国家电网公司先进适用技术评估报告

国家电网公司先进适用技术评估报告常规串联电容器补偿技术1技术原理1.1背景在近几十年，特别是近几年我国的电力工业有了迅猛的发展，目前我国电网已进入大电网、大机组、高压交直流输电的新阶段，应用远距离大容量的高压输电技术，已成为我国电力工业发展的迫切需要。远距离、大容量的电能传输使系统稳定性问题在我国变得日益突出，如何在保持系统稳定的前提下，提高输电线路的输送功率，减少线路回数，是我国电力系统面临的一个主要课题。这主要是基于以下的事实：（1）由于电力工业目前正在向着采用更高输电电压的方向前进，高压远距离输电线路的导线、杆塔及其附属设备的费用将是一笔巨额投资。（2）电压等级的提高使输电走廊变得更宽，远距离输电使得输电走廊变得更长。输电走廊的用地费用在整个线路建设投资中占有很大的比重，使取得高压远距离输电线路的输电走廊变得更加困难。（3）环境保护对输电线路提出更高的要求。因此，增加线路输送能力，提高系统稳定性，在同样的输电容量条件下，尽可能地减少所需的输电回路数，充分利用每一条线路走廊，无论从节省工程投资还是环境保护来看，都是非常重要的。常规串联电容器补偿（简称常规串补）技术在输电线路中串入电容器组，利用电容器容抗抵消部分输电线路感抗，从而减小线路的等值电抗，在高压远距离输电线路上，串联电容补偿（简称串补）的作用相当于缩短线路的电气距离，从而提高了线路的稳定极限和输送能力，在输电线路补偿策略中属于线路长度补偿。目前，常规串补技术是世界范围内应用最为广泛的提高超高压、远距离输电线路输送能力的技术之一。串补技术除了具有提高电力系统的输送能力和改善电力系统稳定性的主要功能外，还具有改善电压质量及无功功率平衡和确定多回输电线路间负荷的最佳分配的功能。国家电网公司先进适用技术评估报告1.2发展概况自1928年世界上第一套常规串补装置投入运行以来，常规串补装置的发展根据对串联电容器组的过电压保护方式的不同，可以分为两个阶段：（1）以间隙作为串补电容组过电压的主保护，具体又分为单间隙、双间隙和SiC非线性电阻带间隙保护方式，其典型的结构示意图见图5－1。该种类型的串补装置主要有过电压保护水平较高、发生接地故障间隙动作后，电容器组的重新投入时间间隔长，以及间隙结构复杂、受环境影响大、动作不稳定和维护困难等缺点。C－电容器组D－阻尼回路R－SiC电阻G1,G2－间隙S1,S2－旁路开关G1DCS1(a)DCG1S2G2S1(b)DS1CG1G2S2R(c)图5－1间隙保护方式的串补装置原理示意图（2）以金属氧化物变阻器（简称MOV）作为串补电容器组过电压的主保护，间隙仅作为MOV的后备保护，其典型的结构示意图见图5－2。当线路发生短路故障时，由MOV限制由于大电流流经电容器组而产生的过电压，并在故障电流终止时立即将电容器组重新投入。如果通过MOV的能量或电流超过设定值，间隙保护动作触发火花间隙，旁路MOV，即间隙为MOV的后备保护，但由于间隙不具备灭弧能力，因此间隙击穿后，为防止间隙燃弧时间过长，经一时延，旁路开关合闸，短接间隙，保证其灭弧。该方案简化了保护设备结构，并从根本上解决了串补电容器组的快速重投问题，并且MOV的电压保护值远低于间隙保护型串补装置间隙的击穿电压整定值。1979年第一套基于MOV作为主保护的串联补偿装置在Bonneville电管局的NorthJohnDay变电站投产，目前，国内外的常规串补装置基本都是这种以MOV作为串补装置过电压主保护的类型，国外有些工程取消了作为MOV后备保护的间隙，也称“无间隙”方案，其优点是减少了元件个数，提高了装置动作的稳定性，在更多的工况下保持串补电容器组在投入状态，缺点是MOV容量增加很多。1.3技术原理交流输电系统的串联补偿技术是将电容器串接于输电线路中，通过阻抗补偿减少国家电网公司先进适用技术评估报告功率输送引起的电压降和功角差，从而提高电力系统稳定性，扩大线路输送容量。图5－2是典型的常规串补主回路示意图:DCGRSC电容器组D阻尼回路RZnO电阻G火花间隙S旁路开关图5－2常规串补主回路示意图如5－2图所示，串补装置是依靠串联安装于输电线路中的电容器来补偿输电线路自身的线路电抗，从而缩短交流输电线路的等值电气距离，以增大输送容量。常规串补对电力系统的补偿作用可以通过图5－3简要说明：图5－3常规串补对系统的补偿作用示意图对于以上两个系统的连接示意图，如果不计M、N两侧系统阻抗，其线路的传输功率可以表示为：clnmnmxxuup−−=)sin(ϕϕ（式5－1）式中：：M侧系统的母线电压；mu：N侧系统的母线电压；nu：线路等效阻抗；lx：串联电容器容抗；cxnmϕϕ−：M、N两侧母线电压的夹角；国家电网公司先进适用技术评估报告lxcxclxx−图5－4常规串补线路阻抗关系示意图从图5－4可以看出，在系统确定的情况下，提高输电线路输送功率的最佳途径是减小线路阻抗。1.4串补装置各元件的功能和动作原理串补装置中各主要元件的主要功能如下：电容器组：串补装置的基本元件，由多台电容器串并联组成。电容器目前一般为内熔丝，单套管和双套管均有普遍应用。MOV：串补装置的主保护元件，限制线路发生短路故障或不正常运行情况下由于大电流流经电容器组，在电容器组上产生的过电压，并在故障电流终止时立即将电容器组重新投入。整个串补装置的过电压保护水平是由MOV决定的，目前一般的保护水平为2.0～2.5p.u.。火花间隙：是MOV的后备保护，当通过MOV的能量或电流超过设定值时，间隙保护动作触发间隙，旁路MOV。旁路开关：是系统检修、调度的必要装置，同时为火花间隙灭弧及去游离提供必要条件，当系统故障，火花间隙触发点火击穿后，为防止火花间隙燃弧时间过长，经一时延，旁路开关合闸，短接间隙，保证其灭弧。阻尼装置：是在间隙和旁路开关动作时，限制并阻尼电容器放电电流，防止电容器、火花间隙、旁路开关等设备在放电过程中损坏。目前阻尼装置的基本类型有：（1）仅有电抗器；（2）电抗器并联线性电阻；（3）电抗器并联线性电阻＋间隙；（4）电抗器并联线性电阻＋非线性电阻。其中后三种类型的放电电流衰减特性比第一种类型好，第二种类型长时间运行时电阻损耗较大，对电阻的热容量要求较高，第三种和第四种类型是对第二种类型的改进，阻尼回路损耗较低，但从动作的稳定性和方便维护的角度而言，第四种电抗器并联线性电阻＋非线性电阻的类型更有优势。国家电网公司先进适用技术评估报告光CT：串补装置的上述主要一次设备除了旁路断路器之外都放置于和超高压线路等电位的绝缘平台上，串补装置所有的继电保护功能都是通过安装于各支路的CT实现的，CT的电流信号经过光电转换器变成光信号，然后通过光纤高压信号柱从平台送到地面上的保护控制设备。一般情况下有线路电流CT、不平衡保护CT、火花间隙CT、MOV支路CT和平台故障监测CT，有些工程还有旁路断路器CT。系统在正常运行时，电流流过电容器组，用以缩小线路阻抗，提高输送功率。这时MOV呈高阻态，几乎没有电流流过。当系统发生短路故障时，如果发生区外故障，可以利用MOV良好的非线性特性，瞬间导通MOV，将电容器两端的电压限制在一定范围内，这种情况下，MOV会在短路期间吸收一定的能量。在系统计算、MOV容量的选择及保护定值整定时，应使MOV能量及高电流保护在这种情况下不动作。如果发生区内故障，流过串补的短路电流比较大，MOV在保护电容器免受过电压冲击的过程中，会流过很大的电流，能量和温度在短时内上升很快。为了保护MOV在短路期间免受损坏，保护将瞬间触发GAP，限制MOV的能量上升，同时发出合旁路开关的命令，使串补暂时退出。整套串补将在一定延时后重新投入。如果MOV在故障期间能量的吸收或温度的上升超出某一整定值（可设定），保护将发永久闭锁信号，禁止串补重投。2国内外应用情况常规串补技术在国外的应用始于1928年的纽约电网33kV系统（GE供货），1950年开始应用于超高压电网，在美国、加拿大、瑞典、前苏联、巴西、墨西哥、阿根廷等国家均有多个电压等级的串补线路在运行。常规串补技术目前已经有70多年的历史，全世界范围内总容量超过100GVar，应用覆盖高压输电的各个电压等级，目前最高电压等级765kV（巴西Itabera水电外送）。国际上提供串补技术的公司有ABB、Siemens、GE和NOKIAN等公司，其中GE公司截至2003年全世界供货超过90套，容量超过29GVar，ABB公司截至2003年全世界供货248套，容量超过69GVar。我国于1966年在新杭上线建成第一个220kV串补站，1972年在刘天关线上建成两组330kV串补站，采用以间隙作为主保护的过电压保护方式，由于技术落后和当时的电容器含有毒物质，再加上其后输送潮流并不是很大，这两个串补站相继退出运行。随着近年来我国电力工业的迅猛发展，采用常规串补技术成为提高远距离输送能力的主要技术措施之一，国内先后有山西阳城电厂送出工程、华北电网大房双回线路、国家电网公司先进适用技术评估报告丰－万－顺双回线路、南方电网公司河池出线侧装设了串补装置。目前尚有华北电网万顺III串补工程、四川昭觉加装串补工程和南方电网公司的百色出线侧串补工程在建。2000年10月，配合山西阳城送出的我国第一个500kV串补工程投产运行，两套串补装置位于东三（东明－三堡）双回线（每回261km）的线路末端——三堡变电站，集成供货商为德国SIEMENS，一次主设备除了电容器的生产厂家为美国的COOPER外，其它均为SIEMENS。该工程每套串补装置总容量500MVar，串补度40％，火花间隙由两个主间隙串联组成，阻尼回路为电抗器并联线性电阻＋间隙，MOV每相极限能量吸收能力50MJ。三堡变电站的串补装置投产以来，除了出现过串补电容器、间隙均压电容渗油和电容量减小的问题外，一次设备运行情况基本良好，除了检修、预防性试验外串补装置基本在投入状态。但二次设备问题较多，尤其是2004年6月份以来故障较为频繁，共发生故障18次，其中14次为光电回路故障，1次为保护上电时误动，共造成误动跳串补6次。2001年6月，我国第二个500kV串补工程——华北电网大房双回线加装串补工程投产运行，两套串补装置位于大房（大同－房山）双回线（每回288km）的线路中部——蔚县串补站，集成供货商为ABB，一次主设备除了阻尼电抗器的生产厂家为加拿大的TRENCH外，其它均为ABB。该工程每套串补装置376MVar，串补度35％，火花间隙由两个主间隙串联组成，阻尼回路为电抗器并联线性电阻＋非线性电阻，MOV每相极限能量吸收能力30MJ。在进行大房串补永久单相人工接地试验时，间隙没有可靠触发，经检查发现其原因为设备厂家的调试工程师在调试中对触发回路编号为FR4的压敏电阻试验方法不正确，影响了该压敏电阻的正常使用寿命，在人工接地试验期间出现了压敏电阻损坏，影响了触发回路的可靠触发。在人工接地试验后，对该压敏电阻进行了更换，消除了串补装置投入运行后发生类似情况的隐患。蔚县串补站投产后发现，投产前对串补装置的线路保护远方触发功能的部分设置考虑欠妥，分析研究决定对蔚县串补站远方触发电流的门坎值单独设置，并制定了整定原则，该方案在修改设计和软件后进行了实施。蔚县串补站自投产以来，基本运行情况良好，2001年到2002年，线路共发生了四次区内故障，串补装置均正确动作。2003年以来，出现过发生线路区外故障（大同国家电网公司先进适用技术评估报告侧），串补站间隙误动的现象，华北电网公司近期拟利用大房线停电检修机会进行相关试验，排查误动原因。2003年6月18日～30日，华北电网的第二个串补工程——丰万（丰镇－万全）双回和万顺（万全－顺义）双回500kV串联补偿装置在万全变电站相继投产，其中丰万线每回线路长度156km，万顺线每回线路长度208km。四套串补装置的集成供货商均为芬兰NOKIAN，其中电容器、阻尼回路和火花间隙的生产厂家为NOKIAN，MOV的生产厂家为SIEMENS，光CT的生产厂家为ARTECHE，旁路断路器生产厂家为ALSTOM。丰万串补装置每套