 择我们采用二分法即取q与P的中点作为故障点，当K点发生经与步骤(2)中相同的过渡电阻 接地故障且M0V动作时，计算串补装置中M0V导通后的整个串补装置等效阻抗电抗分量X ck' 并与当前选取的故障点K背后系统阻抗电抗分量Xs+Xlk&较大小，其中，X lk*串补装置线路 侦拙口点到当前选取的故障点K之间的线路阻抗电抗分量，当Xck' >XS+Xik且MOV动作时，则 确定k点故障时线路首端保护安装处不会发生电流反向，需将故障点从k点向p点移动，重复 本步骤(4)，直到找出MOV不动作的点，可确定线路首端保护安装处会发生电流反向的故障 点，步骤结束；当Xa ' >XS+Xik且MOV没有动作时，则确定k点故障时线路首端保护安装处会发 生电流反向，步骤结束;当Xa ' <XS+Xik时，无论MOV是否动作均需选择k点替换q点之后与p点 间的新的k点为故障点，重复本步骤(4)，直到找出满足X ck' >XS+Xik且MOV没有动作的点，可 确定线路首端保护安装处会发生电流反向的故障点，步骤结束。
[0044]
【申请人】结合说明书附图以及表格对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是 本领域技术人员应该理解，以上实施例中各故障信息分数值以及影响因素修正系数仅为本 发明的优选实施方案，本领域技术人员在本发明的发明思想下完全可能根据具体的发电机 组励磁系统型号和实际工况对故障信息分数值以及影响因素修正系数进行合理的选择或 修改。总之，本申请详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明 保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本 发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法，其中，线路保护装置设 置在线路首端位置，串补装置安装在靠近线路保护装置的线路段上，其特征在于： 选取串补线路上经过渡电阻接地的不同故障位置点，根据串补装置中的金属氧化物限 压器MOV导通后串补装置等效阻抗电抗分量X'。大小的变化判断流过保护安装处的电流是 否具有反向特征，进而确定串补线路系统即本侧母线及背后等值系统是否会发生电流反 向。2. -种评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法，其中，线路本侧保护装 置安装在线路本侧首端位置，串补装置安装在靠近线路本侧保护装置的线路段上;其特征 在于，评估方法包括以下步骤： (1) 分析串补线路的接地故障属性，即判断所述接地故障是金属性接地故障还是经过 渡电阻接地故障，当发生的故障为金属性接地故障时，则流过保护安装处的电流方向不会 发生反向，步骤结束;当所属故障为经过渡电阻接地故障时，需转入步骤(2); (2) 将故障点选取在串补装置线路侧出口点q处，其中所述串补装置线路侧出口点是指 串补装置在背向本侧母线的线路出口位置，当q点经过渡电阻接地故障并且MOV动作时，计 算串补装置中MOV动作后的整个串补装置的等效阻抗的电抗分量X。，与故障点q背后系统阻 抗电抗分量X s+Xq的大小，其中Xcq '为在q点发生经过渡电阻接地故障时并且MOV动作后串补 装置的串补阻抗电抗分量，Xs为本侧系统电源与本侧母线之间的系统阻抗电抗分量，X qSq 点到串补装置线路侧出口线路阻抗电抗分量，此时Xq为〇欧姆，当Xcq' >XS+Xq且MOV动作时， 则确定k点故障时线路首端保护安装处不会发生电流反向，转入步骤(3);当XcV >XS+Xq且 MOV没动作时，则确定q点故障时线路首端保护安装处会发生电流反向，步骤结束；当Xcq ' < Xs+Xq时，无论MOV是否动作，均确定k点故障时线路首端保护安装处不会发生电流反向，转入 步骤(3); (3) 将故障点选取在远离串补装置的临界点p处，在p点处串补装置具有额定阻抗电抗 分量Xc=Xs+X lp特征，其中Xc为串补装置中电容器额定容抗，Xlp为串补装置线路侧出口点到 临界点P点之间的线路阻抗电抗分量，然后进入步骤(4); (4) 将故障点选取在串补装置线路侧出口点q与临界点p点之间K点，所述k点经过二分 法确定，当K点发生经与步骤(2)中相同的过渡电阻接地故障且MOV动作时，计算串补装置中 MOV导通后的整个串补装置等效阻抗电抗分量Xa'并与当前选取的故障点K背后系统阻抗电 抗分量Xs+Xik比较大小，其中，Xik为串补装置线路侧出口点到当前选取的故障点K之间的线 路阻抗电抗分量，当Xck' >XS+Xik且MOV动作时，贝議定k点故障时线路首端保护安装处不会 发生电流反向，需将故障点从k点向p点移动，重复本步骤(4)，直到找出发生经过渡电阻接 地故障但MOV不动作的点，即确定线路首端保护安装处会发生电流反向的故障点，步骤结 束；当X ck' >XS+Xik且MOV没有动作时，贝議定k点故障时线路首端保护安装处会发生电流反 向，步骤结束；当Xa' <XS+Xik时，无论MOV是否动作均需选择k点替换q点之后与p点间的新的 k点为故障点，重复本步骤(4)，直到找出满足Xck ' >Xs+Xik且MOV没有动作的点，可确定线路 首端保护安装处会发生电流反向的故障点，步骤结束。3. 根据权利要求2所述的评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法，其特 征在于： 所述过渡电阻根据串补装置所在输电线路不同的电压等级预先设定。4. 根据权利要求3所述的评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法，其特 征在于： 500kV输电线路的过渡电阻选为300Ω，220kV输电线路的过渡电阻选为100Ω。5. 根据权利要求2所述的评估串补线路故障时保护安装处发生电流反向的方法，其特 征在于： 所述K点为串补装置线路侧出口点q和p点之间的中点。
【文档编号】G01R31/08GK105929304SQ201610308160
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】丁晓兵, 陈朝晖, 李捷, 李正红, 邱建, 杜兆强, 刘永信
【申请人】中国南方电网有限责任公司, 北京四方继保自动化股份有限公司