电流差动保护的电容电流补偿方法研究

郑茂华

摘要：据多年相关经验得知，为保障超高压输电线路安全平稳的运行，需要输电线路主保护可以可靠快速的切除线路首次发生的故障，输电线路保护的动作时间应安排2个周波以内。电流差动保护原理，理论上基于基尔霍夫电流定律，所需电气量少，原理简单，灵敏度高，动作速度快，是输电线路最理想的主保护之一。但在超高压输电线路中，分布电容电流的存在是影响电流差动保护灵敏度和选择性的主要因素。目前这个问题仍未被很好解决。

关键词：电流差动保护；电容电流；补偿方法

引言

电流差动保护是继电保护的一种，是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的。在电力系统线路、变压器、发电机保护中均有运用。电流互感器是差动保护构成的主要原器件。电流互感器选型及性能直接影响保护动作可靠性。在实际工作中遇到因电流互感器选择不当，接线不当引起保护误动。后经现场检查，按相关规定对设备进行测试，对试验数据进行分析后提出技改；将电流互感器进行重新选型更换并纠正错误接线后，设备运行正常未出现保护误动情况。

1超压输电线路电容电流

当线路中电压等级比较低，线路较短的情况下，线路中存在的分布电容电流基本可以忽略不计。超高压输电线路中为满足远距离，大容量的输电要求往往线路采用分裂导线，分裂导线的采用会使得电感减小、电容增大，同时输电距离比较长，会使得相与地、相与相之间的分布电容电流显著增加，并且达到很高的水平。大的电容电流对差动保护会产生很大的影响，会使得线路两端的电压、电流的幅值大小和相位大小都会发生很大的畸变，被保护线路两端测量电流不会再满足基尔霍夫电流定律，保护性能受到一定影响，保护会误动或是不动作。

2常用电容电流补偿方法分析

3.1差动电流补偿原理

分布电容电流的补偿方法往往都是用在输电线路集中参数模型中，也就是用在典型的Τ型和Π型等值电路中，相对于Τ型等值电路，Π型等值电路在响应特性上更加接近于分布参数线路模型。但是在分析超高压输电线路的情况时，由于线路本身的特性与中低压线路有很大的差别，如果继续采用集中参数模型会有比较大的误差，就需要用分布参数模型来建立超高压输电线路，但是如果在研究过程中只需要用到两端电压、电流存在的关系时，可把线路近似看成是集中参数等值电路。对于电容电流补偿的基本原理用Π型等值电路来说明，由电流差动保护的基本原理可知，以母线流向线路方向为正参考方向时，在正常运行、区外故障以及空载合闸等线路情况下， 线路保护应该不动作。但由于电容电流存在等式不再成立，由Π型等值电路可知存在：

在电容电流不大的情况下，可以通过提高差动保护门槛值，来躲过不平衡电流，提高保护可靠性。而在超高压输电线路中由于电容很大，单一靠提高门槛值的话，会降低保护的灵敏性，在发生区内故障时保护就有可能不动作。通常用测得电流减去电容电流后的电流值来作为差动保护判据的构成，即未发生内部故障时

成立。电容电流补偿有半补偿、全补偿，以下分析基于目前用的比较多的半补偿法，即两端各补偿电路电容电流一半，也就是双端电压量补偿。

3.2消弧线圈补偿装置类型

消弧线圈补偿装置分为自动补偿和固定补偿两种。1)调匝式消弧线圈调匝式消弧线圈是自动补偿消弧线圈补偿装置中的一种，它将绕组按不同的匝数抽出若干个分接头，用有载分接开关进行切换，改变接入的匝数，从而改变电感量。ＸＨＫ－ＩＩ－ＺＰ＋型消弧线圈自动调谐装置属于有载调匝式消弧线圈，其调节模式根据母联分位和母联合位的情况来调节。消弧线圈自动调谐装置判断母联合位的条件有３个：装置接线满足主从关系；系统母联开关在合位；装置所测中点电流不小于０．０１Ａ。当这３个条件同时满足时，２台自动补偿装置工作在母联合位调节模式下；其中１条不满足，则工作在母联分位调节模式下。以总降１０ｋＶ运行方式为例。总降１０ｋＶ母线分段运行时，两段的消弧线圈也属于分段调节，各自补偿所在母线侧的电容电流，而此时系统总电容电流是２台消弧线圈所测得的电容电流之和。当１０ｋＶ母联在合位且装置所测中点电流大于０．０１Ａ时，２台自动补偿装置共同补偿整个母线的电容电流，动作关系为主机先补偿、从机依次再补偿，直到满足所设定的残流范围。2)固定补偿装置固定补偿式消弧线圈是根据计算总电容电流进行选择的。固定补偿的消弧线圈一般采用过补偿方式，使电感电流大于单相接地电容电流，以达到熄灭电弧的目的。3)消弧线圈优缺点的对比固定补偿的消弧线圈一般采用过补偿方式，优点是装置价格低、接线简单；缺点是补偿方式不灵活、调节范围受限。调匝式自动补偿的消弧线圈采用预调式进行补偿，优点是可根据系统电容电流大小进行补偿，一次设备简单、可靠性高，不会产生谐波；缺点是受有载开关和电压的限制，一般在额定电流的２０％～８０％之间进行补偿。

3.3电容电流的稳态补偿方法

电容电流稳态补偿法（也称为相量补偿法）是在工频量方式下的一种补偿方法，即利用两端电压相量值可分别求得两端电容电流，对两端电流相量进行补偿，消除电容电流带来的误差，使得差流值尽可能为零，保护更加灵敏，未发生故障时，线路是稳定状态，三相之间参数有线路对地容纳Y d，相间容纳为Y x，两端分别补偿的电容电流为：

上公式中第一个式子求的是m端A相的电容电流，U觶ma为m端A相电压， 分别为A、B和A、C相之间的线电压。按照公式可相应求出正常运行时线路两端每相要补偿的电容电流。发生内部或外部不对称故障时，线路三相对称性破坏，利用对称分量法将一组不对称的三相量分解为正序、负序、零序对称的三相量，然后求两端的电容电流：

式中 为m、n端的相电压，输电线路参数中正序参数与负序参数相等所以有Y 1=Y 2，两端每相的电容电流都可按上公式求得。

3.4电容电流的时域补偿方法

线路暂态情况下时，会产生许多电压高频分量，高频分量的出现会带来很大的电容电流，会使线路电流波形畸变严重，因而高频电容电流严重影响到差动保护正确动作。有文献提出基于线路等值电路微分方程下的时域补偿法，能够对稳态和暂态电容电流给予有效的补偿。根据电路基本知识可知，电压和电容电流之间存在如下关系： 求解时，利用数值微分的方法近似求解导数：

求解时，利用数值微分的方法近似求解导数：根据上面的式子可以看出，时域电容电流补偿就是按照上式中的求电容电流的微分式子对每个采样点都进行计算，求得每个采样点所对应时刻下应该补偿的电容电流，因而能够有效的补偿暂态电容电流和稳态电容电流。对时域下补偿方式的分析仍然采用Π型等值电路的半补偿法。未发生故障时，由电路原理可列出A相m端和n端需补偿的电容电流为：

利用数值微分近似求解导数可将上式化为:

式中C d为每相的对地电容，C x为两相之间的相间电容。类似的可求得两端每相需要补偿的电容电流瞬时值。

结语

本文基于目前高压输电线路的电流差动保护及考虑到的电容电流补偿角度出发，从理论上分析了电容电流对差动保护的影响，对实际应用有一定性意义。

参考文献

[1]高厚磊，江世芳，贺家李．输电线路新型电流差动保护的研究[J]．中国电机工程学报，1999，19（8）：49-53．

[2]杨经超，尹项根，陈德树，等．采样值差动保护动作特性的研究[J]．中国电机工程学报，2003，23（9）：71-77．

[3]夏明超，黄益庄，王勋．高压输电线路暂态保护的发展与现状[J]．电网技术，2002，26（11）：65-69．