串聯(lián)補(bǔ)償電容器在超高壓輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

在輸電線路上采用串聯(lián)補(bǔ)償裝置( 以下簡(jiǎn)稱“ 串補(bǔ)裝置”)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定輸送容量，改善線路電器參數(shù)，實(shí)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(shè)的串補(bǔ)裝置實(shí)現(xiàn)了提高長(zhǎng)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(luò)中發(fā)揮了重要作用。

1串補(bǔ)裝置的基本知識(shí)

1.1 基本原理

安裝串補(bǔ)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(dāng)線路中安裝有串補(bǔ)電容器后，線路的穩(wěn)定輸送功率為

在同一個(gè)相角差(σ相同)的條件下，將裝有串補(bǔ)電容器前后的穩(wěn)定輸送功率進(jìn)行比較：Ke=Xe/XL為補(bǔ)償度。在500kv超高壓輸電線路工程中，若補(bǔ)償度設(shè)為40%，則每條輸電線路安裝串補(bǔ)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(bǔ)裝置后相當(dāng)于增加了一條輸電線路。

1.2 基本接線形式

串聯(lián)電容補(bǔ)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(guān)、絕緣平臺(tái)、保護(hù)和控制系統(tǒng)組成。串補(bǔ)裝置采用的是固定式裝置，其保護(hù)電容器的設(shè)備是MOV、分路間隙及旁路斷路器。該串補(bǔ)裝置的基本接線如圖1所示。

2 電容器組的應(yīng)用

電容器組是串補(bǔ)裝置的主要設(shè)備，其主要技術(shù)參數(shù)及有關(guān)性能見表1.

2.1外熔絲電容器及內(nèi)熔絲電容器

串補(bǔ)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(tái)電容器單元組成。該電容器是油浸全膜電容器，實(shí)際設(shè)計(jì)的電場(chǎng)強(qiáng)度為170V/um。電容器組的保護(hù)水平為2.3pu，保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外熔絲的熔斷電流應(yīng)是所保護(hù)的電容器額定電流的1.43倍以上，一般取1.5倍。作為串補(bǔ)用的電容器還需要考慮電容器組兩端短路放電時(shí)熔絲不被熔斷，否則在系統(tǒng)發(fā)生故障而串補(bǔ)電容器組退出運(yùn)行時(shí)，旁路間隙或分路開關(guān)旁路電容器組時(shí)會(huì)使電容器組的外熔絲動(dòng)作。

采用外熔絲的電容器，當(dāng)發(fā)生故障熔絲熔斷后，熔絲管會(huì)跌落下來(lái)，巡視人員比較容易發(fā)現(xiàn)。但也有缺點(diǎn)，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(dāng)其中某個(gè)元件被擊穿后，與之相關(guān)聯(lián)的并聯(lián)組會(huì)被短路，電容器單元的電容量就會(huì)增加，此時(shí)該電容器單元仍能工作;工作電流會(huì)流過故障電容器元件的故障點(diǎn)使故障擴(kuò)大，最后使整個(gè)電容器單元發(fā)生故障，熔絲動(dòng)作并使故障電容器單元退出運(yùn)行。若此過程比較長(zhǎng)，故障元件的故障點(diǎn)在電流的作用下會(huì)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(gè)電容器單元退出運(yùn)行后會(huì)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(duì)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(fù)電壓較高，熔絲的制造相對(duì)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(gè)電容器元件都有相應(yīng)的熔絲。當(dāng)某個(gè)電容器元件發(fā)生故障時(shí)，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(yùn)行。損失的電容器容量較小，按電容器組設(shè)計(jì)例子，電容器單元只損失1/52 的容量。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，內(nèi)熔絲電容器單元中單個(gè)元件的損壞，不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大元件的故障。這是因?yàn)樵念~定電流較小，熔絲被熔斷時(shí)的恢復(fù)電壓較低，熔絲動(dòng)作速度相對(duì)較快，熔斷的副產(chǎn)物不多，不會(huì)對(duì)單元中其他元件的運(yùn)行造成危害.采用內(nèi)熔絲電容器組的主要缺點(diǎn)：A.內(nèi)熔絲不保護(hù)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(hù)來(lái)旁通電容器組。實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)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(shí)，不能直觀到，必須用專用的儀器定期進(jìn)行測(cè)量才能發(fā)現(xiàn)。由于元件的故障是隨機(jī)分布在各個(gè)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(diǎn)

根據(jù)IEC143 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電容器組的直流試驗(yàn)電壓為1.9*1.414U。對(duì)于該電容器組，直流試驗(yàn)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(jìn)行電容器組的配組時(shí)要精確測(cè)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(shí)能及時(shí)發(fā)出故障信號(hào)或旁通電容器組，因而將每相電容器單元組成-H型，4個(gè)臂分別由80個(gè)電容器單元以4串20并的方式連接。每個(gè)電容器由52個(gè)元件組成(4 串13并)，

如圖2 所示。每個(gè)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(duì)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(guān)系可按表2 進(jìn)行換算。

當(dāng)部分電容器元件發(fā)生故障退出運(yùn)行后，完好的電容器元件上的電壓會(huì)有一定的升高。當(dāng)過電壓達(dá)5%時(shí)就應(yīng)該發(fā)出告警信號(hào);達(dá)10%時(shí)就應(yīng)經(jīng)過一定的延時(shí)永久旁通電容器組( 見圖1)。實(shí)際運(yùn)行中，測(cè)量電容器組的每個(gè)單元上的過電壓是很困難的，一般采用測(cè)量不平衡電流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電容器單元的過電壓保護(hù)。表3中損壞的元件數(shù)量指的是出現(xiàn)在一個(gè)電容器單元中的同一個(gè)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(wú)元件損壞。很顯然，同一個(gè)并聯(lián)組出現(xiàn)多元件損壞的概率非常低。當(dāng)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(shí)，單元或元件上的過電壓要低得多。當(dāng)不平衡電流達(dá)到1.35A 時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào);不平衡電流達(dá)到1.50A時(shí)發(fā)出旁通命令;13個(gè)元件損壞意味著一個(gè)單元退出運(yùn)行。電容器的故障概率( 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù))：,30年電容器元件的總故障率為2%，按照2組串補(bǔ)的電容器單元數(shù)量計(jì)算，,30年損壞的元件為1996.8 個(gè);平均到電容器單元上，每單元只有1.04 個(gè)?？梢姽收下适呛艿偷?。再考慮到故障元件的隨機(jī)分布，在實(shí)際運(yùn)行中電容器阻的不平衡保護(hù)是不會(huì)動(dòng)作的。只有當(dāng)電容器單元的套管閃絡(luò)時(shí)，電容器組不平衡保護(hù)才有可能動(dòng)作。

除了因部分電容器單元損壞后退出運(yùn)行會(huì)使健全的電容器單元過電壓外，當(dāng)電容器組流過的電流超過額定電流時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致電容器單元過電壓。電容器組是否過負(fù)荷是根據(jù)測(cè)量到的線路電流是否超過額定電流來(lái)判斷的;線路電流超過額定電流時(shí)電容器組過負(fù)荷保護(hù)的定時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)器累計(jì)時(shí)間超過定值時(shí)便啟動(dòng)暫時(shí)旁通電容器組;若電容器組頻繁過負(fù)荷則永久旁通電容器組。

3金屬氧化物可變電阻(MOV)

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

20KV時(shí)，電容器上的穩(wěn)態(tài)電壓的有效值高達(dá)600KV.故必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)限制電容器組上的電壓。

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(hù)電容器組。當(dāng)區(qū)外故障發(fā)生時(shí)，MOV會(huì)吸收全部能量，保護(hù)電容器組;區(qū)外故障消失后，電容器組可自動(dòng)投入。區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，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(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，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(huì)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(shí)MOV的工況

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定輸送容量，串補(bǔ)裝置仍應(yīng)處在運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，MOV中會(huì)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(shí)間越長(zhǎng)，MOV 吸收的能量也越大。區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，故障電流較大，流過MOV的電流也較大。如果故障持續(xù)時(shí)間(MOV流過電流的時(shí)間)與區(qū)外發(fā)生故障時(shí)相同，MOV吸收的能量會(huì)比區(qū)外發(fā)生故障時(shí)大得多。為了降低MOV的吸收能量，觸發(fā)間隙應(yīng)及時(shí)動(dòng)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(yīng)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(dòng)方式

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

4觸發(fā)間隙

串補(bǔ)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(qiáng)的滅弧能力，其電弧要在旁路開關(guān)合上或線路開關(guān)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(hù)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(dòng)作過程

根據(jù)設(shè)置條件，平臺(tái)上的觸發(fā)間隙的控制單元就會(huì)接受控制信號(hào)，控制單元會(huì)發(fā)出一個(gè)高壓脈沖送到三球隙裝置的點(diǎn)火球隙，使點(diǎn)火球隙被擊穿而導(dǎo)通;點(diǎn)火球隙擊穿導(dǎo)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(diǎn)火觸發(fā)間隙的導(dǎo)通;點(diǎn)火觸發(fā)間隙的電壓升高，導(dǎo)致精確觸發(fā)間隙被擊穿;點(diǎn)火和精確觸發(fā)間隙導(dǎo)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(dǎo)通;主間隙上部間隙導(dǎo)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(zhuǎn)過來(lái)施加在主間隙下部，從而完成了整個(gè)間隙被擊穿而導(dǎo)通。為了保證三球隙裝置能可靠地被擊穿導(dǎo)通，應(yīng)采用雙套觸發(fā)信號(hào)回路。

4.2放電電壓與間隙距離的關(guān)系

在裝有串補(bǔ)裝置的輸電系統(tǒng)中發(fā)生任何類型故障時(shí)，只要沒有觸發(fā)信號(hào)，點(diǎn)火三球隙就不應(yīng)該動(dòng)作。為達(dá)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(diǎn)火三球隙所分得的電壓。根據(jù)SIEMNENS廠商提供其點(diǎn)火三球隙的放電電壓與間隙距離的關(guān)系曲線( 見圖4)，按系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行整定，通常點(diǎn)火三球隙放電電壓應(yīng)比最高電壓下點(diǎn)火三球隙所分得的電壓高10~15%。觸發(fā)間隙應(yīng)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(wú)須檢修，觸發(fā)間隙能承受100kA 動(dòng)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(lái)投入或退出串聯(lián)電容器組的。它的另一個(gè)作用是：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，為了保護(hù)MOV不至于因過負(fù)荷而損壞，旁路間隙會(huì)在很短的時(shí)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(fù)荷電流。

6串補(bǔ)裝置操作控制

6.1裝置運(yùn)行操作的注意事項(xiàng)

(1串補(bǔ)操作及監(jiān)控微機(jī)(WINCC)不得擅自退出運(yùn)行。

(2/WINCC微機(jī)正常應(yīng)在“串補(bǔ)操作及監(jiān)控系統(tǒng)”下運(yùn)行，不得隨意更換系統(tǒng)。在運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員應(yīng)經(jīng)常巡視電源狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。如果電源故障不能及時(shí)修復(fù)應(yīng)立即匯報(bào)。

(3發(fā)現(xiàn)/WINCC微機(jī)有故障，值班員應(yīng)及時(shí)匯報(bào)工區(qū)。

(4嚴(yán)禁在串補(bǔ)WINCC 操作微機(jī)上使用軟盤、光盤，不準(zhǔn)拷取WINCC 微機(jī)內(nèi)系統(tǒng)軟件。

(5禁止在串補(bǔ)操作/WINCC 微機(jī)上進(jìn)行一切與串補(bǔ)操作無(wú)關(guān)的操作。

(6)補(bǔ)的操作應(yīng)嚴(yán)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(yīng)及時(shí)匯報(bào)。

(7在/WINCC上進(jìn)行操作，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行倒閘操作制度。

(8當(dāng)串補(bǔ)裝置改檢修且有人工作時(shí)，必須拉開串補(bǔ)地刀和刀閘的操作電源。

(9串補(bǔ)網(wǎng)門關(guān)閉之前，應(yīng)檢查每相串補(bǔ)平臺(tái)上及網(wǎng)門內(nèi)無(wú)工作人員，平臺(tái)小門應(yīng)關(guān)閉，且三相爬梯確已放下并上鎖。

7結(jié)論

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