高压输电线路串联电容器保护系统的研究.pdf

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE metal oxide varistor （MOV） ; overvoltage protection; secondary arc;subsynchronous resonance（SSR） 目录 1 研究的必要性 .1 1.1 概述 .1 1.2 研究的必要性 .1 2 保护原理. 2 2.1 串补装置基本原理. 2 2.2 串补装置的主要作用. 2 2.3 串补装置基本接线 .3 2.3.1 固定串补. 3 2.3.2 可控串补. 5 3 保护系统的技术实现. 6 3.1我国的串补技术实现现状阐述6 3.2 串补装置结构及其原理 6 3.3 串补装置引起的过电压问题. 7 3.4 串补装置对潜供电流的影响 8 3.5 串补装置引起的次同步谐振问题. .9 3.6 串补装置对断路器暂态恢复电压的影响. 12 4 保护系统的运行机理 14 TCSC 本体故障的基本类型.14 TCSC 本体继电保护系统的基本配置及其原理.13 电容器保护 .16 氧化锌避雷器（MOA）保护 19 晶闸管元件保护. 21 其它保护功能. 22 5 保护系统的理论计算 24 6 国内外串联电容器保护的发展动态. .27 7 结论. .29 参考文献 .30 致谢. 31 Gratitude32 高压输电线路串联电容器保护系统的研究 - 1 - 1 研究的必要性 1.1 概述 输电线路可控串补技术可以大幅度提高已有和新建输电线路的送电能力和电网安 全稳定性，是最先进、最有代表性的灵活交流输电技术之一。

可控串补技术在我国超高 压电网的工程化应用，为解决我国用电需求与输电能力不足、电网发展与环境的矛盾， 为保证我国能源和电网安全提供了有效技术手段同时，提升了电网装备水平，替代进 口产品，为电网发展方式带来革命性变革，对实现西电东送、全国联网，保护生态环境， 构建和谐社会，具有重要的战略意义 1.2 研究的必要性 随着超高压远距离输电线路的大量投运，改善电力系统的稳定特性和暂态特性成为 国内外一项主要的研究课题其中交流输电系统中采用串联电容器补偿是一种有效的补 偿手段， 它通过电容补偿线路电感， 从而降低了线路电抗， 大大提高了线路的输送能力， 控制并行线路之间的功率分配和增强系统的稳态和暂态特性，且是一种十分经济的方 法，故系统中大量采用此方法但由于线路故障时工作条件比较恶劣，其串联成本也比 较高，必须对其进行保护为此，研制一种高压输电线路串联电容器的保护十分必要 高压输电线路串联电容器保护系统的研究 - 2 - 2 保护原理 2.1 串补装置基本原理 提高稳定输送容量原理：高压输电线路的静态稳定输送功率可由下式表示： ( ) 12 sin 1 L U U P X σ= 式中 12 U U 为线路两端的电源电压；σ为线路两端的电源电压的相角差； L X 为线路 的阻抗； 12 L U U X 为线路的极限输送功率(静态稳定极限)。

当线路中安装有串补电容器后，线路的稳定输送功率为： ( ) ( ) 12 sin 2 1 3 1 LC L LCC U U P XX X XXK σ= − = −− 在同一个相角差(σ相同)的条件下，装有串补电容器前后的稳定输送功率之比为： Kc=Xc／XL 为补偿度在 500kV 超高压输电线路工程中，若补偿度设为 40％ ，则每条 输电线路装有串补电容器前后的稳定输送功率之比为 1．67 倍即安装了两套串补装置 相当于增加了一条输电线路 2.2 串补装置的主要作用 串联电容补偿装置是串联在输电线路中以补偿线路感抗，由电容器及保护设备、控 制设备等组成的装置其补偿度基本不变或不能平滑调节，称为固定串补装置（FSC）， 简称串补在输电线路中串联补偿电容两端并上晶闸管控制的电抗器及保护控制设备组 成的装置称为晶闸管控制的串联补偿装装置，简称可控串补（TCSC）它可以在相当广 的范围内平滑快速地调节串补装置的容抗 串补装置的主要作用是： 1)提高电力系统的稳定性，增加系统输送能力 高压输电线路串联电容器保护系统的研究 - 3 - 串联电容器的容抗抵消掉线路部分感抗，相当于缩短了线路的电气距离，同时使线路两 端电压的相角变小， 抗干扰裕度增大， 从而提高了线路输电能力， 提高了系统稳定水平。

2)改善系统的运行电压和无功平衡条件，在配电网中主要用于补偿线路的感性压降，改 善电压质量 串联电容器所产生的无功与通过电容器电流的平方成正比，即串联电容对改善系统 运行电压和无功平衡条件具有自适应性与并联补偿装置相比，若提高线路末端电压， 以采取串联电容补偿装置较经济；若提高系统电压水平或减少线路有功损耗，以选用并 联电容补偿装置较宜 3)合理分配并联线路或环网中的潮流分布 串补电容相当于缩短了线路的电气距离，在由不同导线截面和不同电 压线路经变 压器组成的电网中，经优化后可使潮流分布合理，有利于减少线路有功损耗 4)降低网损 由于线路损耗主要由线路电阻造成，在一定情况下，串联电容减小无功电流，抬高 运行电压，从而减少网损 5)经济 串补技术在远距离、 大容量输电中的应用， 可减少输电线路回路数， 从而节省投资 对可控串补除具有固定串补的作用外还具有快速连续调节工频等值容抗特点，可控制线 路潮流﹑阻尼功率遥摆和低频振荡，抑制次同步谐振（SSR）等特点 由于串补技术性能优越，投资省，见效快，所以，串补技术在电力系统，特别是大 容量、远距离输电系统中得到广泛的应用 2.3 串补装置基本接线 串补装置按保护电容器的设备不同可分为固定式常规串补（FSC）和动态式可控串 补（TCSC）。

2.3.1 固定串补 固定串补一般采用带火花间隙和MOV 保护，基本接线如下： 高压输电线路串联电容器保护系统的研究 - 4 - 1.电容器组C 2.氧化锌避雷器MOV 3.火花间隙 J 4.阻尼装置D 5.旁路断路器 DL 6.旁路隔离开关 G1 7.串联隔离开关G2、G3 8.绝缘平台 9.控制保护系统 电容器组 C：是串补装置基本元件，串补电容器容抗补偿线路部分感抗，使电气距 离缩短，提高线路输送能力 MOV：作为电容器的主保护，并联在电容器组两端，防止线路故障或不在正常运行 情况下的过电压直接作用在电容器组上，以保护电容器免遭破坏 火花间隙 J：是MOV 和串联电容器的后备保护，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 阻尼装置：是在间隙和旁路断路器动作时，限制并阻尼电容器放电电流，防止电容 器、火花间隙、旁路断路器等设备在放电过程中损坏 旁路断路器：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 要的条件 隔离开关： 是投入或退出电容器的元件；为满足远方控制 绝缘平台：在平台上安装串补电容器及其保护装置，平台与地绝缘，保护、控制设 备：是保护和控制串补装置的设备。

高压输电线路串联电容器保护系统的研究 - 5 - 2.3.2 可控串补 可控串补基本接线如下： 1. 电容器组C 2. 氧化锌避雷器 MOV 3.旁路电感 LB 4.晶闸管SCR 可控串补与固定串补类似,主要由电容器组、MOV、阻尼电路、旁路开关等主要部件 组成，不同的是，增加了一个与电容器并联的回路，它由一双向可控硅SCR 和旁路电抗 器LB 串联组成反向并联晶闸管SCR，用于控制旁路电抗器LB 的导通时间通过可控 硅不同的触发角来控制通过电抗器回路的电流从而控制总的等值阻抗,实现连续控制线 路的补偿度的目的由于增加了调控速度很快的可控硅并联支路，可控串补通常取消了 火花间隙支路 可控串补(TCSC)较常规串补(FSC)的特点:1)可阻尼次同步振荡;2)可快速准确地调 整控制线路潮流;3)可快速改变电抗, 阻尼线路功率振荡,提高系统稳定性;4) 可减小 MOV 容量 高压输电线路串联电容器保护系统的研究 - 6 - 3 保护系统的技术实现 3.1 我国的串补技术实现现状阐述 采用串联电容补偿技术可提高超高压远距离输电线路的输电能力和系统稳定性，且 对输电通道上的潮流分布具有一定的调节作用。

采用可控串补还可抑制系统低频功率振 荡及优化系统潮流分布；但在系统中增加的串联电容补偿设备改变了系统之间原有的电 气距离，尤其是串补度较高时，可能引起一系列系统问题，因此在串补工程前期研究阶 段应对这种可能性进行认真研究，并提出解决问题的相应方案及措施 我国南方电网是以贵州、 云南和天生桥电网为送端、 通过天生桥至广东的三回 500kV 交流输电线路及一回 500kV 直流输电线路与受端广东电网相联的跨省(区)电网，2003 年 6 月贵州—广东的双回 500kV 交流输电线路建成投运，南方电网形成了送端“五交一 直”、受端“四交一直”的北、中、南三个西电东送大通道随着南方电网西电东送规 模的进一步扩大，为提高这些输电通道的输送能力和全网的安全稳定水平及抑制系统低 频振荡，经研究决定分别在平果与河池变电所装设可控串补(TCSC)及固定串补装置 (FSC) 通过对南方电网平果可控串补工程及河池固定串补工程进行的系统研究工作，作者 对超高压远距离输电系统中，采用串联电容补偿技术可能引起的系统问题获得了比较全 面的了解，并总结了解决这些问题的措施及方案研究结果表明，超高压输电线路加装 串补后所引发的系统问题主要有过电压、潜供电流、断路器暂态恢复电压(TRV)及次同 步谐振(SSR)等问题。

3.2 串补装置结构及其原理 目前在电力系统中应用的串联电容补偿装置按其过电压保护方式可分为单间隙保 护、双间隙保护、金属氧化物限压器(MOV)保护和带并联间隙的 MOV 保护四种串补装置 带并联间隙的 MOV 保护方式的串补装置具有串补再次接入时间快、减少 MOV 容量及提供 后备保护等优势，相对而言更有利于提高系统暂态稳定水平，因此目前在电力系统的串 补工程中得到了比较广泛的应用其结构简图如下图所示 高压输电线路串联电容器保护系统的研究 - 7 - 图 1.串联电容补偿装置的结构简图 图中各元件的配合关系及其工作原理如下： (1)MOV 是串联补偿电容器的主保护 串补所路上出现较大故障电流时， 串联补 偿电容器上将出现较高的过电压，MOV 可利用其自身电压–电流的强非线性特性将电容 器电压限制在设计值以下，从而确保电容器的安全运行 (2)火花间隙是 MOV 和串联补偿电容器的后备保护，当 MOV 分担的电流超过其启动 电流整定值或 MOV 吸收的能量超过其启动能耗时，控制系统会触发间隙，旁路掉 MOV 及 串联补偿电容器 (3)旁路断路器是系统检修和调度的必要装置，串补站控制系统在触发火花间隙的 同时命令旁路断路器合闸，为间隙灭弧及去游离提供必要条件。

(4)阻尼装置可限制电容器放电电流，防止串联补偿电容器、间隙、旁路断路器在 放电过程中被损坏 3.3 串补装置引起的过电压问题 串补装置虽可提高线路的输送能力，但也影响了系统及装设串补装置的输电线路沿 线的电压特性如线路电流的无功分量为感性，该电流将路电感上产生一定的电压 高压输电线路串联电容器保护系统的研究 - 8 - 降，而在电容器上产生一定的电压升；如线路电流的无功分量为容性，该电流将路 电感上产生一定的电压升，而在电容器上产生一定的电压降电容器在一般情况下可以 改善系统的电压分布特性；但串补度较高、线路负荷较重时，可能使沿线电压超过额定 的允许值河池及平果串补工程的线路高抗与串补的相对位置不同时，输电线路某些地 点的运行电压可能超过运行要求例如，惠河线或天平线一回线故障时，如将高抗安装 在串补的线路侧，则串补线路侧电压可达到 561kV 或 560kV 以上[2]，均超过高抗允许 的长期运行电压，因此在两工程中均建议将线路高抗安装在串补的母线侧以避免系统运 行电压超标的问题 在输电线路装设了串联电容。