TCSC谐波对输电线路距离保护的影响王为国　尹项根　余江　段献忠　陈德树摘　要　分析了TCSC的结构、运行模式及谐波特性，着重研究了TCSC对保护安装处电压的影响，对线路电流序分量相位的影响，以及TCSC谐波对距离保护的影响。认为稳态条件下，距离保护性能不受TCSC的影响；故障条件下，也基本不会降低距离保护的性能。
关键词　TCSC　谐波　距离保护
分类号　TM773　TM761THEINFLUENCEOFTCSCHARMONICONLINEDISTANCEPROTECTIONRELAYWangWeiguo，YingXianggen，YuJiang，DuanXianzhong，ChenDeshu
HuazhongUniversityofScienceandTechnology，430074，Wuhan，ChinaAbstract　Thestructure,operationmodesandharmonicofTCSCareanalyzed.TheinfluenceofTCSConvoltageofthenodewheredistanceprotectionrelayislocatedandphaseoflinecurrentsequencecomponentaswellastheeffectofTCSCharmonicondistanceprotectionrelayareemphaticallystudied.ItisconcludedthatTCSChasnoeffectondistanceprotectionrelayundernormalcondition,andunderconditionsoffaults,theperformanceofdistanceprotectionrelaywillnotbeimpairedbyTCSC.
Keywords　TCSC　harmonics　distanceprotectionrelay0　引言
　　可控串补(TCSC)运行于电力系统中时，会产生谐波、电力网络参数的快速变化和快速动态过程，三相输电线路中TCSC控制不一致将引起结构不对称带来的序分量，使传统的输电线路继电保护理论和技术面临挑战［1］。国外TCSC工程的运行经验和仿真研究在一定程度上证明了现有继电保护在TCSC线路上的适应能力［2，3］，但自1995年以来，TCSC线路继电保护出现了一些误动作，引起了人们对TCSC线路保护的重视。深入研究TCSC对现有继电保护的影响对于保证含TCSC的电力系统的安全稳定运行具有重要的意义。文献［4，5］分别对TCSC的动态基频阻抗特性及其对距离保护的影响进行了研究，本文将着重研究TCSC的谐波对距离保护的影响。1　TCSC的结构和运行模式及谐波特性
1.1　TCSC的结构及运行模式
　　一般地，TCSC模块由固定电容及与其并联的电感和双向可控硅构成，如图1所示。
图1　TCSC模块电路图
Fig.1　CircuitofTCSC　　TCSC的过电压保护由2部分构成：一是无间隙MOV放电器的保护；另一部分是利用TCSC的可控硅控制的电抗器提供的过负荷保护。MOV作为无间隙的电容器过电压保护装置，其容量选择取决于交流系统的短路电流、重合闸条件和电容器组并联开关的合闸时间等条件。
　　TCSC通过对触发脉冲的控制改变晶闸管的触发角，继而改变由其控制的电感支路中电流的大小，连续改变总的等效电抗。通常触发角在145°～180°时，其等效电抗呈容性；在90°～140°时，其等效电抗呈感性，这段特性使其在系统故障时具有限制短路电流的作用。
　　通常TCSC模块都有3种基本运行模式，即可控硅阻断(gatingblocked)、可控硅旁路(bypassedwiththyristor)和微调控制模式(verniercontrolmode)。
1.2　TCSC的谐波特性
1.2.1　稳态条件下的谐波
　　稳态情况下，TCSC运行于微调控制模式，一个周期内TCSC电感电流波形相对于电容电压过零点对称，电容电压自身也对称。从理论上分析，TCSC产生的谐波电流主要在由串联电容与电感支路所构成的LC回路中形成环流，对系统波形的畸变影响很小。尽管电容上的电压畸变率较大，但在一般电力系统正常稳态下，占测量电压的百分比较小，引起的各节点电压畸变率也很小。正常运行时，线路电流畸变在容许的范围内。稳态情况下，继电保护装置不受谐波影响。
1.2.2　动态过程的谐波
　　文献［6］详细研究了TCSC的谐波特性。研究表明，TCSC的关闭或工作点的变化对节点电压畸变率的影响不大，但对线路电流畸变率有一定影响。除关闭TCSC以外，工况调整过程中线路电流谐波会有所增大，但波形畸变率均在容许的范围内，对继电保护不会产生严重影响。
　　尽管TCSC的各次谐波受故障点、故障时刻及触发角等多种因素的影响，但这些因素引起的谐波变化相对于基波而言仍然很小。故障后TCSC对故障的不同反应（旁路或不旁路）会引起线路电流及TCSC上电压谐波成分的变化。图2及图3分别给出了相同短路条件下，线路电流及TCSC上电压的波形。
图2　三相短路时线路电流(标幺值)波形
Fig.2　ThewaveformoflinecurrentthroughTCSCwithathree-phasefault
图3　三相短路时TCSC上的电压波形
Fig.3　ThewaveformofvoltageoverTCSCwithathree-phasefault　　就电流而言，TCSC旁路与否对电流谐波成分的影响并不显著，两种情况下电流中均含有较大的直流分量，而谐波成分相对较小。但电压波形却与旁路与否密切相关，不旁路时的电压波形含有较丰富的高次谐波，与TCSC的触发紊乱及MOV的过电压保护有关，而旁路时的电压波形中的谐波成分则主要与TCSC的LC回路的谐振有关。2　TCSC对保护安装处电压的影响
　　对于图4所示的系统，保护安装处的电压与电源阻抗、线路阻抗及短路点等因素有关，在TCSC线路上，还与TCSC故障后旁路与否有很大关系。当保护与短路点之间无TCSC时，电压的谐波基本不受TCSC的影响，但当保护与短路点之间有TCSC时，保护安装处电压的谐波则主要由TCSC上电压的谐波与短路点来决定。当TCSC外近距离短路时，TCSC的电抗占测量阻抗的比例较大，TCSC上电压的谐波作用比较明显；当TCSC外远距离短路时，TCSC上电压的谐波作用相对减小。图5以TCSC旁路为例，给出了TCSC外近距离及远距离短路时，保护安装处电压的波形图。
图4　仿真系统示意图
Fig.4　Schematicdiagramofthesimulationsystem
图5　三相短路时TCSC母线侧电压(标幺值)波形
Fig.5　ThewaveformofvoltageonthebussideofTCSCwithathree-phasefault3　TCSC对线路电流序分量相位的影响
　　在不对称接地故障条件下，流过TCSC的线路电流将产生序分量。线路电流及其序分量的相位变化规律直接影响接地故障距离保护的电抗元件、方向元件及负（零）序功率方向元件的动作特性。在无串补线路故障后的稳态条件下，线路电流及其序分量的相位以工频速率均匀增加，电流的序分量之间或电流与电压之间的比相结果分别为不同的稳定值。在暂态过程中，由于直流分量和谐波的影响，比相结果在一定范围内波动。在TCSC线路上，尽管TCSC的阻抗变化比较复杂，但实际电力系统故障线路的综合阻抗仍可维持感性，由于基频分量的相位基本上仍以工频速率增加，因此比相结果不受TCSC的影响。图6给出了TCSC外近距离短路时短路电流的负（零）序分量与记忆电压的比相结果。

图6　TCSC外近距离短路时的比相曲线
Fig.6　ThecurvesofphasecomparisonwithaforwardshortfaultnearTCSC4　TCSC的谐波对距离保护的影响
4.1　TCSC的谐波对故障线路测量阻抗及距离元件动作特性的影响
　　短路点到保护安装处线路的基频测量阻抗对继电保护动作性能具有决定性的影响。输电线路基频测量阻抗的计算可采用频域或时域的方法。频域方法的基本算法是傅氏变换法，它不可避免地受直流分量、高次谐波及低次谐波的影响，通常采用低通滤波加差分滤波或带通滤波器进行滤波。带通滤波器对直流分量、低频分量及高次谐波均有较好的滤波效果，但低通滤波器对直流分量、低频分量反而有一定程度的放大作用。差分滤波器能消除直流分量的影响，对频率较低的低频分量也具有较强的抑制作用，但对大部分的高次谐波有放大作用。例如，60°相差的差分滤波器对3次谐波的放大作用可达1倍。对于TCSC线路，由于电压的谐波成分非常复杂，由TCSC的LC谐振回路产生的谐波分量尤其显著，而且这一谐波分量离3次谐波不远，因而差分滤波器对这一谐波分量非常敏感，将扩大其给阻抗计算带来的误差。从阻抗计算的精确度考虑，在TCSC线路上使用带通滤波器是比较合适的。
　　微分方程算法是在时域内计算故障线路阻抗的一个重要方法。现有研究结果认为，对300km以下的线路，只要采用一个对150Hz以上频率的分量有明显衰耗的低通滤波器，就可以保证微分方程算法得到满意的结果。对于更短的线路，则低通滤波器的截止频率还可以相应提高。但是，微分方程算法是根据R—L线路模型直接求解的，当被计算模型中含有电容时，对R—L—C模型目前还没有成熟的计算方法。因此，只有被计算线路不含有固定电容或TCSC时才能采用微分方程算法。
　　TCSC的谐波会影响TCSC线路测量阻抗的计算。我们已经知道，对于近距离故障，谐波的影响才相对较大，测量阻抗才受到较大的影响。但对于近距离故障，一方面故障点远离整定的保护范围，距离元件动作裕度较大，另一方面，带记忆的极化电压也加大了动作特性圆的覆盖范围，因此可以克服谐波带来的测量阻抗不精确的影响。对于远距离故障，距离保护通常与纵联措施相结合，进行超范围整定，而谐波对测量阻抗带来的影响也很有限，因此，也可不受谐波的影响。因而，可以认为，配合适当的滤波措施，TCSC的谐波对距离元件没有大的影响。
4.2　TCSC的谐波对电抗元件和方向元件的影响
　　在距离保护中，电抗元件通常由动作信号与极化信号比相，方向元件则由极化信号相互比相。方向元件的比相通常只是涉及记忆电压、电流或其序分量的相位，由第3节的研究结果可知，方向元件可以基本不受影响。对于电抗元件，当出现相间故障时，其动作信号op由保护安装处的电压φφ及线路电流φφ合成，如。近区短路时，φφ谐波成分相对较大，但φφZR1也很大；远区短路时，φφ谐波成分相对较小，φφZR1也[1][2]下一页