與超高壓輸電線路加裝串補裝置有關的系統問題及其解決方案
1 引言
采用串聯電容補償技術可提高超高壓遠距離輸電線路的輸電能力和系統穩定性，且對輸電通道上的潮流分布具有一定的調節作用。采用可控串補還可抑制系統低頻功率振蕩及優化系統潮流分布；但在系統中增加的串聯電容補償設備改變了系統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問題，因此在串補工程前期研究階段應對這種可能性進行認真研究，并提出解決問題的相應方案及措施。
我國南方電網是以貴州、云南和天生橋電網為送端、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相聯的跨省(區)電網，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。隨著南方電網西電東送規模的進一步擴大，為提高這些輸電通道的輸送能力和全網的安全穩定水平及抑制系統低頻振蕩，經研究決定分別在平果與河池變電所裝設可控串補(TCSC)及固定串補裝置(FSC)。
通過對南方電網平果可控串補工程及河池固定串補工程進行的系統研究工作，作者對超高壓遠距離輸電系統中，采用串聯電容補償技術可能引起的系統問題獲得了比較全面的了解，并總結了解決這些問題的措施及方案。研究結果表明，超高壓輸電線路加裝串補后所引發的系統問題主要有過電壓、潛供電流、斷路器暫態恢復電壓(TRV)及次同步諧振(SSR)等問題。
2 串補裝置結構及其原理
目前在電力系統中應用的串聯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)保護和帶并聯間隙的MOV保護四種串補裝置。帶并聯間隙的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勢，相對而言更有利于提高系統暫態穩定水平，因此目前在電力系統的串補工程中得到了比較廣泛的應用。其結構簡圖如圖1所示[1>。
圖中各元件的配合關系及其工作原理如下：
(1)MOV是串聯補償電容器的主保護。串補所在線路上出現較大故障電流時，串聯補償電容器上將出現較高的過電壓，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計值以下，從而確保電容器的安全運行。
(2)火花間隙是MOV和串聯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，控制系統會觸發間隙，旁路掉MOV及串聯補償電容器。
(3)旁路斷路器是系統檢修和調度的必要裝置，串補站控制系統在觸發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，但也影響了系統及裝設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生一定的電壓降，而在電容器上產生一定的電壓升；如線路電流的無功分量為容性，該電流將在線路電感上產生一定的電壓升，而在電容器上產生一定的電壓降。電容器在一般情況下可以改善系統的電壓分布特性；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，則串補線路側電壓可達到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以避免系統運行電壓超標的問題。
在輸電線路裝設了串聯電容補償裝置后，線路斷路器出現非全相操作時，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)線路上均已裝設并聯電抗器，如新增加的電容器容抗與已安裝的高壓并聯電抗器的感抗之間參數配合不當，則可能引發電氣諧振，從而在斷開相上出現較高的工頻諧振過電壓[3>。因此在這兩個工程的系統研究工作中對串聯電容器參數進行了多方案比選以避免工頻諧振過電壓的產生。
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均接有大系統，無論惠河線或天平線有無串補，在線路發生甩負荷故障時，河池及平果母線側工頻過電壓基本相同；僅在發生單相接地甩負荷故障時，串聯電容補償的加入使得單相接地系數增大，從而使線路側工頻過電壓略有提高，但均未超過規程的允許值，不會影響電網的安全穩定運行。
4 串補裝置對潛供電流的影響
線路發生單相接地故障時，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串聯電容補償裝置后，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，從而在穩態的潛供電流上疊加一個相當大的暫態分量。該暫態分量衰減較慢，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。根據對河池串補工程進行的研究：惠河線的惠水側單相接地時，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動作短接串聯電容，潛供電流中將無此低頻放電暫態分量[5>(見圖3)。
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中采用串聯電容補償技術后，尤其是大型汽輪發電機組經串補(特別是補償度較高時)線路接入系統時，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之間發生諧振，其振蕩頻率低于電網的額定頻率，稱為次同步諧振，可通過含有串聯電容補償裝置的單機對無限大線的輸電系統[6>(見圖4)簡述其原因。
圖中，Ra為發電機定子電阻；XG為發電機等值電抗，XG=2πfLG，LG為發電機電感；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為串聯電容電抗，Xc=1/2πfC，C為串聯電容器電容。
由圖4可知，串聯系統的總阻抗與頻率有關，即
式中 L 為發電機、變壓器及線路的電感之和。
由于輸電線路中串聯補償度一般小于1，因此回路的電氣諧振頻率fe小于系統的額定頻率fn ，因此稱之為次同步諧振。
裝有串聯電容補償的輸電線路發生電氣諧振時，同步發電機在諧振條件下相當于一感應電動機。如任何沖擊或擾動引起的次諧波電流在同步發電機內建立起旋轉磁場，以2π(fe－fn)的相對速度圍繞轉子旋轉時，轉子將受到一頻率為(fn －fe)的交變力矩的作用。(fn －fe)等于或十分接近發電機軸系的任一自振頻率時，就可能發生電氣–機械共振現象。
大型多級汽輪發電機組軸系在低于額定頻率范圍內一般有4-5個自振頻率，因此容易發生次同步諧振。次同步諧振的后果較嚴重，能在短時間內將發電機軸扭斷，即使諧振較輕，也會顯著消耗軸的機械壽命。美國MOHAVE電廠在1970年12月和1971年10月先后發生過兩次次同步諧振，使兩臺300MW發電機組嚴重受損[6>。
河池及平果串補站建成后，南方電網的500kV西電東送輸電系統中是否存在SSR問題必須予以深入研究。通過頻率掃描法可分析距離河池及平果串補站較近的系統中的汽輪發電機組(安順電廠的300MW機組和盤南電廠的600MW機組)是否潛藏著發生次同步諧振的可能性[7>。
在此兩機的機端向電網注入三相對稱單位電流，在次同步振蕩頻率域內改變電流頻率，計算系統的阻抗頻率特性Z(jw)，所得的阻抗頻率曲線[5>見圖5-7。圖中曲線1為電阻頻率特性曲線，曲線2為電抗頻率特性曲線。阻抗性質(正負)發生突變的頻率即為電網的電氣串聯諧振頻率。若此頻率與發電機某一機械共振頻率之和等于工頻，則可判斷為在此系統結構下可能發生次同步諧振。
由圖5-7可見，在100Hz以下沒有電氣串聯諧振點。據此可以判斷為安順300MW機組和盤南電廠600MW機組不會因河池和平果裝設串補站而發生次同步諧振。
6 串補裝置對斷路器暫態恢復電壓的影響
加裝串聯電容補償的超高壓輸電線路故障時，如流過串補裝置的短路電流很大，串補站的火花間隙將很快動作，電容器被旁路，線路斷路器的恢復電壓與無串補時接近；如流過串補裝置的短路電流很小，串補站的火花間隙有可能不動作，而電容器的殘壓會使線路斷路器的恢復電壓大幅度提高，可能造成線路開關的損壞。
從對河池FSC及平果TCSC工程進行的系統研究來看，串聯電容補償裝置的使用普遍提高了其所在超高壓輸電線路的斷路器暫態恢復電壓水平。通過對串補所在線路單相接地故障、三相短路、兩相短路及兩相短路接地故障后斷路器TRV的研究，斷路器恢復電壓提高幅度可達15%-20%。盡管某些情況下斷路器的開斷電流和恢復電壓上升陡度不大，但仍可導致線路斷路器的TRV超標。建議采取以下措施限制TRV的超標：單相重合閘重合前先將故障相電容器旁路，再重合故障相，然后在判定為非永久性故障情況下再接入該相串補裝置；發生區內故障時，采取線路斷路器和串補裝置的火花間隙及可控硅閥聯動措施，即要求線路兩側保護系統在啟動線路斷路器跳閘的同時，將串補的火花間隙擊穿，且使火花間隙在線路斷路器跳閘前放電。采取上述措施前后的線路斷路器各相斷口恢復電壓如圖8、圖9所示[7>。
限制TRV超標的關鍵措施是成功旁路串聯補償電容器。如在開斷故障線路前旁路短接電容器，則該線路就成為無串補的普通線路，斷路器上的恢復電壓自然就降下來。一般在線路潮流較重或距離串補較近處發生故障時，通過MOV的電流或其吸收的能耗超過電流和能量啟動值可強制觸發火花間隙，使電容器退出。但在串補所在線路的某些地方發生短路故障時，如惠水—河池線路0-70km范圍內發生三永故障時，由于串聯電容器殘余電荷的放電，河池側線路斷路器的TRV超標，但此時MOV電流及MOV能量均未達到啟動值，不會觸發火花間隙。
建議在判斷為區內故障時，立即強制觸發旁路間隙，退出串補電容器，這將是解決線路斷路器暫態恢復電壓超標的有效方法。但需注意，強制觸發旁路火花間隙要求間隙兩端電壓大于火花間隙的最小觸發電壓。
從確保區內故障時成功觸發火花間隙的角度來講，串補裝置的間隙最小觸發電壓應低一些。但此值還受到其他因素(如間隙的自放電電壓)的牽制。火花間隙的最小觸發電壓和間隙的自放電電壓密切相關, 前者隨后者的增減而增減。為使強制觸發成功，最小觸發電壓應低一些，但自放電電壓不能過低，既是為了減小誤放電的危險，間隙自放電電壓受氣壓、溫度、電壓波形因素的影響而有所變化；又是為了間隙在流過故障電流后迅速去游離、恢復介質強度和縮短必需的無電壓時間。
7 結論及建議
隨著西電東送工程的逐步實施，我國電網的結構和規模必將得到進一步的發展，串聯電容補償裝置可能在我國電網中進一步得到應用。在串補工程規劃設計期間必須對其可能引發的過電壓、潛供電流、SSR及線路斷路器TRV等系統問題進行深入研究，本文以南方電網河池FSC及平果TCSC實際工程為例，對串補工程中可能出現的有關系統問題提出以下的解決措施及建議：
(1)由于串補裝置將影響其所在輸電線路沿線的電壓特性，因此需結合已建線路上的高抗位置校核增加串補后是否導致某些地點電壓超過運行要求。并在滿足輸送容量及系統穩定水平的前提下，認真比選線路的串補度，以避免新增加的電容器容抗與已安裝的高壓并聯電抗器的感抗之間的參數配合不當而引發的工頻諧振過電壓問題。
(2)裝設并聯電容的輸電線路上發生接地故障時，在故障相兩側開關跳閘的同時(無論故障相MOV能耗或電流是否超過整定值)均要求立即將旁路斷路器閉合，以避免出現較大幅值的低頻放電暫態分量。
(3)串補所在輸電線路發生內部故障時，故障相兩側斷路器跳閘后，立即強制觸發旁路間隙，將旁路斷路器閉合，以避免線路斷路器暫態恢復電壓超標。
(4)隨著電網的發展，不能排除在串補站近區出現新的火電機組的可能性。因此在串補工程建設初期，可考慮在串補站內裝設抑制或監視次同步諧振的二次裝置，或預留相應監控裝置的接口以使串補站對系統發展具有一定的適應性
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