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(duì)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(shí),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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(shí)間快、減少M(fèi)OV容量及提供后備保護(hù)等優(yōu)勢(shì),相對(duì)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(jiǎn)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:
(1)MOV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(shí),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(dòng)電流整定值或MOV吸收的能量超過其啟動(dòng)能耗時(shí),控制系統(tǒng)會(huì)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(shí)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?jiǎn)栴}
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(shí),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(duì)位置不同時(shí),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(shí),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(zhǎng)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(shí),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(gè)工程的系統(tǒng)研究工作中對(duì)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(duì)這兩個(gè)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(shí),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(shí),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(huì)影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
4 串補(bǔ)裝置對(duì)潛供電流的影響
線路發(fā)生單相接地故障時(shí),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(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)單相重合閘不利;單相瞬時(shí)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(duì)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(shí),潛供電流波形是一個(gè)低頻(f≈7Hz)、衰減的放電電流,電流幅值高達(dá)250-390A[5>(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(dòng)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(shí))線路接入系統(tǒng)時(shí),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(duì)無限大線的輸電系統(tǒng)[6>(見圖4)簡(jiǎn)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(shí),同步發(fā)電機(jī)在諧振條件下相當(dāng)于一感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。如任何沖擊或擾動(dòng)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(chǎng),以2π(fe-fn)的相對(duì)速度圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),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(shí),就可能發(fā)生電氣–機(jī)械共振現(xiàn)象。
大型多級(jí)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(gè)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(shí)間內(nèi)將發(fā)電機(jī)軸扭斷,即使諧振較輕,也會(huì)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月先后發(fā)生過兩次次同步諧振,使兩臺(tái)300MW發(fā)電機(jī)組嚴(yán)重受損[6>。
河池及平果串補(bǔ)站建成后,南方電網(wǎng)的500kV西電東送輸電系統(tǒng)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(bǔ)站較近的系統(tǒng)中的汽輪發(fā)電機(jī)組(安順電廠的300MW機(jī)組和盤南電廠的600MW機(jī)組)是否潛藏著發(fā)生次同步諧振的可能性[7>。
在此兩機(jī)的機(jī)端向電網(wǎng)注入三相對(duì)稱單位電流,在次同步振蕩頻率域內(nèi)改變電流頻率,計(jì)算系統(tǒng)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(zhì)(正負(fù))發(fā)生突變的頻率即為電網(wǎng)的電氣串聯(lián)諧振頻率。若此頻率與發(fā)電機(jī)某一機(jī)械共振頻率之和等于工頻,則可判斷為在此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下可能發(fā)生次同步諧振。
由圖5-7可見,在100Hz以下沒有電氣串聯(lián)諧振點(diǎn)。據(jù)此可以判斷為安順300MW機(jī)組和盤南電廠600MW機(jī)組不會(huì)因河池和平果裝設(shè)串補(bǔ)站而發(fā)生次同步諧振。
6 串補(bǔ)裝置對(duì)斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓的影響
加裝串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)某邏狠旊娋€路故障時(shí),如流過串補(bǔ)裝置的短路電流很大,串補(bǔ)站的火花間隙將很快動(dòng)作,電容器被旁路,線路斷路器的恢復(fù)電壓與無串補(bǔ)時(shí)接近;如流過串補(bǔ)裝置的短路電流很小,串補(bǔ)站的火花間隙有可能不動(dòng)作,而電容器的殘壓會(huì)使線路斷路器的恢復(fù)電壓大幅度提高,可能造成線路開關(guān)的損壞。
從對(duì)河池FSC及平果TCSC工程進(jìn)行的系統(tǒng)研究來看,串聯(lián)電容補(bǔ)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(tài)恢復(fù)電壓水平。通過對(duì)串補(bǔ)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(fù)電壓提高幅度可達(dá)15%-20%。盡管某些情況下斷路器的開斷電流和恢復(fù)電壓上升陡度不大,但仍可導(dǎo)致線路斷路器的TRV超標(biāo)。建議采取以下措施限制TRV的超標(biāo):?jiǎn)蜗嘀睾祥l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(bǔ)裝置;發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),采取線路斷路器和串補(bǔ)裝置的火花間隙及可控硅閥聯(lián)動(dòng)措施,即要求線路兩側(cè)保護(hù)系統(tǒng)在啟動(dòng)線路斷路器跳閘的同時(shí),將串補(bǔ)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(fù)電壓如圖8、圖9所示[7>。
限制TRV超標(biāo)的關(guān)鍵措施是成功旁路串聯(lián)補(bǔ)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(bǔ)的普通線路,斷路器上的恢復(fù)電壓自然就降下來。一般在線路潮流較重或距離串補(bǔ)較近處發(fā)生故障時(shí),通過MOV的電流或其吸收的能耗超過電流和能量啟動(dòng)值可強(qiáng)制觸發(fā)火花間隙,使電容器退出。但在串補(bǔ)所在線路的某些地方發(fā)生短路故障時(shí),如惠水—河池線路0-70km范圍內(nèi)發(fā)生三永故障時(shí),由于串聯(lián)電容器殘余電荷的放電,河池側(cè)線路斷路器的TRV超標(biāo),但此時(shí)MOV電流及MOV能量均未達(dá)到啟動(dòng)值,不會(huì)觸發(fā)火花間隙。
建議在判斷為區(qū)內(nèi)故障時(shí),立即強(qiáng)制觸發(fā)旁路間隙,退出串補(bǔ)電容器,這將是解決線路斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓超標(biāo)的有效方法。但需注意,強(qiáng)制觸發(fā)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(fā)電壓。
從確保區(qū)內(nèi)故障時(shí)成功觸發(fā)火花間隙的角度來講,串補(bǔ)裝置的間隙最小觸發(fā)電壓應(yīng)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?;鸹ㄩg隙的最小觸發(fā)電壓和間隙的自放電電壓密切相關(guān), 前者隨后者的增減而增減。為使強(qiáng)制觸發(fā)成功,最小觸發(fā)電壓應(yīng)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(xiǎn),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(fù)介質(zhì)強(qiáng)度和縮短必需的無電壓時(shí)間。
7 結(jié)論及建議
隨著西電東送工程的逐步實(shí)施,我國電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模必將得到進(jìn)一步的發(fā)展,串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置可能在我國電網(wǎng)中進(jìn)一步得到應(yīng)用。在串補(bǔ)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)期間必須對(duì)其可能引發(fā)的過電壓、潛供電流、SSR及線路斷路器TRV等系統(tǒng)問題進(jìn)行深入研究,本文以南方電網(wǎng)河池FSC及平果TCSC實(shí)際工程為例,對(duì)串補(bǔ)工程中可能出現(xiàn)的有關(guān)系統(tǒng)問題提出以下的解決措施及建議:
(1)由于串補(bǔ)裝置將影響其所在輸電線路沿線的電壓特性,因此需結(jié)合已建線路上的高抗位置校核增加串補(bǔ)后是否導(dǎo)致某些地點(diǎn)電壓超過運(yùn)行要求。并在滿足輸送容量及系統(tǒng)穩(wěn)定水平的前提下,認(rèn)真比選線路的串補(bǔ)度,以避免新增加的電容器容抗與已安裝的高壓并聯(lián)電抗器的感抗之間的參數(shù)配合不當(dāng)而引發(fā)的工頻諧振過電壓?jiǎn)栴}。
(2)裝設(shè)并聯(lián)電容的輸電線路上發(fā)生接地故障時(shí),在故障相兩側(cè)開關(guān)跳閘的同時(shí)(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(xiàn)較大幅值的低頻放電暫態(tài)分量。
(3)串補(bǔ)所在輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),故障相兩側(cè)斷路器跳閘后,立即強(qiáng)制觸發(fā)旁路間隙,將旁路斷路器閉合,以避免線路斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓超標(biāo)。
(4)隨著電網(wǎng)的發(fā)展,不能排除在串補(bǔ)站近區(qū)出現(xiàn)新的火電機(jī)組的可能性。因此在串補(bǔ)工程建設(shè)初期,可考慮在串補(bǔ)站內(nèi)裝設(shè)抑制或監(jiān)視次同步諧振的二次裝置,或預(yù)留相應(yīng)監(jiān)控裝置的接口以使串補(bǔ)站對(duì)系統(tǒng)發(fā)展具有一定的適應(yīng)性
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