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

1引言　　采用串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)可提高超高壓遠(yuǎn)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(bǔ)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(bǔ)償設(shè)備改變了系統(tǒng)之間原有的電氣距離，尤其是串補(bǔ)度較高時，可能引起一系列系統(tǒng)問題，因此在串補(bǔ)工程前期研究階段應(yīng)對這種可能性進(jìn)行認(rèn)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)的跨省區(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(yùn)，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(jìn)一步擴(kuò)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(bǔ)TCSC及固定串補(bǔ)裝置FSC。通過對南方電網(wǎng)平果可控串補(bǔ)工程及河池固定串補(bǔ)工程進(jìn)行的系統(tǒng)研究工作，作者對超高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中，采用串聯(lián)電容補(bǔ)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(bǔ)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(fù)電壓TRV及次同步諧振SSR等問題。2串補(bǔ)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(bǔ)償裝置按其過電壓保護(hù)方式可分為單間隙保護(hù)、雙間隙保護(hù)、金屬氧化物限壓器MOV保護(hù)和帶并聯(lián)間隙的MOV保護(hù)四種串補(bǔ)裝置。帶并聯(lián)間隙的MOV保護(hù)方式的串補(bǔ)裝置具有串補(bǔ)再次接入時間快、減少M(fèi)OV容量及提供后備保護(hù)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(bǔ)工程中得到了比較廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示1。圖中各元件的配合關(guān)系及其工作原理如下：　　1MOV是串聯(lián)補(bǔ)償電容器的主保護(hù)。串補(bǔ)所在線路上出現(xiàn)較大故障電流時，串聯(lián)補(bǔ)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(qiáng)非線性特性將電容器電壓限制在設(shè)計(jì)值以下，從而確保電容器的安全運(yùn)行�！　�2火花間隙是MOV和串聯(lián)補(bǔ)償電容器的后備保護(hù)，當(dāng)MOV分擔(dān)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(bǔ)償電容器�！　�3旁路斷路器是系統(tǒng)檢修和調(diào)度的必要裝置，串補(bǔ)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�！　�4阻尼裝置可限制電容器放電電流，防止串聯(lián)補(bǔ)償電容器、間隙、旁路斷路器在放電過程中被損壞。3串補(bǔ)裝置引起的過電壓問題　　串補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)度較高、線路負(fù)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(bǔ)工程的線路高抗與串補(bǔ)的相對位置不同時，輸電線路某些地點(diǎn)的運(yùn)行電壓可能超過運(yùn)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(bǔ)的線路側(cè)，則串補(bǔ)線路側(cè)電壓可達(dá)到561kV或560kV以上2，均超過高抗允許的長期運(yùn)行電壓，因此在兩工程中均建議將線路高抗安裝在串補(bǔ)的母線側(cè)以避免系統(tǒng)運(yùn)行電壓超標(biāo)的問題。在輸電線路裝設(shè)了串聯(lián)電容補(bǔ)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(dāng)，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(jìn)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(bǔ)工程進(jìn)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(bǔ)，在線路發(fā)生甩負(fù)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(fù)荷故障時，串聯(lián)電容補(bǔ)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(yùn)行。4串補(bǔ)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(bǔ)償裝置后，單相接地故障過程中，如串補(bǔ)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(diǎn)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(dāng)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(fù)電壓上也將疊加電容器的殘壓，恢復(fù)電壓有所升高，影響單相重合閘的成功。根據(jù)對河池串補(bǔ)工程進(jìn)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(dá)250-390A5見圖2。斷路器分閘0.5s后，該電流幅值仍可達(dá)200-300A，它將導(dǎo)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見圖3。5串補(bǔ)裝置引起的次同步諧振問題　　在超高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中采用串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)后，尤其是大型汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)串補(bǔ)特別是補(bǔ)償度較高時線路接入系統(tǒng)時，在某種運(yùn)行方式或補(bǔ)償度的情況下，很可能在機(jī)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(bǔ)償裝置的單機(jī)對無限大線的輸電系統(tǒng)6見圖4簡述其原因。圖中，Ra為發(fā)電機(jī)定子電阻；XG為發(fā)電機(jī)等值電抗，XG=2πfLG，LG為發(fā)電機(jī)電感；RT為變壓器電阻；XT為變壓器電抗，XT=2πfLT，LT為變壓器電感；R1為線路電阻；Xl為線路電抗，Xl=2πfLl，Ll為線路電感；Xc為串聯(lián)電容電抗，Xc=1/2πfC，C為串聯(lián)電容器電容。由圖4可知，串聯(lián)系統(tǒng)的總阻抗與頻率有關(guān)，即式中L為發(fā)電機(jī)、變壓器及線路的電感之和。由于輸電線路中串聯(lián)補(bǔ)償度一般小于1，因此回路的電氣諧振頻率fe小于系統(tǒng)的額定頻率fn，因此稱之為次同步諧振。裝有串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)妮旊娋�路發(fā)生電氣諧振時，同步發(fā)電機(jī)在諧振條件下相當(dāng)于一感應(yīng)電動機(jī)。如任何沖擊或擾動引起的次諧波電流在同步發(fā)電機(jī)內(nèi)建立起旋轉(zhuǎn)磁場，以2πfe－fn的相對速度圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子將受到一頻率為fn－fe的交變力矩的作用。fn－fe等于或十分接近發(fā)電機(jī)軸系的任一自振頻率時，就可能發(fā)生電氣–機(jī)械共振現(xiàn)象。大型多級汽輪發(fā)電機(jī)組軸系在低于額定頻率范圍內(nèi)一般有4-5個自振頻率，因此容易發(fā)生次同步諧振。次同步諧振的后果較嚴(yán)重，能在短時間內(nèi)將發(fā)電機(jī)軸扭斷，即使諧振較輕，也會顯著消耗軸的機(jī)械壽命。美國MOHAVE電廠在1970年12月和1971年10月先后