与超高压输电线路加装串补装置有关的系统问题及其解决方案(doc11)(1)hlzf.docx

与超高压压输电线线路加装装串补装装置有关关的系统统问题及及其解决决方案摘要：文文章结合合我国南南方电网网河池固固定串补补及平果果可控串串补工程程，对超超高压输输电线路路装设串串联电容容补偿装装置后的的系统状状况进行行了比较较深入的的研究，指指出一些些系统问问题，如如过电压压水平升升高、潜潜供电流流增大和和可能发发生的次次同步谐谐振均源源于串联联电容补补偿装置置的固有有特性，通通过研究究认为当当串补所所在输电电线路发发生内部部故障时时，采取取强制触触发旁路路间隙等等保护措措施，是是避免出出现系统统恢复电电压水平平超标和和潜供电电流增大大等问题题的有效效途径。此此外，还还建议在在串补站站内装设设抑制或或监视次次同步谐谐振的二二次装置置以抑制制和避免免系统发发生次同同步谐振振。 关关键词：串联电电容补偿偿 过电电压 潜潜供电流流 次同同步谐振振(SSSR) 暂态恢恢复电压压(TRRV) 电力系系统1  引引言     采采用串联联电容补补偿技术术可提高高超高压压远距离离输电线线路的输输电能力力和系统统稳定性性，且对对输电通通道上的的潮流分分布具有有一定的的调节作作用。采采用可控控串补还还可抑制制系统低低频功率率振荡及及优化系系统潮流流分布；但在系系统中增增加的串串联电容容补偿设设备改变变了系统统之间原原有的电电气距离离，尤其其是串补补度较高高时，可可能引起起一系列列系统问问题，因因此在串串补工程程前期研研究阶段段应对这这种可能能性进行行认真研研究，并并提出解解决问题题的相应应方案及及措施。    我国南方电网是以贵州、云南和天生桥电网为送端、通过天生桥至广东的三回500kV交流输电线路及一回500kV直流输电线路与受端广东电网相联的跨省(区)电网，2003年6月贵州广东的双回500kV交流输电线路建成投运，南方电网形成了送端“五交一直”、受端“四交一直”的北、中、南三个西电东送大通道。随着南方电网西电东送规模的进一步扩大，为提高这些输电通道的输送能力和全网的安全稳定水平及抑制系统低频振荡，经研究决定分别在平果与河池变电所装设可控串补(TCSC)及固定串补装置(FSC)。    通过对南方电网平果可控串补工程及河池固定串补工程进行的系统研究工作，作者对超高压远距离输电系统中，采用串联电容补偿技术可能引起的系统问题获得了比较全面的了解，并总结了解决这些问题的措施及方案。研究结果表明，超高压输电线路加装串补后所引发的系统问题主要有过电压、潜供电流、断路器暂态恢复电压(TRV)及次同步谐振(SSR)等问题。2   串补装置结构及其原理    目前在电力系统中应用的串联电容补偿装置按其过电压保护方式可分为单间隙保护、双间隙保护、金属氧化物限压器(MOV)保护和带并联间隙的MOV保护四种串补装置。带并联间隙的MOV保护方式的串补装置具有串补再次接入时间快、减少MOV容量及提供后备保护等优势，相对而言更有利于提高系统暂态稳定水平，因此目前在电力系统的串补工程中得到了比较广泛的应用。其结构简图如图1所示1。    图中各各元件的的配合关关系及其其工作原原理如下下：     (1)MMOV是是串联补补偿电容容器的主主保护。串串补所在在线路上上出现较较大故障障电流时时，串联联补偿电电容器上上将出现现较高的的过电压压，MOOV可利利用其自自身电压压电流流的强非非线性特特性将电电容器电电压限制制在设计计值以下下，从而而确保电电容器的的安全运运行。     (2)火花间间隙是MMOV和和串联补补偿电容容器的后后备保护护，当MMOV分分担的电电流超过过其启动动电流整整定值或或MOVV吸收的的能量超超过其启启动能耗耗时，控控制系统统会触发发间隙，旁旁路掉MMOV及及串联补补偿电容容器。     (3)旁路断断路器是是系统检检修和调调度的必必要装置置，串补补站控制制系统在在触发火火花间隙隙的同时时命令旁旁路断路路器合闸闸，为间间隙灭弧弧及去游游离提供供必要条条件。     (4)阻尼装装置可限限制电容容器放电电电流，防防止串联联补偿电电容器、间间隙、旁旁路断路路器在放放电过程程中被损损坏。33  串串补装置置引起的的过电压压问题     串补装装置虽可可提高线线路的输输送能力力，但也也影响了了系统及及装设串串补装置置的输电电线路沿沿线的电电压特性性。如线线路电流流的无功功分量为为感性，该该电流将将在线路路电感上上产生一一定的电电压降，而而在电容容器上产产生一定定的电压压升；如如线路电电流的无无功分量量为容性性，该电电流将在在线路电电感上产产生一定定的电压压升，而而在电容容器上产产生一定定的电压压降。电电容器在在一般情情况下可可以改善善系统的的电压分分布特性性；但串串补度较较高、线线路负荷荷较重时时，可能能使沿线线电压超超过额定定的允许许值。河河池及平平果串补补工程的的线路高高抗与串串补的相相对位置置不同时时，输电电线路某某些地点点的运行行电压可可能超过过运行要要求。例例如，惠惠河线或或天平线线一回线线故障时时，如将将高抗安安装在串串补的线线路侧，则则串补线线路侧电电压可达达到5661kVV或5660kVV以上2，均均超过高高抗允许许的长期期运行电电压，因因此在两两工程中中均建议议将线路路高抗安安装在串串补的母母线侧以以避免系系统运行行电压超超标的问问题。     在输电电线路装装设了串串联电容容补偿装装置后，线线路断路路器出现现非全相相操作时时，带电电相电压压将通过过相间电电容耦合合到断开开相。河河池FSSC及平平果TCCSC工工程中的的惠(水水)河河(池)及天(生桥)平(果)线线路上均均已装设设并联电电抗器，如如新增加加的电容容器容抗抗与已安安装的高高压并联联电抗器器的感抗抗之间参参数配合合不当，则则可能引引发电气气谐振，从从而在断断开相上上出现较较高的工工频谐振振过电压压3。因此此在这两两个工程程的系统统研究工工作中对对串联电电容器参参数进行行了多方方案比选选以避免免工频谐谐振过电电压的产产生。     对这两两个串补补工程进进行的过过电压研研究表明明，由于于惠河线线及天平平线两侧侧均接有有大系统统，无论论惠河线线或天平平线有无无串补，在在线路发发生甩负负荷故障障时，河河池及平平果母线线侧工频频过电压压基本相相同；仅仅在发生生单相接接地甩负负荷故障障时，串串联电容容补偿的的加入使使得单相相接地系系数增大大，从而而使线路路侧工频频过电压压略有提提高，但但均未超超过规程程的允许许值，不不会影响响电网的的安全稳稳定运行行。4   串补补装置对对潜供电电流的影影响     线线路发生生单相接接地故障障时，线线路两端端故障相相的断路路器相继继跳开后后，由于于健全相相的静电电耦合和和电磁耦耦合，弧弧道中仍仍将流过过一定的的感应电电流(即即潜供电电流)4，该该电流如如过大，将将难以自自熄，从从而影响响断路器器的自动动重合闸闸。在超超高压输输电线路路上装设设串联电电容补偿偿装置后后，单相相接地故故障过程程中，如如串补装装置中的的旁路断断路器和和火花间间隙均未未动作，电电容器上上的残余余电荷可可能通过过短路点点及高抗抗组成的的回路放放电，从从而在稳稳态的潜潜供电流流上叠加加一个相相当大的的暂态分分量。该该暂态分分量衰减减较慢，可可能影响响潜供电电流自灭灭，对单单相重合合闸不利利；单相相瞬时故故障消失失后，恢恢复电压压上也将将叠加电电容器的的残压，恢恢复电压压有所升升高，影影响单相相重合闸闸的成功功。根据据对河池池串补工工程进行行的研究究：惠河河线的惠惠水侧单单相接地地时，潜潜供电流流波形是是一个低低频(ff7HHz)、衰衰减的放放电电流流，电流流幅值高高达2550-3390AA5(见图图2)。断断路器分分闸0.5s后后，该电电流幅值值仍可达达2000-3000A，它它将导致致潜供电电弧难以以熄灭；如单相相接地后后旁路开开关动作作短接串串联电容容，潜供供电流中中将无此此低频放放电暂态态分量5(见图33)。 5  串串补装置置引起的的次同步步谐振问问题     在在超高压压远距离离输电系系统中采采用串联联电容补补偿技术术后，尤尤其是大大型汽轮轮发电机机组经串串补(特特别是补补偿度较较高时)线路接接入系统统时，在在某种运运行方式式或补偿偿度的情情况下，很很可能在在机械与与电气系系统之间间发生谐谐振，其其振荡频频率低于于电网的的额定频频率，称称为次同同步谐振振，可通通过含有有串联电电容补偿偿装置的的单机对对无限大大线的输输电系统统6(见图图4)简简述其原原因。     图中，RRa为发电电机定子子电阻；XG为发电电机等值值电抗，XXG=2fLGG，LG为发电电机电感感；RTT为变压压器电阻阻；XTT为变压压器电抗抗，XTT=2fLTT，LT为变压压器电感感；R11为线路路电阻；Xl为线路路电抗，XXl=2fLll，Ll为线路路电感；Xc为串联联电容电电抗，XXc=1/2ffC，CC为串联联电容器器电容。    由图4可知，串联系统的总阻抗与频率有关，即式中 L 为发电机、变压器及线路的电感之和。    由于输电线路中串联补偿度一般小于1，因此回路的电气谐振频率fe小于系统的额定频率fn ，因此称之为次同步谐振。    装有串联电容补偿的输电线路发生电气谐振时，同步发电机在谐振条件下相当于一感应电动机。如任何冲击或扰动引起的次谐波电流在同步发电机内建立起旋转磁场，以2(fefn)的相对速度围绕转子旋转时，转子将受到一频率为(fn fe)的交变力矩的作用。(fn fe)等于或十分接近发电机轴系的任一自振频率时，就可能发生电气机械共振现象。    大型多级汽轮发电机组轴系在低于额定频率范围内一般有4-5个自振频率，因此容易发生次同步谐振。次同步谐振的后果较严重，能在短时间内将发电机轴扭断，即使谐振较轻，也会显著消耗轴的机械寿命。美国MOHAVE电厂在1970年12月和1971年10月先后发生过两次次同步谐振，使两台300MW发电机组严重受损6。    河池及平果串补站建成后，南方电网的500kV西电东送输电系统中是否存在SSR问题必须予以深入研究。通过频率扫描法可分析距离河池及平果串补站较近的系统中的汽轮发电机组(安顺电厂的300MW机组和盘南电厂的600MW机组)是否潜藏着发生次同步谐振的可能性7。    在此两机的机端向电网注入三相对称单位电流，在次同步振荡频率域内改变电流频率，计算系统的阻抗频率特性Z(jw)，所得的阻抗频率曲线5见图5-7。图中曲线1为电阻频率特性曲线，曲线2为电抗频率特性曲线。阻抗性质(正负)发生突变的频率即为电网的电气串联谐振频率。若此频率与发电机某一机械共振频率之和等于工频，则可判断为在此系统结构下可能发生次同步谐振。    由图5-7可见，在100Hz以下没有电气串联谐振点。据此可以判断为安顺300MW机组和盘南电厂600MW机组不会因河池和平果装设串补站而发生次同步谐振。 6  串串补装置置对断路路器暂态态恢复电电压的影影响     加加装串联联电容补补偿的超超高压输输电线路路故障时时，如流流过串补补装置的的短路电电流很大大，串补补站的火火花间隙隙将很快快动作，电电容器被被旁路，线线路断路路器的恢恢复电压压与无串串补时接接近；如如流过串串补装置置的短路路电流很很小，串串补站的的火花间间隙有可可能不动动作，而而电容器器的残压压会使线线路断路路器的恢恢复电压压大幅度度提高，可可能造成成线路开开关的损损坏。     从对河河池FSSC及平平果TCCSC工工程进行行的系统统研究来来看，串串联电容容补偿装装置的使使用普遍遍提高了了其所在在超高压压输电线线路的断断路器暂暂态恢复复电压水水平。通通过对串串补所在在线路单单相接地地故障、三三相短路路、两相相短路及及两相短短路接地地故障后后断路器器TRVV的研究究，断路路器恢复复电压提提高幅度度可达115%-20%。尽管管某些情情况下断断路器的的开断电电流和恢恢复电压压上升陡陡度不大大，但仍仍可导致致线路断断路器的的TRVV超标。建建议采取取以下措措施限制制TRVV的超标标：单相相重合闸闸重合前前先将故故障相电电容器旁旁路，再再重合故故障相，然然后在判判定为非非永久性性故障情情况下再再接入该该相串补补装置；发生区区内故障障时，采采取线路路断路器器和串补补装置的的火花间间隙及可可控硅阀阀联动措措施，即即要求线线路两侧侧保护系系统在启启动线路路断路器器跳闸的的同时，将将串补的的火花间间隙击穿穿，且使使火花间间隙在线线路断路路器跳闸闸前放电电。采取取上述措措施前后后的线路路断路器器各相断断口恢复复电压如如图8、图图9所示示7。     限制TTRV超超标的关关键措施施是成功功旁路串串联补偿偿电容器器。如在在开断故故障线路路前旁路路短接电电容器，则则该线路路就成为为无串补补的普通通线路，断断路器上上的恢复复电压自自然就降降下来。一一般在线线路潮流流较重或或距离串串补较近近处发生生故障时时，通过过MOVV的电流流或其吸吸收的能能耗超过过电流和和能量启启动值可可强制触触发火花花间隙，使使电容器器退出。但但在串补补所在线线路的某某些地方方发生短短路故障障时，如如惠水河池线线路0-70kkm范围围内发生生三永故故障时，由由于串联联电容器器残余电电荷的放放电，河河池侧线线路断路路器的TTRV超超标，但但此时MMOV电电流及MMOV能能量均未未达到启启动值，不不会触发发火花间间隙。     建议在在判断为为区内故故障时，立立即强制制触发旁旁路间隙隙，退出出串补电电容器，这这将是解解决线路路断路器器暂态恢恢复电压压超标的的有效方方法。但但需注意意，强制制触发旁旁路火花花间隙要要求间隙隙两端电电压大于于火花间间隙的最最小触发发电压。    从确保区内故障时成功触发火花间隙的角度来讲，串补装置的间隙最小触发电压应低一些。但此值还受到其他因素(如间隙的自放电电压)的牵制。火花间隙的最小触发电压和间隙的自放电电压密切相关, 前者随后者的增减而增减。为使强制触发成功，最小触发电压应低一些，但自放电电压不能过低，既是为了减小误放电的危险，间隙自放电电压受气压、温度、电压波形因素的影响而有所变化；又是为了间隙在流过故障电流后迅速去游离、恢复介质强度和缩短必需的无电压时间。7  结论及建议    随着西电东送工程的逐步实施，我国电网的结构和规模必将得到进一步的发展，串联电容补偿装置可能在我国电网中进一步得到应用。在串补工程规划设计期间必须对其可能引发的过电压、潜供电流、SSR及线路断路器TRV等系统问题进行深入研究，本文以南方电网河池FSC及平果TCSC实际工程为例，对串补工程中可能出现的有关系统问题提出以下的解决措施及建议：    (1)由于串补装置将影响其所在输电线路沿线的电压特性，因此需结合已建线路上的高抗位置校核增加串补后是否导致某些地点电压超过运行要求。并在满足输送容量及系统稳定水平的前提下，认真比选线路的串补度，以避免新增加的电容器容抗与已安装的高压并联电抗器的感抗之间的参数配合不当而引发的工频谐振过电压问题。    (2)装设并联电容的输电线路上发生接地故障时，在故障相两侧开关跳闸的同时(无论故障相MOV能耗或电流是否超过整定值)均要求立即将旁路断路器闭合，以避免出现较大幅值的低频放电暂态分量。    (3)串补所在输电线路发生内部故障时，故障相两侧断路器跳闸后，立即强制触发旁路间隙，将旁路断路器闭合，以避免线路断路器暂态恢复电压超标。    (4)随着电网的发展，不能排除在串补站近区出现新的火电机组的可能性。因此在串补工程建设初期，可考虑在串补站内装设抑制或监视次同步谐振的二次装置，或预留相应监控装置的接口以使串补站对系统发展具有一定的适应性。