摘 要 分析了TCSC 对故障分量保护包括负（零）序功率方向保护、工频故障分量距离保护及工频故障分量方向保护的影响，认为：与常规串联补偿线路上的保护相比，在TCSC线路上故障分量保护的性能不会降低。
关键词 TCSC 动态基频阻抗 工频故障分量保护 负（零）序功率方向保护 工频故障分量距离保护 工频故障分量方向保护
分类号 TM 773 TM 571
THE INFLUENCE OF TCSC DYNAMIC POWER FREQUENCY IMPEDANCE
ON FAULT COMPONENT PROTECTION
Wang Weiguo, Yin Xianggen, Yu Jiang, Duan Xianzhong, Chen Deshu
Huazhong University of Science and Technology, 430074, Wuhan, China
Abstract This paper analyzes the influence of TCSC on the power frequency fault component protection including directional negative/zero sequence power relay, power frequency fault component distance relay, and directional power frequency fault component relay. Compared with the performance of those relays on lines with FSC, the performance of fault component protection used on line with TCSC will not be reduced.
Keywords TCSC dynamic power frequency impedance power frequency fault component protection relay directional negative/zero sequence power relay power frequency fault component distance relay directional power frequency fault component relay
0 引言
可控串联电容补偿器（TCSC）是一个重要的FACTS元件，由于其潜在的性能效益，在各国FACTS实践中均为首选的实用化装置。因此，不仅有必要深入研究TCSC对现有继电保护的影响，考察现有继电保护系统在TCSC线路上的适应性，而且有必要探索新的线路保护原理，结合现代计算机技术、控制技术和通信技术，构造适合TCSC运行环境的高性能的继电保护装置［1］。
近年来的TCSC工程运行状况及仿真研究在一定程度上证明了现有继电保护在TCSC线路上的适应性。但现有TCSC工程中使用故障分量保护的例子还不多见。文献［2］认为现有的能够用于常规串补线路的继电保护都能够用于TCSC线路；GE等知名公司的研究人员对现有继电保护装置的仿真研究也认为，现有的单相和多相线路继电器动作正确，仅有很少或没有性能降级［3］。但由于继电保护的复杂性，这方面的研究工作还有必要进一步深入展开。本文在文献［4］对动态基频阻抗研究的基础上，对故障分量保护在TCSC线路上的适应性进行了较系统的分析研究。本文涉及的故障分量保护包括负（零）序功率方向保护、工频故障分量距离保护和工频故障分量方向保护。
1 TCSC对故障分量保护的影响
1.1 TCSC对负（零）序功率方向保护的影响
负序、零序方向继电器分别比较各分量电压与电流的相位［5］。相对于图1所对应的负序分量计算网络(零序分量计算网络与图1相类似)，负序、零序功率方向继电器的动作条件为式(1)、式(2)。
(1)
(2)
式中 Zr2,Zr0为继电器的模拟阻抗，Zr2,Zr0的阻抗角分别与电源的负序和零序阻抗角相等。
图1 负序分量计算用网络图
Fig.1 Circuit for negative sequence
component calculation
文献［6］详细论述了常规串补对负序和零序功率方向继电器的影响。概括起来讲，对于图1所示的负序网络，无论是保护正方向不对称短路，还是反方向不对称短路，也不论串补电容在继电器与短路点之间，还是在短路点的反方向，只要串补电容不存在不对称击穿现象，且其容抗Xc小于系统感抗Zs，负序功率方向继电器都能正确作出反应。在实际系统中，通常能够满足上述约束条件，所以负序功率方向继电器不会有误动作。当采用TCSC补偿且补偿度相同的条件下，根据TCSC的动态基频阻抗特性，这一条件更易满足，因此继电器更不会有误动作。对于零序网络，当母线接有大容量变压器且中性点接地时，在常规串补(FSC)线路上，容抗Xc有可能大于系统感抗Zs，零序功率方向元件可能拒动。但在TCSC线路上，如果故障后TCSC的电容被旁路，TCSC会朝感性方向转化，故障初期短时的容性阻抗最多只会引起延时动作，不会发生拒动现象。如果TCSC的电容不被旁路，零序网络上的拒动现象仍有可能发生，但发生拒动的可能性比FSC线路上要小。但另一方面，当采用常规串补时，如果串补电容不对称短接，无论是负序网络还是零序网络，在短路条件下都有可能发生拒动或误动现象。在TCSC线路上三相TCSC控制可能不一致，同样会引起三相不对称，使短路条件下负序或零序功率方向保护误动作。
1.2 TCSC对工频故障分量距离保护的影响
对于工频故障分量距离继电器，当整定值末端电压变化量ΔUop大于整定门坎电压Uz时，继电器动作，否则不动作。根据文献［7］，对于图2所示的系统，当采用常规串补电容时，如果按K(Zzd-Xc)整定保护范围，正向区外F3短路，反向F2短路及区内近端F4短路时，继电器都能正确作出反应。但对于区内F1短路，继电器能否正确动作，与短路电流、补偿度及F1与保护装置的距离等因素有关。如果按Zzd整定，反向区外F2短路及区内F4短路，继电器可正确作出反应。但正向区外F3短路，则有可能产生超越动作。
图2 故障分量距离元件特性分析系统图
Fig.2 Diagram for analysis of fault component
distance protection relay
当输电线路采用TCSC补偿时，如果故障后TCSC旁路，对于按K(Zzd-Xc)整定保护范围的继电器，电容前向区内短路时，其保护范围将大大缩小，即区内远端短路拒动范围加大。当按KZzd整定时，继电器动作特性与无串补线路相似。如果故障后TCSC不旁路，继电器动作特性较复杂。由文献［4］对TCSC动态基频阻抗特性的研究可知，当TCSC的电容不被旁路时，TCSC的电抗部分在从暂态到稳态的过程中在容性和感性间交替变换，这给保护的整定带来了困难。如果按K(Zzd-Xc)整定保护范围，则不能充分发挥暂态时电抗部分呈较小容性电抗或电感特性的优点，使保护范围过小。如果按KZzd整定，则区外短路时进入稳态后极可能误动作。综合考虑旁路和不旁路两种情况，为可靠起见，按K(Zzd-Xc)进行保守一些的整定可能比较合适。
1.3 串补电容对故障分量方向继电器的影响
故障分量方向继电器测量电压、电流故障分量的相位，反相时动作［7］。
对于图3所示的系统，反应故障分量3个正方向动作的方向元件ΔFφφ+测量的相角为：
(3)
图3 故障分量方向元件特性分析系统图
Fig.3 Diagram for analysis of directional power
frequency fault component relay
反应故障分量3个反方向动作的方向元件ΔFφφ-测量的相角为：
其中 φφ=AB,BC,AC；CZd是补偿阻抗，为线路阻抗的35％～45％；Zd为模拟阻抗。
当输电线路采用常规串补时，文献［7］认为，只有当｜Xc｜＜min(｜Zs1｜，｜Zs1′｜)时，故障分量方向元件才不受串补电容的影响。｜Zs1｜和｜Zs1′｜分别为正向和反向短路时电源正序阻抗。当输电线路采用TCSC补偿时，如果故障后TCSC旁路，TCSC将迅速变成感性，只是在故障初期的极短时间内呈现容性电抗，而且比正常运行时的容抗小得多。因此，对提高继电器性能很有利。如果故障后TCSC不旁路，由文献［4］的研究可知，不管TCSC的阻抗如何变化，其容抗模值始终小于故障前TCSC容抗的模值。因此，在相同补偿度的情况下，TCSC线路比FSC线路更容易满足｜Xc｜＜min(｜Zs1｜，｜Zs1′｜)这个条件，TCSC线路上继电器性能更加可靠。而且从TCSC阻抗变化特性还知道，TCSC暂态时的容性阻抗比稳态时的更小。因此，利用TCSC的暂态阻抗特性，将更有利于提高方向继电器的性能。
