與超高壓輸電線路加裝串補裝置有關(guān)的系統(tǒng)問題及其解決方案

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摘要：文章結(jié)合我國南方電網(wǎng)河池固定串補及平果可控串補工程，對超高壓輸電線路裝設(shè)串聯(lián)電容補償裝置后的系統(tǒng)狀況進行了比較深入的研究，指出一些系統(tǒng)問題，如過電壓水平升高、潛供電流增大和可能發(fā)生的次同步諧振均源于串聯(lián)電容補償裝置的固有特性，通過研究認為當串補所在輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時，采取強制觸發(fā)旁路間隙等保護措施，是避免出現(xiàn)系統(tǒng)恢復電壓水平超標和潛供電流增大等問題的有效途徑。此外，還建議在串補站內(nèi)裝設(shè)抑制或監(jiān)視次同步諧振的二次裝置以抑制和避免系統(tǒng)發(fā)生次同步諧振。

　　關(guān)鍵詞：串聯(lián)電容補償；過電壓；潛供電流；次同步諧振（SSR）；暫態(tài)恢復電壓（TRV）；電力系統(tǒng)

　　1、引言

　　采用串聯(lián)電容補償技術(shù)可提高超高壓遠距離輸電線路的輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性，且對輸電通道上的潮流分布具有一定的調(diào)節(jié)作用。采用可控串補還可抑制系統(tǒng)低頻功率振蕩及優(yōu)化系統(tǒng)潮流分布；

　　但在系統(tǒng)中增加的串聯(lián)電容補償設(shè)備改變了系統(tǒng)之間原有的電氣距離，尤其是串補度較高時，可能引起一系列系統(tǒng)問題，因此在串補工程前期研究階段應(yīng)對這種可能性進行認真研究，并提出解決問題的相應(yīng)方案及措施。 我國南方電網(wǎng)是以貴州、云南和天生橋電網(wǎng)為送端、通過天生橋至廣東的三回500kV交流輸電線路及一回500kV直流輸電線路與受端廣東電網(wǎng)相聯(lián)的跨?。▍^(qū)）電網(wǎng)，2003年6月貴州—廣東的雙回500kV交流輸電線路建成投運，南方電網(wǎng)形成了送端“五交一直”、受端“四交一直”的北、中、南三個西電東送大通道。隨著南方電網(wǎng)西電東送規(guī)模的進一步擴大，為提高這些輸電通道的輸送能力和全網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平及抑制系統(tǒng)低頻振蕩，經(jīng)研究決定分別在平果與河池變電所裝設(shè)可控串補（TCSC）及固定串補裝置（FSC）。通過對南方電網(wǎng)平果可控串補工程及河池固定串補工程進行的系統(tǒng)研究工作，作者對超高壓遠距離輸電系統(tǒng)中，采用串聯(lián)電容補償技術(shù)可能引起的系統(tǒng)問題獲得了比較全面的了解，并總結(jié)了解決這些問題的措施及方案。

　　研究結(jié)果表明，超高壓輸電線路加裝串補后所引發(fā)的系統(tǒng)問題主要有過電壓、潛供電流、斷路器暫態(tài)恢復電壓（TRV）及次同步諧振（SSR）等問題。

　　2、串補裝置結(jié)構(gòu)及其原理

　　目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的串聯(lián)電容補償裝置按其過電壓保護方式可分為單間隙保護、雙間隙保護、金屬氧化物限壓器（MOV）保護和帶并聯(lián)間隙的MOV保護四種串補裝置。帶并聯(lián)間隙的MOV保護方式的串補裝置具有串補再次接入時間快、減少MOV容量及提供后備保護等優(yōu)勢，相對而言更有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，因此目前在電力系統(tǒng)的串補工程中得到了比較廣泛的應(yīng)用。

　　（1）MOV是串聯(lián)補償電容器的主保護。串補所在線路上出現(xiàn)較大故障電流時，串聯(lián)補償電容器上將出現(xiàn)較高的過電壓，MOV可利用其自身電壓–電流的強非線性特性將電容器電壓限制在設(shè)計值以下，從而確保電容器的安全運行。

　?。?）火花間隙是MOV和串聯(lián)補償電容器的后備保護，當MOV分擔的電流超過其啟動電流整定值或MOV吸收的能量超過其啟動能耗時，控制系統(tǒng)會觸發(fā)間隙，旁路掉MOV及串聯(lián)補償電容器。

　?。?）旁路斷路器是系統(tǒng)檢修和調(diào)度的必要裝置，串補站控制系統(tǒng)在觸發(fā)火花間隙的同時命令旁路斷路器合閘，為間隙滅弧及去游離提供必要條件。

　?。?）阻尼裝置可限制電容器放電電流，防止串聯(lián)補償電容器、間隙、旁路斷路器在放電過程中被損壞。3串補裝置引起的過電壓問題 串補裝置雖可提高線路的輸送能力，但也影響了系統(tǒng)及裝設(shè)串補裝置的輸電線路沿線的電壓特性。如線路電流的無功分量為感性，該電流將在線路電感上產(chǎn)生一定的電壓降，而在電容器上產(chǎn)生一定的電壓升；如線路電流的無功分量為容性，該電流將在線路電感上產(chǎn)生一定的電壓升，而在電容器上產(chǎn)生一定的電壓降。電容器在一般情況下可以改善系統(tǒng)的電壓分布特性；但串補度較高、線路負荷較重時，可能使沿線電壓超過額定的允許值。河池及平果串補工程的線路高抗與串補的相對位置不同時，輸電線路某些地點的運行電壓可能超過運行要求。

　　例如，惠河線或天平線一回線故障時，如將高抗安裝在串補的線路側(cè)，則串補線路側(cè)電壓可達到561kV或560kV以上[2]，均超過高抗允許的長期運行電壓，因此在兩工程中均建議將線路高抗安裝在串補的母線側(cè)以避免系統(tǒng)運行電壓超標的問題。 在輸電線路裝設(shè)了串聯(lián)電容補償裝置后，線路斷路器出現(xiàn)非全相操作時，帶電相電壓將通過相間電容耦合到斷開相。河池FSC及平果TCSC工程中的惠（水）—河（池）及天（生橋）—平（果）線路上均已裝設(shè)并聯(lián)電抗器，如新增加的電容器容抗與已安裝的高壓并聯(lián)電抗器的感抗之間參數(shù)配合不當，則可能引發(fā)電氣諧振，從而在斷開相上出現(xiàn)較高的工頻諧振過電壓[3].因此在這兩個工程的系統(tǒng)研究工作中對串聯(lián)電容器參數(shù)進行了多方案比選以避免工頻諧振過電壓的產(chǎn)生。 對這兩個串補工程進行的過電壓研究表明，由于惠河線及天平線兩側(cè)均接有大系統(tǒng)，無論惠河線或天平線有無串補，在線路發(fā)生甩負荷故障時，河池及平果母線側(cè)工頻過電壓基本相同；僅在發(fā)生單相接地甩負荷故障時，串聯(lián)電容補償?shù)募尤胧沟脝蜗嘟拥叵禂?shù)增大，從而使線路側(cè)工頻過電壓略有提高，但均未超過規(guī)程的允許值，不會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

　　4、串補裝置對潛供電流的影響

　　線路發(fā)生單相接地故障時，線路兩端故障相的斷路器相繼跳開后，由于健全相的靜電耦合和電磁耦合，弧道中仍將流過一定的感應(yīng)電流（即潛供電流）[4]，該電流如過大，將難以自熄，從而影響斷路器的自動重合閘。在超高壓輸電線路上裝設(shè)串聯(lián)電容補償裝置后，單相接地故障過程中，如串補裝置中的旁路斷路器和火花間隙均未動作，電容器上的殘余電荷可能通過短路點及高抗組成的回路放電，從而在穩(wěn)態(tài)的潛供電流上疊加一個相當大的暫態(tài)分量。該暫態(tài)分量衰減較慢，可能影響潛供電流自滅，對單相重合閘不利；單相瞬時故障消失后，恢復電壓上也將疊加電容器的殘壓，恢復電壓有所升高，影響單相重合閘的成功。根據(jù)對河池串補工程進行的研究：惠河線的惠水側(cè)單相接地時，潛供電流波形是一個低頻（f≈7Hz）、衰減的放電電流，電流幅值高達250-390A[5]（見圖2）。斷路器分閘0.5s后，該電流幅值仍可達200-300A，它將導致潛供電弧難以熄滅；如單相接地后旁路開關(guān)動作短接串聯(lián)電容，潛供電流中將無此低頻放電暫態(tài)分量[5]

　　5、串補裝置引起的次同步諧振問題

　　在超高壓遠距離輸電系統(tǒng)中采用串聯(lián)電容補償技術(shù)后，尤其是大型汽輪發(fā)電機組經(jīng)串補（特別是補償度較高時）線路接入系統(tǒng)時，在某種運行方式或補償度的情況下，很可能在機械與電氣系統(tǒng)之間發(fā)生諧振，其振蕩頻率低于電網(wǎng)的額定頻率，稱為次同步諧振，可通過含有串聯(lián)電容補償裝置的單機對無限大線的輸電系統(tǒng)[6]