串聯(lián)補償電容器在超高壓輸電系統(tǒng)中的應用

在輸電線路上采用串聯(lián)補償裝置( 以下簡稱“ 串補裝置”)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定輸送容量，改善線路電器參數(shù)，實現(xiàn)2條線路輸送3 條線路的功率，既提高了傳輸功率又節(jié)省了投資。徐州供電公司500kv 三堡變電站裝設的串補裝置實現(xiàn)了提高長線路的穩(wěn)定輸送容量，在華東電網(wǎng)“北電南送”輸電網(wǎng)絡中發(fā)揮了重要作用。

1串補裝置的基本知識

1.1 基本原理

安裝串補裝置后穩(wěn)定輸送容量提高的原理：高壓輸電線路的靜態(tài)穩(wěn)定輸送功率可由下式表示

式中,U1、U2為線路兩端的電源電壓;δσ為線路兩端的電源電壓的相角差;XL為線路的阻抗;U1U2/XL為線路的極限輸送功率(靜態(tài)穩(wěn)定極限)。當線路中安裝有串補電容器后，線路的穩(wěn)定輸送功率為

在同一個相角差(σ相同)的條件下，將裝有串補電容器前后的穩(wěn)定輸送功率進行比較：Ke=Xe/XL為補償度。在500kv超高壓輸電線路工程中，若補償度設為40%，則每條輸電線路安裝串補電容器后的穩(wěn)定輸送功率與安裝前的穩(wěn)定輸送功率之比為1.67倍。即安裝了2 套串補裝置后相當于增加了一條輸電線路。

1.2 基本接線形式

串聯(lián)電容補償裝置由電容器組、金屬氧化物變阻器(MOV)、放電間隙、阻尼電抗、旁路開關、絕緣平臺、保護和控制系統(tǒng)組成。串補裝置采用的是固定式裝置，其保護電容器的設備是MOV、分路間隙及旁路斷路器。該串補裝置的基本接線如圖1所示。

2 電容器組的應用

電容器組是串補裝置的主要設備，其主要技術參數(shù)及有關性能見表1.

2.1外熔絲電容器及內(nèi)熔絲電容器

串補用的電容器通常有2 種：外熔絲電容器及內(nèi)熔絲電容器。內(nèi)熔絲電容器是每相電容器組由320臺電容器單元組成。該電容器是油浸全膜電容器，實際設計的電場強度為170V/um。電容器組的保護水平為2.3pu，保護電壓為230。

外熔絲電容器是熔絲裝置安裝在電容器單元的外部。IEC標準規(guī)定外熔絲的熔斷電流應是所保護的電容器額定電流的1.43倍以上，一般取1.5倍。作為串補用的電容器還需要考慮電容器組兩端短路放電時熔絲不被熔斷，否則在系統(tǒng)發(fā)生故障而串補電容器組退出運行時，旁路間隙或分路開關旁路電容器組時會使電容器組的外熔絲動作。

采用外熔絲的電容器，當發(fā)生故障熔絲熔斷后，熔絲管會跌落下來，巡視人員比較容易發(fā)現(xiàn)。但也有缺點，如電容器通常有許多的電容器元件按照一定的規(guī)律串并聯(lián)而成，當其中某個元件被擊穿后，與之相關聯(lián)的并聯(lián)組會被短路，電容器單元的電容量就會增加，此時該電容器單元仍能工作;工作電流會流過故障電容器元件的故障點使故障擴大，最后使整個電容器單元發(fā)生故障，熔絲動作并使故障電容器單元退出運行。若此過程比較長，故障元件的故障點在電流的作用下會不斷地產(chǎn)生氣體，就有可能使電容器鼓肚子甚至外殼破裂，使整個電容器單元退出運行后會造成電容器組損失較大的容量以及在其他健康的電容器單元上的過電壓較高等不良后果。

2.2熔絲熔斷對電容器元件的影響

由于電容器單元的熔絲被熔斷后的恢復電壓較高，熔絲的制造相對比較困難。采用內(nèi)熔絲的電容器的熔絲安裝在電容器的內(nèi)部，每個電容器元件都有相應的熔絲。當某個電容器元件發(fā)生故障時，只是該電容器元件的熔絲熔斷，切除該電容器元件。故障電容器元件被切除后，該電容器單元仍然可以正常運行。損失的電容器容量較小，按電容器組設計例子，電容器單元只損失1/52 的容量。運行經(jīng)驗表明，內(nèi)熔絲電容器單元中單個元件的損壞，不會進一步擴大元件的故障。這是因為元件的額定電流較小，熔絲被熔斷時的恢復電壓較低，熔絲動作速度相對較快，熔斷的副產(chǎn)物不多，不會對單元中其他元件的運行造成危害.采用內(nèi)熔絲電容器組的主要缺點：A.內(nèi)熔絲不保護電容器單元的端子與其外殼之間的故障，若發(fā)生這類故障，就需要靠電容器組不平衡保護來旁通電容器組。實際的經(jīng)驗表明這類故障發(fā)生的概率是非常低的。B.電容器元件或電容器單元發(fā)生故障時，不能直觀到，必須用專用的儀器定期進行測量才能發(fā)現(xiàn)。由于元件的故障是隨機分布在各個電容器單元中，因此該電容器元件的故障概率非常低。

2.32種類型電容器的優(yōu)缺點

根據(jù)IEC143 標準規(guī)定，電容器組的直流試驗電壓為1.9*1.414U。對于該電容器組，直流試驗電壓為437KV，不再考慮電容器單元的電容量的電壓分配的不均勻性。這就要求在進行電容器組的配組時要精確測量電容器單元的電容量，以保證并聯(lián)后每支路電容量的誤差小于1%。

為在部分電容器發(fā)生故障時能及時發(fā)出故障信號或旁通電容器組，因而將每相電容器單元組成-H型，4個臂分別由80個電容器單元以4串20并的方式連接。每個電容器由52個元件組成(4 串13并)，

如圖2 所示。每個電容器單元和元件的額定參數(shù)見表1。

2.4故障電容器元件對分布電壓的影響

不平衡電流和電容器元件上的過電壓的關系可按表2 進行換算。

當部分電容器元件發(fā)生故障退出運行后，完好的電容器元件上的電壓會有一定的升高。當過電壓達5%時就應該發(fā)出告警信號;達10%時就應經(jīng)過一定的延時永久旁通電容器組( 見圖1)。實際運行中，測量電容器組的每個單元上的過電壓是很困難的，一般采用測量不平衡電流的方法來實現(xiàn)電容器單元的過電壓保護。表3中損壞的元件數(shù)量指的是出現(xiàn)在一個電容器單元中的同一個并聯(lián)組中的元件數(shù)，其他的電容器單元及有缺陷的電容器單元中其他的并聯(lián)組均無元件損壞。很顯然，同一個并聯(lián)組出現(xiàn)多元件損壞的概率非常低。當故障的電容器元件散布在不同的電容器單元或在同一單元僅在不同的并聯(lián)組中時，單元或元件上的過電壓要低得多。當不平衡電流達到1.35A 時發(fā)出報警信號;不平衡電流達到1.50A時發(fā)出旁通命令;13個元件損壞意味著一個單元退出運行。電容器的故障概率( 經(jīng)驗數(shù)據(jù))：,30年電容器元件的總故障率為2%，按照2組串補的電容器單元數(shù)量計算，,30年損壞的元件為1996.8 個;平均到電容器單元上，每單元只有1.04 個?？梢姽收下适呛艿偷?。再考慮到故障元件的隨機分布，在實際運行中電容器阻的不平衡保護是不會動作的。只有當電容器單元的套管閃絡時，電容器組不平衡保護才有可能動作。

除了因部分電容器單元損壞后退出運行會使健全的電容器單元過電壓外，當電容器組流過的電流超過額定電流時，也會導致電容器單元過電壓。電容器組是否過負荷是根據(jù)測量到的線路電流是否超過額定電流來判斷的;線路電流超過額定電流時電容器組過負荷保護的定時器啟動計時，當計時器累計時間超過定值時便啟動暫時旁通電容器組;若電容器組頻繁過負荷則永久旁通電容器組。

3金屬氧化物可變電阻(MOV)

當帶串聯(lián)補償裝置的線路發(fā)生故障時，系統(tǒng)短路電流要流過串聯(lián)電容器組。當流過的穩(wěn)態(tài)短路的電流為

20KV時，電容器上的穩(wěn)態(tài)電壓的有效值高達600KV.故必須采取適當?shù)拇胧﹣硐拗齐娙萜鹘M上的電壓。

3.1MOV 的作用

MOV的作用是限制出現(xiàn)在電容器組上的過電壓，保護電容器組。當區(qū)外故障發(fā)生時，MOV會吸收全部能量，保護電容器組;區(qū)外故障消失后，電容器組可自動投入。區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，放電間隙被擊穿前MOV限制電容器組上的電壓。放電間隙經(jīng)1ms被擊穿后，旁通MOV和電容器組，使MOV不再吸收能量，電容器組兩端的電壓接近零。當區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，區(qū)內(nèi)故障的電流較大，MOV 吸收能量的速度很快，流過MOV的大電流會使電容器組兩端的電壓也較高。采用觸發(fā)間隙限制出現(xiàn)在電容器組上的過電壓，降低所需MOV的能量吸收能力，還能改善系統(tǒng)阻尼次同期振蕩的能力。

3.2系統(tǒng)發(fā)生故障時MOV的工況

當系統(tǒng)中發(fā)生區(qū)外故障時，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定輸送容量，串補裝置仍應處在運行狀態(tài)。此時，MOV中會流過部分故障電流而吸收能量。故障電流越大MOV吸收的能量也越大;故障持續(xù)時間越長，MOV 吸收的能量也越大。區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，故障電流較大，流過MOV的電流也較大。如果故障持續(xù)時間(MOV流過電流的時間)與區(qū)外發(fā)生故障時相同，MOV吸收的能量會比區(qū)外發(fā)生故障時大得多。為了降低MOV的吸收能量，觸發(fā)間隙應及時動作，分路電容器組和MOV，使故障電流不再流過電容器組和)MOV，因此要求間隙應在區(qū)內(nèi)故障發(fā)生后1ms內(nèi)旁通MOV及電容器組。

3.3MOV啟動方式

為避免MOV 過負荷導致設備損壞，MOV通常設有過負荷保護和短路故障保護，MOV過負荷保護是用于串補線路發(fā)生內(nèi)部故障時快速旁通電容器組和MOV。它有3 種啟動方式：大電流流過MOV 時;MOV吸收能量的速度超過某一定值時;MOV 的溫度或MOV吸收能量超過某一定值時。通常，當串補線路的區(qū)外發(fā)生短路故障時，流過MOV的電流較小，分路間隙和旁路斷路器都不動作，MOV應能夠承受所吸收的能量。啟動MOV 過負荷保護的電流應大于串補線路的區(qū)外發(fā)生短路故障時流過MOV 的電流并留有一定的裕度。MOV過負荷保護的功能主要有：(由大電流啟動)實現(xiàn)三相旁通;(由大de/dt啟動)實現(xiàn)三相旁通;(由高溫啟動)實現(xiàn)三相旁通。

4觸發(fā)間隙

串補裝置用的觸發(fā)間隙都是非自熄滅型的，間隙本身沒有很強的滅弧能力，其電弧要在旁路開關合上或線路開關跳閘后才能熄滅。其主要功能是：在一定的條件下迅速被擊穿以旁路電容器組和MOV，防止MOV過熱而損壞，也可保護電容器組免受過電壓的損害。分析圖如圖3所示。

4.1間隙動作過程

根據(jù)設置條件，平臺上的觸發(fā)間隙的控制單元就會接受控制信號，控制單元會發(fā)出一個高壓脈沖送到三球隙裝置的點火球隙，使點火球隙被擊穿而導通;點火球隙擊穿導通產(chǎn)生的小電弧，在分壓器分得的電容器上電壓的1/4電壓的作用下引發(fā)點火觸發(fā)間隙的導通;點火觸發(fā)間隙的電壓升高，導致精確觸發(fā)間隙被擊穿;點火和精確觸發(fā)間隙導通后，串聯(lián)電容器組的電壓就施加在上部的主間隙上使其被擊穿導通;主間隙上部間隙導通后，由于串聯(lián)在觸發(fā)間隙回路中的限流電阻的作用，串聯(lián)電容器組的電壓就轉過來施加在主間隙下部，從而完成了整個間隙被擊穿而導通。為了保證三球隙裝置能可靠地被擊穿導通，應采用雙套觸發(fā)信號回路。

4.2放電電壓與間隙距離的關系

在裝有串補裝置的輸電系統(tǒng)中發(fā)生任何類型故障時，只要沒有觸發(fā)信號，點火三球隙就不應該動作。為達到此要求，球隙的放電電壓必須高于電容器組可能出現(xiàn)的最高電壓下點火三球隙所分得的電壓。根據(jù)SIEMNENS廠商提供其點火三球隙的放電電壓與間隙距離的關系曲線( 見圖4)，按系統(tǒng)的實際情況進行整定，通常點火三球隙放電電壓應比最高電壓下點火三球隙所分得的電壓高10~15%。觸發(fā)間隙應能承受40KA 的短路電流100ms,10次，40kA的短路電流500ms,1次;或放電25次無須檢修，觸發(fā)間隙能承受100kA 動穩(wěn)定電流+容器組放電電流而不發(fā)生變形或損壞。

5旁路斷路器

旁路斷路器是用來投入或退出串聯(lián)電容器組的。它的另一個作用是：當系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，為了保護MOV不至于因過負荷而損壞，旁路間隙會在很短的時間內(nèi)被擊穿。由于旁路間隙是沒有滅弧能力的非自滅弧型間隙，只能用旁路斷路器短路間隙使其滅弧。旁路斷路器只用于投入或退出串聯(lián)電容器組，并不需要開斷短路電流，所以不要求斷路器具有很大的開斷容量。其最大開斷電流是輸電線路的負荷電流。

6串補裝置操作控制

6.1裝置運行操作的注意事項

(1串補操作及監(jiān)控微機(WINCC)不得擅自退出運行。

(2/WINCC微機正常應在“串補操作及監(jiān)控系統(tǒng)”下運行，不得隨意更換系統(tǒng)。在運行過程中，運行人員應經(jīng)常巡視電源狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。如果電源故障不能及時修復應立即匯報。

(3發(fā)現(xiàn)/WINCC微機有故障，值班員應及時匯報工區(qū)。

(4嚴禁在串補WINCC 操作微機上使用軟盤、光盤，不準拷取WINCC 微機內(nèi)系統(tǒng)軟件。

(5禁止在串補操作/WINCC 微機上進行一切與串補操作無關的操作。

(6)補的操作應嚴格按照順控操作邏輯，不得擅自更改操作邏輯或解除閉鎖。如發(fā)現(xiàn)邏輯閉鎖回路有問題，應及時匯報。

(7在/WINCC上進行操作，應嚴格執(zhí)行倒閘操作制度。

(8當串補裝置改檢修且有人工作時，必須拉開串補地刀和刀閘的操作電源。

(9串補網(wǎng)門關閉之前，應檢查每相串補平臺上及網(wǎng)門內(nèi)無工作人員，平臺小門應關閉，且三相爬梯確已放下并上鎖。

7結論

通過500KV安裝串聯(lián)補償裝置的運行實踐，實現(xiàn)了提高長線路的穩(wěn)定輸送容量，改善了并聯(lián)線路之間的負荷分配，降低了線路損耗，有效地提高了電壓質(zhì)量。對這套串聯(lián)補償裝置實現(xiàn)了有效的操作與控制，它的使用具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。但是由于超高壓線路使用串聯(lián)補償裝置為數(shù)不多，運行經(jīng)驗、檢修經(jīng)驗不成熟，因此若裝置中選擇帶部分可控串聯(lián)補償方式，對系統(tǒng)發(fā)生故障后消除振蕩更為有益。