新能源电力系统国家重点实验室 郑彬 毕天姝

　　中国电力科学研究院 项祖涛 班连庚 马其燕 周佩朋 王承玉

　　摘要：特高压线路加装串补使得线路发生故障时流经断路器的短路电流特性与无串补线路相比存在差别。受故障工况及串补布置方式、过电压保护措施等因素影响，特高压串补线路回数为双回及以上时，一回线故障时流经断路器的短路电流可能存在过零延迟，与无串补或单回串补线路相比更加突出，对断路器开断不利，需要加以抑制。本文仿真研究特高压串补线路断路器短路电流的过零延迟特性，并结合串补金属氧化物限压器、放电间隙的动作状态，采用时、频域解析方法，建立串补装置的等效模型，探讨串补线路短路电流过零延迟的产生机理，研究分析典型影响因素，并提出对策建议。研究成果为特高压串补的规划设计、断路器设备选型提供一定参考。

　　1 引言

　　自20世纪50年代以来，串联补偿技术在国内外220kV及以上超高压输电系统中得到了广泛应用，在提高输电能力、改善系统稳定性、均衡潮流等方面发挥了显著的经济效益[1-3]。我国现已建成多个特高压交流输电工程[4-5]，并依托特高压交流试验示范工程扩建工程研制了世界首套特高压串联补偿装置，掌握了特高压串补应用的全部核心技术，并于2011年付诸工程实践[6]，为开展特高压远距离、大容量输电奠定了坚实基础。随着未来大型能源基地的开发和特高压远距离联网的发展，特高压串补技术的应用需求变得更为迫切[7]。

　　系统短路电流特性会影响故障分析结果，并使保护动作特性产生误差[8-9]，还可能影响断路器的开断[10]。特高压线路加装串补时的短路电流特性与无串补线路相比有显著差异，并可能对断路器正常开断造成不利影响[11-13]。在一定的系统及串补自身条件下，断路器的短路电流可能存在过零延迟现象，若在燃弧时间窗内无过零点，将造成断路器开断失败甚至损坏。文献[14-15]探讨了超/特高压无串补线路产生短路电流过零延迟的机理及影响因素，提出直流分量与交流分量比值大是造成过零延迟的主要原因，并指出各种故障类型中以两相相间故障（2LS）方式下的短路电流过零延迟最为突出，但出现概率低；文献[16]提出线路加装串补时可能产生短路电流过零延迟现象；文献[17]采用阻抗变换方法，分析了735kV线路单侧加装串补条件下断路器短路电流的过零延迟现象及影响因素，提出串补金属氧化物限压器导通前后故障回路阻抗由大变小，引起串补对侧断路器电流幅值相应由大变小是造成该侧断路器短路电流发生过零延迟的原因；文献[18]研究了特高压线路单侧加装串补时的断路器短路电流过零延迟产生机制及影响因素，该文也采用阻抗变换方法，并将导通后的MOV视作恒定直流电压源，提出MOV动作改变了线路参数引起故障回路短路电流中的周期性分量经非故障回路分流是引起过零延迟的主要因素，并提出串补双侧布置可以解决过零延迟问题；文献[19]分析了短路电流直流分量对断路器开断条件的影响。现有文献对串补线路短路电流过零延迟产生机理的分析均采用阻抗分析方法，对串补MOV动作过程及短路电流交、直流分量变化的分析较为抽象，未从时、频域解析角度进行过研究，对串补MOV动作过程中的模型等效方法及故障回路特性分析也有待完善，并仅从改变串补布置方式角度提出了过零延迟的抑制措施，手段单一，亟需丰富拓展，为实际工程应用提供指导。

　　本文建立特高压串补系统短路电流过零延迟的典型仿真模型，采用电磁暂态数字仿真程序研究特高压串补线路断路器短路电流的过零延迟特性，并结合MOV、间隙（Gap）的动作状态，采用时、频域解析方法，建立串补装置的等效模型，理论研究故障回路及流经线路两侧断路器短路电流的特性，并结合典型仿真结果分析短路电流交、直流分量的变化规律，探讨串补线路对侧断路器出现过零延迟的机理，还通过分析过零延迟的典型影响因素，研究提出抑制过零延迟问题的综合对策建议。研究成果可为特高压串补的规划设计、断路器设备选型提供技术依据，并为将来开展实际工程应用提供支撑。

　　2 特高压交流断路器开断短路电流过程

　　理论分析表明，短路电流中含有直流分量和交流分量时，直流分量与工频交流分量之比K_T越大，越容易出现过零延迟。大的K_T更容易出现在短路电流工频交流分量小，且幅值与短路前或某一转换过程前电流接近的工况下。除了K_T外，过零延迟还与直流分量的衰减时间常数有关，即直流分量衰减越慢，越容易出现过零延迟[14-15]。

　　3 特高压串联补偿系统的典型仿真计算模型及方法

　　3.1 仿真计算模型

　　本研究采用具有双回并联线路的典型特高压串联补偿输电系统，简化接线如图2所示。

　　（3）故障类型：主要考虑三相接地故障（3LG），作为对比还考虑了单相、两相接地故障（1LG、2LG），不考虑两相相间故障[12]。需要说明，由于零序电阻显著高于正序电阻，使得非对称故障下的阻尼与对称故障下相比更大，短路电流直流分量衰减速度更快，因此线路发生1LG或2LG故障时，不容易出现过零延迟问题，而3LG故障下则更容易出现过零延迟问题，3LG故障是本文的主要研究工况。

　　（4）故障位置：I 线串补线路沿线不同位置。

　　（5）串补参数：串补度取20%～50%，串补电容器额定电流取5.08kA。

　　（6）串补布置方式：考虑靠近乙站侧集中布置、沿线某处集中布置和两侧分散布置3种情况。

　　（7）串补过电压保护方式：采取“MOV+放电间隙”型过电压保护措施，过电压保护水平约为2.3pu，特高压串补装置的典型电气接线示意图如图3所示。与图3相比，图2中忽略了阻尼回路D和旁路开关S。特高压串补电容器组经阻尼回路放电的频率约为6倍工频（300Hz）。

　　3.2 仿真计算方法

　　串补线路发生区内故障时，短路电流在电容器两端产生过电压，并可能导致MOV、放电间隙动作（MOV“动作”指MOV电压升高至饱和区后流过大电流）。MOV、间隙的动作情况与流经串补的短路电流有关，研究时考虑如下3种情况：

　　（3）串补MOV、间隙均动作：流经串补的短路电流大，当MOV电流或吸收能耗超过串补的过电压保护整定值时，串补装置给间隙及旁路开关同时发出启动信号，间隙触发导通，旁路开关合闸，将串补电容器及MOV旁路，此时串补电容器残压经阻尼回路、间隙以6倍工频的频率放电，串补的旁路时间一般为故障后15～50ms。另外还考虑特高压串补采取线路保护联动旁路串补措施，即线路故障时，线路保护给断路器发跳闸信号的同时，也可启动串补间隙及旁路开关动作，串补的旁路时间一般为故障后30～60ms。

　　4 串补线路断路器短路电流过零延迟的仿真结果

　　采用前面建立的特高压串补系统典型仿真模型及计算方法，对特高压串补线路发生3LG故障时，流经线路两侧断路器的短路电流特性进行仿真分析。

　　4.1 I线串补MOV、间隙均不动作

　　分析特高压单侧装设串补线路发生3LG故障时，串补MOV、间隙均不动作条件下流经线路断路器的短路电流特性。研究中，特高压线路长度200km，每回线靠近乙站侧装设35%的串补，I线串补线路侧在40ms时刻发生3LG故障，I线串补MOV、间隙均不动作。流经I线两侧D1、D2断路器电流的典型仿真波形如图5所示。如图所示，特高压串补MOV、间隙均不动作时，流经I线两侧D1、D2断路器的短路电流波形均呈由大半波、小半波在正负方向交替出现的周期性拍频特征，对波形进行傅立叶分析得到波形中除了50Hz工频分量外，还包括约41Hz的低频交流分量。各拍频波形的最大峰值呈逐渐衰减趋势，每个拍频波形内的波形峰值则均呈先增加、后降低的特征，起始第一个半波峰值最小、幅值增大速率最低。I线两侧断路器电流波形的过零时间间隔均在15ms以内，未出现过零延迟现象。

　　4.2 I线串补MOV动作、间隙不动作

　　采用与4.1节相同的研究条件，分析特高压单侧装设线路发生3LG故障时，串补MOV动作、间隙不动作条件下流经线路断路器的短路电流特性。图6所示为该工况下流经I线两侧D1、D2断路器的电流及I线串补电流、电压的典型仿真波形。

　　由图6可见，流经D1断路器的电流出现约60ms的过零延迟，D2断路器电流则未发生过零延迟。在图6对应的故障工况下，线路无串补时未出现过零延迟现象，图7所示为线路有/无串补时流经D1断路器的短路电流波形对比。

　　下面对图6所示仿真波形结合串补MOV动作过程进行分析：

　　4.3 I线串补MOV、间隙均动作

　　采用与4.1节相同的研究条件，分析特高压单侧装设串补线路发生3LG故障时，串补MOV、间隙均动作条件下流经D1断路器的短路电流特性。

　　图9所示为串补间隙动作和不动作两种工况下流经I线D1断路器的电流以及串补间隙动作情况下的I线串补MOV电流、间隙电流的典型仿真波形。间隙动作时间为故障后约5.8ms。图中结果表明，I线串补间隙在故障后5.8ms动作时，D1断路器的短路电流过零延迟时间为40ms，与仅串补MOV动作、间隙不动作时的60ms相比缩短了20ms。

　　5 讨论与分析

　　本文仿真研究结果表明，特高压双回线路、串补单侧布置方式下发生3LG故障时，串补MOV、间隙不同动作方式下，流经线路两侧断路器的短路电流特性存在很大差异，并且在串补MOV动作情况下，可能在串补对侧断路器出现过零延迟现象。下面结合MOV、间隙的动作状态，采用时、频域解析方法对特高压串补线路断路器短路电流过零延迟现象的产生机理进行探讨，并开展了过零延迟的典型影响因素及抑制措施研究。

　　5.1 I线串补MOV动作前

　　5.4 串补线路断路器短路电流过零延迟的典型影响因素分析

　　特高压串补线路的短路电流过零延迟特性与多种因素有关，现有文献已对故障工况（故障时刻、类型、位置）、系统短路容量、线路长度、串补布置方式等影响因素进行过研究[15-16]，本文基于建立的仿真模型，针对串补安装位置、串补过电压保护措施、相邻线路串补以及系统损耗、断路器跳闸顺序等因素分析了对断路器电流过零延迟的影响。

　　5.4.1 串补安装位置

　　工程设计中，串补一般采取线路两侧分散布置、集中装设在线路一侧或在沿线某处等3种方式。以线长200km、35%串补单侧布置的特高压双回线路为例，选取最严重故障时刻，分析串补安装位置对线路侧发生3LG故障时流经D1断路器的短路电流过零延迟的影响。表2所示为流经D1断路器电流的过零延迟时间及k_T最大值的计算结果。

　　由表2可知，串补集中布置时，沿线以安装在线路一侧（乙站侧）位置时在D1断路器电流产生的过零延迟最严重，延迟时间约60ms，串补安装位置距离D1断路器越近，短路电流过零延迟时间越短，甚至无延迟。原因在于串补距离所研究断路器越近，发生故障时，故障回路1的短路阻抗越小、回路2的短路阻抗越大，D1断路器电流越大、D2断路器电流越小，串补MOV动作电流对D1断路器电流交流分量的降低作用越小，电流中直流分量幅值越小，因此使得k_T越小。串补分散安装在线路两侧时，线路发生故障时两侧故障回路的结构相似，两侧串补的MOV动作使得D1、D2断路器电流均存在交流分量大、直流分量小的特点，k_T远小于1，因此，不会出现过零延迟，与前面分析结论一致。根据以上结果，可以采取优化串补安装位置措施来抑制过零延迟问题，首选串补在两侧分散布置方式，其次是串补在沿线集中布置。实际工程中还需综合权衡系统输电能力、沿线电压分布、站址条件、运行维护等因素选取合适的串补安装位置，

　　5.4.2 串补过电压保护措施

　　4.3节分析表明，串补线路发生故障时，串补装置的放电间隙动作将串补电容器及MOV旁路，有助于缩短流经D1断路器电流出现稳定过零点的时间，从而对其过零延迟特性产生有益影响。以线长100km、35%串补单侧布置的特高压双回线路为例，针对串补线路侧3LG故障，选取最严重故障时刻，分析I线串补间隙不动作、故障后30ms动作和5ms动作3种不同情况对流经D1断路器电流的过零延迟情况的影响，图13所示为D1断路器电流的仿真波形对比。图中结果表明，串补间隙不动作时电流过零延迟时间为80ms，而故障后5～30ms动作时，过零延迟缩短至60ms。这说明间隙动作越快，串补电容器及MOV旁路越早，短路电流过零延迟时间越短，间隙动作可以缩短D1断路器电流的过零延迟时间，但难以完全消除其过零延迟问题。

　　采取优化串补过电压保护措施有助于改善过零延迟问题。在现有“MOV+放电间隙”型过电压保护措施以及线路保护联动旁路串补措施的基础上，进一步提高间隙动作概率、缩短间隙动作时间，如采用触发电压更低、动作速度更快的新型快速旁路串补装置或降低串补过电压保护整定值等。

　　5.4.3 相邻线路串补的影响

　　对于图2所示典型系统，假设甲站与周边站（丙站）相联的线路也加装串补，如图14所示，分析该串补对所研究的甲站—乙站线长200km、串补度35%的双回线路、靠近I线乙站串补线路侧发生3LG时流经D1断路器电流过零延迟的影响。甲站—乙站线路长度取100km、串补度取35%。

　　研究表明，相邻线路装设15%串补，使得甲站—乙站线路故障时流经D1断路器电流的过零延迟时间从80ms缩短至40ms。其原因在于，相邻线路装设串补，使得D1断路器电流的交流分量、直流分量均增大，并尤以前者增大幅度更大，从而削弱了乙站侧串补MOV动作对D1断路器电流k_T的增大作用，总体使得k_T值与相邻线路无串补时更低，因而过零延迟问题减轻。

　　5.4.4 其他因素

　　研究断路器短路电流过零延迟问题需要合理考虑系统损耗（包括故障点电阻、元件损耗）和线路两侧断路器跳闸顺序的影响。

　　以线长200km、35%串补单侧布置的特高压双回线路为例，针对图2所示典型工况，分析以上两类因素对D1断路器电流过零延迟的影响，仿真结果如表3所示。表3表明，系统损耗可降低系统短路电流，并可加速直流分量衰减，使得D1断路器电流的k_T值降低。实际工程中，因根据实际系统条件及故障工况等因素对系统损耗进行合理考虑。

　　线路故障后D2断路器先跳闸可使得短路电流转移到D1断路器上，使得其电流交流分量增大，造成其k_T值降低，有助于缩短过零延迟时间。串补单侧布置时，可采取串补对侧三相断路器延迟跳闸的方法来实现上述目的，延迟时间可取10ms。

　　6 结论

　　（1）特高压双回及以上线路单侧装设串补条件下，一回线发生三相接地故障时，距离串补远端断路器的短路电流可能存在过零延迟问题，并且与超高压串补线路、特高压无串补线路及特高压单回、单侧装设串补线路相比更加严重。

　　（2）基于典型条件仿真以及时、频域解析方法分析，本文提出造成过零延迟的原因在于，故障线路串补装置MOV在短路电流引起的过电压下动作，基于V-I饱和特性MOV电流迅速增大，使得故障线路串补近端断路器电流从基于“R-L-C”电路的拍频特征的低幅值电流快速转换到基于“R-L”电路的“衰减直流+工频交流”特征的高幅值电流，这一转换过程使得串补远端断路器电流的交流分量降低，并产生直流分量，造成直流/交流分量之比与MOV动作前明显升高，从而导致过零延迟问题。对于具体工程，需综合考虑各种因素来评估短路电流的过零延迟问题及其对断路器开断条件的影响。

　　（3）串补两侧分散布置或集中布置在沿线、缩短故障后串补旁路时间、串补对侧断路器延迟跳闸等均对串补线路断路器短路电流的过零延迟有改善作用。故障点电阻、元件电阻等系统损耗对过零延迟问题也有显著影响，研究时需要合理考虑。

　　参考文献

　　[1] 秦晓辉,申洪,周勤勇,等.特高压串补线路沿线电压分布及串补布置方案研究[J].中国电机工程学报2011，

　　[2] 郑彬项祖涛班连庚等.特高压交流输电线路加装串联补偿装置后断路器开断暂态恢复电压特性分析[J].高电压技术,2013,39（3）:605-611.

　　[3] 高飞,陈维江,李国富,等.串补装置中快速暂态过程的建模与时域求解[J].中国电机工

　　程学报,2012,2015，1（3）：49-58.

　　[4] Chen Weijiang.Cui Xiang.Foreword for the specialsection on AC and DC ultra high voltage technologies[J].CSEE Journal of Power and Energy Systems.2015.1:1-2.

　　[5] Yue Yishi,He Hengxin,Chen Weijiang,etal.Characteristics of long air gap discharge currentsubjected to switching impulse[J].CSEE Journal of Powerand Energy Systems,2015,1（3）:49-58.

　　[6] 郑彬,王建明,周佩朋,等.特高压交流试验示范工程扩建工程系统调试总结[R].北京：中国电力科学研究院,2012.

　　[7] 刘振亚.全球能源互联网[M].北京:中国电力出版社,2015:204-207.

　　[8] 尹俊,毕天姝,薛安成,等.计及低穿控制的混合型风电场短路电流特性与故障分析方法研究[J].电工技术学报,2015,30（21）:99-110.

　　[9] 焦在滨,张梦瑶,何世恩,等.基于频域模型识别的串补线路保护方案[J].中国电机工程学报,2013,33（4）:186-193.

　　[10] 徐国顺,江壮贤,庄劲武,等.新型真空直流限流断路器设计及其介质恢复特性[J].电工技术学报,2013,28（2）:171-177.

　　[11] 高超,郑涛,毕天姝,等.特高压多串补系统电流特性分析[J].电工技术学报,2015,30（20）:193-198.

　　[12] 陈福锋,钱国明,宋国兵,等.串联电容补偿线路行波差动保护的研究[J].中国电机工程学报,2009,29（28）:89-94.

　　[13] 郑彬,马其燕,韩亚楠,等.特高压高补偿度串补对线路断路器开断瞬态条件的影响及对策[R].北京:中国电力科学研究院,2015.

　　[14] 林集明,顾霓鸿,项祖涛,等.特高压系统中的短路电流直流分量与零点漂移[J].电网技术,2006,30（24）:1-5.

　　[15] 吴娅妮,蒋卫平,王华伟,等.500kV交流线路断路器短路电流延时过零现象研究[J].电网技术,2013,37（1）:195-200.

　　[16] 安德森,法墨.电力系统串联补偿[M].周孝信,译.北京:中国电力出版社,2008:262.

　　[17] Khodabakhchian B,Breault S,Portales E,et al.TRV andthe non-zero crossing phenomenon in Hydro-Quebec'sprojected 735 kV series-compensated system[C]//

　　Proceedings of International Conference on Large HighVoltage Electric Systems.Paris:CIGRE,1992,1:13-303.

　　[18] 关永刚,郭什么叫现代浪涌保护技术"