5 串補(bǔ)裝置引起的次同步諧振問(wèn)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(guò)含有串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的單機(jī)對(duì)無(wú)限大線的輸電系統(tǒng)[6>(見(jiàn)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(guó)MOHAVE電廠在1970年12月和1971年10月先后發(fā)生過(guò)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(wèn)題必須予以深入研究。通過(guò)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(pán)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(jiàn)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(jiàn)，在100Hz以下沒(méi)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(pán)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(guò)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(wú)串補(bǔ)時(shí)接近；如流過(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)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(kāi)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(kāi)斷故障線路前旁路短接電容器，則該線路就成為無(wú)串補(bǔ)的普通線路，斷路器上的恢復(fù)電壓自然就降下來(lái)。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(guò)MOV的電流或其吸收的能耗超過(guò)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(lái)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。火花間隙的最小觸發(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(guò)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(guò)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(wú)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(guó)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(guó)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(guò)電壓、潛供電流、SSR及線路斷路器TRV等系統(tǒng)問(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)跳閘的同時(shí)(無(wú)論故障相MOV能耗或電流是否超過(guò)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