500kv固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置技術(shù)特點(diǎn)分析_secret

1、500kV固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置技術(shù)特點(diǎn)分析摘 要：分析了500kV固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置的技術(shù)特點(diǎn)。就串聯(lián)電容器的結(jié)構(gòu)、MOV能量吸收能力的確定和放電間隙的配置提出了改進(jìn)意見。關(guān)鍵字：500kV 串聯(lián)補(bǔ)償 技術(shù)特點(diǎn) 分析1前言 高壓輸電系統(tǒng)使用串聯(lián)補(bǔ)償裝置能夠有效地降低輸電系統(tǒng)間的電抗值，提高輸電能力和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低輸電系統(tǒng)工程造價。自1950年第一套 220kV串聯(lián)補(bǔ)償裝置在瑞典投入運(yùn)行以來，高壓串聯(lián)補(bǔ)償裝置在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界運(yùn)行的高壓串聯(lián)補(bǔ)償裝置總?cè)萘恳堰_(dá)到 80Gvar，電壓等級從220kV發(fā)展到750kV。我國分別在1966年和1972年投入使用了第一套2

2、20kV和第一套330kV串聯(lián)補(bǔ)償裝置，其 中330kV串聯(lián)補(bǔ)償裝置的技術(shù)水平當(dāng)時在世界上還有一定的先進(jìn)之處。后來隨著電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)和電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，這些串聯(lián)補(bǔ)償裝置相繼退出運(yùn)行， 此后在長達(dá)20多年的時間里，高壓串聯(lián)補(bǔ)償裝置在我國出現(xiàn)了空白。2000年，借助于陽城淮安500kV輸電系統(tǒng)的建設(shè)，國內(nèi)首次在徐州500kV三堡 開關(guān)站使用了二套500kV固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置，這二套500kV串聯(lián)補(bǔ)償裝置已于2000年11月30日投入試運(yùn)行。本文就這二套500kV固定串聯(lián)補(bǔ)償 裝置的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行簡要介紹分析。2陽城淮安500kV輸電系統(tǒng)簡介陽城發(fā)電廠坐落在山西陽城境內(nèi)，一期工程安裝6臺350MW

3、火力發(fā)電機(jī)組，總發(fā)電裝機(jī)容量2100MW，由美國AES公司和江蘇、山西有關(guān)單位共同投資建設(shè)。電廠所發(fā)電量通過500kV輸電線路全部輸送至江蘇使用。500kV輸電系統(tǒng)接線圖見圖1。 由陽城發(fā)電廠至淮安上河變電站之間輸電距離長達(dá)744km，沿途設(shè)置了東明和三堡二座500kV開關(guān)站以分割線路（500kV任莊變電站在此之前已經(jīng)建成 投運(yùn)），整個500kV輸電系統(tǒng)采用323接線方式。即陽城電廠至東明開關(guān)站之間架設(shè)三回500kV線路，其中兩回為同塔雙回路架設(shè)；東明開關(guān)站至三 堡開關(guān)站之間架設(shè)兩回500kV線路，采用同塔雙回路架設(shè)。三堡開關(guān)站至上河變電站架設(shè)三回500kV線路。根據(jù)潮流及穩(wěn)定計算結(jié)果得知：如

4、果在N1條 件下要保證陽城電廠不降低發(fā)電出力，就必須全線架設(shè)三回500kV線路。為降低工程造價，因此決定在東明開關(guān)站至三堡開關(guān)站之間的兩回500kV線路上三 堡開關(guān)站側(cè)安裝兩組500kV串聯(lián)補(bǔ)償裝置。 3三堡500kV串聯(lián)補(bǔ)償裝置簡介 目前世界上運(yùn)行的串聯(lián)補(bǔ)償裝置分為固定串補(bǔ)（FSC）和可控串補(bǔ)（TCSC或CSC）兩種，其中可控串補(bǔ)真正投入運(yùn)行的只有兩家（美國的230kV Kayenta變電站和500kVSlatt變電站），其技術(shù)復(fù)雜性和投資均較高，而固定串補(bǔ)投資較低且有近50年的豐富運(yùn)行定串補(bǔ)。通過國際招標(biāo)，由西 門子公司中標(biāo)成套供貨，其中旁路斷路器及隔離開關(guān)、控制保護(hù)裝置由西門子公司自己制

5、造，旁路間隙和阻尼裝置由諾基亞公司制造，串聯(lián)電容器由Cooper公 司制造。串補(bǔ)裝置電氣接線圖見圖2。 串補(bǔ)裝置技術(shù)參數(shù)見表1（兩套串補(bǔ)裝置參數(shù)完全相同，只列出一套的參數(shù)）：4串補(bǔ)裝置技術(shù)特點(diǎn)分析 三堡開關(guān)站500kV串補(bǔ)裝置主要由串聯(lián)電容器組、非線性電阻（MOV）、放電間隙、阻尼裝置、旁路斷路器、繼電保護(hù)裝置六大部分組成，裝置采用分相布置，除旁路斷路器和隔離開關(guān)設(shè)備以外，其它設(shè)備均分別安裝在三個絕緣平臺上?，F(xiàn)分別分析各組成部分的技術(shù)特點(diǎn)。41串聯(lián)電容器組 串聯(lián)電容器采用Cooper公司產(chǎn)品，每相串聯(lián)電容器組由320臺單元串聯(lián)電容器（40并8串）組成，這320臺單元串聯(lián)電容器又分成4個接線臂，

6、電氣上 接成H型接線方式（見圖2）。每個接線臂上有80臺單元串聯(lián)電容器，接線為20并4串，先并后串。每20臺并聯(lián)的單元串聯(lián)電容器預(yù)先在制造廠集中安裝在一 個金屬框架內(nèi)，整體運(yùn)輸?shù)桨惭b現(xiàn)場，安裝工作非常簡便。金屬框架內(nèi)的單元串聯(lián)電容器分成兩列并排布置，每列10臺，兩列之間排列方式為尾對尾。四個金屬框 架之間上下疊裝，其中第二和第四個金屬框架下部安裝有陶瓷支持絕緣子。單元串聯(lián)電容器技術(shù)參數(shù)見表2。 串聯(lián)電容器的熔絲配置方式有內(nèi)熔絲和外熔絲兩種。外熔絲方式的優(yōu)點(diǎn)是不存在保護(hù)死區(qū)，熔絲熔斷后運(yùn)行人員能方便的發(fā)現(xiàn)故障電容器：缺點(diǎn)是單元串聯(lián)電容器 內(nèi)部元件損壞會造成整臺單元串聯(lián)電容器退出運(yùn)行，安裝尺寸較大

7、。內(nèi)熔絲方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，安裝尺寸較小，少量內(nèi)部元件損壞由內(nèi)熔絲動作切除，不會造成 整臺單元串聯(lián)電容器退出運(yùn)行；缺點(diǎn)是存在保護(hù)死區(qū)，當(dāng)出線套管閃絡(luò)或內(nèi)部引出線對殼擊穿時會造成串聯(lián)電容器短路故障，此時內(nèi)熔絲又無法動作。此外，不平衡 保護(hù)動作后查尋故障電容器的工作量很大，需要對320臺單元串聯(lián)電容器逐臺進(jìn)行檢查，對于對稱性單元電容器故障，不平衡保護(hù)無法正確動作，只有通過每年測 試每臺單元串聯(lián)電容器的電容量才能發(fā)現(xiàn)問題以消除隱患。本次串補(bǔ)招標(biāo)技術(shù)要求中明確提出單元串聯(lián)電容器最好采用雙套管結(jié)構(gòu)，熔絲配置方式由制造商推薦（技 術(shù)要求中對兩種熔絲安裝方式均提出了詳細(xì)要求）。運(yùn)行單位提出采用雙套管加外熔

8、絲結(jié)構(gòu)，但不知何故此意見未被采納。制造商作出的解釋是：根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)串聯(lián) 電容器元件30年（設(shè)計壽命）的總故障概率為2，每相電容器組30年損壞的元件數(shù)量為3328個（2320413），平均分配到單元串聯(lián)電容 器上，每個單元串聯(lián)電容器只會有104個元件損壞。計及故障元件的隨機(jī)分布，因此不會發(fā)生單元串聯(lián)電容器整臺故障的問題。這一解釋也被部分國內(nèi)人員所接 受。作者認(rèn)為，單套管加內(nèi)熔絲結(jié)構(gòu)的單元串聯(lián)電容器存在的最大問題是：一旦發(fā)生出線套管閃絡(luò)或內(nèi)部引出線對殼擊穿就會造成串聯(lián)電容器極間短路。一臺單元串 聯(lián)電容器極間短路后，在串補(bǔ)裝置滿負(fù)荷運(yùn)行（2360A）情況下，通過故障單元串聯(lián)電容器的負(fù)荷電流達(dá)到134

9、9A，加上其它健康單元串聯(lián)電容器的高頻放 電電流，要求單元串聯(lián)電容器的外殼耐爆容量至少應(yīng)大于18kJ。如外殼耐爆容量不能滿足要求，則串聯(lián)電容器極間短路后極易造成故障單元串聯(lián)電容器外殼 爆裂起火，燒毀臨近的設(shè)備。這種情況在我國引進(jìn)的SVC裝置中已經(jīng)發(fā)生過好幾起（如廣東江門、武漢鳳凰山等變電站，每次均燒毀上百臺電容器），上述燒毀的 SVC裝置中的電容器結(jié)構(gòu)均為歐洲制造的內(nèi)熔絲加單套管產(chǎn)品。事故發(fā)生后采取的反事故措施都是采用國產(chǎn)雙套管加外熔絲電容器進(jìn)行更換，至今運(yùn)行情況良好， 這一點(diǎn)非常值得借鑒。42非線性電阻（MOV） MOV是為保護(hù)串聯(lián)電容器組而設(shè)置的，其技術(shù)要求是將串聯(lián)電容器組的過電壓水平限制

10、在23pu（230kV峰值）以下。外部故障情況下串聯(lián)電容器組不退 出運(yùn)行；內(nèi)部故障情況下串聯(lián)電容器組退出運(yùn)行，故障切除后串聯(lián)電容器組快速投入運(yùn)行以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。中方提出的內(nèi)外部故障切除時間為450ms（考慮線 路兩端保護(hù)故障下均拒動，由后備保護(hù)切除故障）。西門子公司根據(jù)中方提供的系統(tǒng)參數(shù)和故障類型及持續(xù)時間，采用EMTDC電磁暫態(tài)計算程序進(jìn)行了大量計 算，確定MOV吸收能量值為495MJ，據(jù)此配置MOV參數(shù)見表3。 17個MOV瓷套的總能量吸收能力為56MJ，計及MOV電流分配的不平衡性以后，MOV的總能量吸收能力仍有一定的裕度。 由于MOV的總能量吸收能力很大，因此其投資在串補(bǔ)裝置總造價中

11、占較大的比例。造成MOV的總能量吸收能力很大的原因是中方提供的故障持續(xù)時間過長，考慮 了兩套線路主保護(hù)全部拒動和斷路器拒動等多種因素。實際上500kV線路從保護(hù)到電源均采取雙重化配置，斷路器的分閘線圈也采取雙重化配置，各種拒動因素 同時出現(xiàn)的概率非常之小，如果只考慮斷路器拒動的因素則故障持續(xù)時間可縮短為350ms，MOV的總能量吸收能力可以顯著降低從而降低設(shè)備造價。西門子公 司在投標(biāo)文件中建議將故障持續(xù)時間確定為250ms（考慮兩套主保護(hù)拒動），則MOV的總能量吸收能力可以降低到30MJ，節(jié)省投資325萬元。安全固然 重要，但必須與投資進(jìn)行綜合考慮。43旁路間隙 為防止MOV在內(nèi)部故障期間因吸

12、收能量過大而損壞，設(shè)置了旁路間隙，在預(yù)定的條件下旁路間隙觸發(fā)燃弧將MOV短接。旁路間隙結(jié)構(gòu)由上下兩個箱體組成，上部 箱體中安裝一個主間隙和兩個電容器，下部箱體中安裝一個主間隙、兩個電容器、精密間隙、觸發(fā)變壓器和觸發(fā)點(diǎn)火間隙，電氣接線見圖3。 1-主間隙 2-阻尼電阻 3-精密間隙4-觸發(fā)變壓器 5-觸發(fā)點(diǎn)火間隙6-C1-C4電容分壓器 旁路間隙動作過程如下： 保護(hù)系統(tǒng)檢測到MOV運(yùn)行異常后發(fā)出高壓點(diǎn)火脈沖，觸發(fā)點(diǎn)火間隙擊穿燃弧；電容分壓器中的電容器C1通過阻尼電阻R放電，放電電流通過觸發(fā)變壓器的一次線圈造成精密間隙擊穿燃??；同樣，電容分壓器中的電容器C2通過阻尼電阻R放電，C1和C2放電后，由

13、于C3和C4所分擔(dān)電壓升高造成上部主間隙擊穿燃弧；上部主間隙擊穿燃弧后C3和C4通過主間隙放電，進(jìn)一步造成C1和C2上分擔(dān)電壓升高造成下部主間隙擊穿燃弧，至此整個旁路間隙連接起來。44阻尼裝置 旁路間隙或旁路斷路器動作后，串聯(lián)電容器組將對其放電。放電電流為高頻高幅值振蕩電流，對旁路間隙或旁路斷路器的安全運(yùn)行威脅很大，必須配置阻尼裝置抑制 放電電流，使放電電流的第二個幅值降低到第一個幅值的50以下。阻尼裝置由阻尼電抗器、阻尼電阻和石墨火花間隙組成，電氣接線見圖2。阻尼電抗器采用干 式空芯電抗器，電感值為04mH。為降低阻尼電阻的熱容量，采用石墨火花間隙與阻尼電阻串聯(lián)連接。串聯(lián)電容器組放電時石墨火

14、花間隙擊穿將阻尼電阻投入運(yùn) 行；放電結(jié)束后，石墨火花間隙熄弧將阻尼電阻退出運(yùn)行，線路故障電流只通過阻尼電抗器。阻尼電阻由5個并聯(lián)連接的電阻元件組成，采用非磁性不銹鋼帶制做， 電阻值為3，最大熱容量為7MJ，最大放電電流635kA。45旁路斷路器 旁路斷路器用于投切串聯(lián)電容器組和保護(hù)MOV及旁路間隙。由于它不開斷故障電流而且安裝在對地絕緣的支柱上，因此技術(shù)要求不高。采用了西門子公司的3AQ2EI型產(chǎn)品，額定電壓為245kV，合閘時間為523ms。46繼電保護(hù) 為保護(hù)串補(bǔ)裝置安全運(yùn)行，采用雙重化配置方案共配置了6套繼電保護(hù)裝置（按動作原理劃分實際為3套）。對于這些繼電保護(hù)裝置本文不作過多分析，僅重

15、點(diǎn)介紹分析其互感器和信號傳輸部分。461電流互感器 每相串補(bǔ)裝置配置8臺電流互感器，布置情況見圖2。這8臺電流互感器有6臺采用穿心式電流互感器，1臺采用支柱式電流互感器，1臺采用套管式電流互感器。每臺電流互感器均有兩個鐵芯和兩個二次線圈，按照其用途不同，參數(shù)配置也不相同，詳見表4。 從上表中可以看出：電容器不平衡保護(hù)所采用的電流互感器一次側(cè)額定電流很小。這是因為正常及個別電容器元件損壞的情況下，通過電流互感器一次側(cè)的電流很 小，根據(jù)計算結(jié)果，某一單元電容器內(nèi)有6個元件損壞時通過電流互感器一次側(cè)的電流只有131A，而此時與故障元件并聯(lián)的正常元件承受的過電壓系數(shù)已經(jīng)達(dá) 到154，要求保護(hù)動作跳閘。

16、所以該電流互感器一次側(cè)額定電流只能很小以保證保護(hù)裝置正確動作。當(dāng)發(fā)生單元電容器極間故障時通過電流互感器一次側(cè)的電流 很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定電流，此時電流互感器極易損壞造成保護(hù)拒動，因此必須在其二次側(cè)配置保護(hù)裝置如空氣間隙、非線性電阻等。電容器不平衡保護(hù)所采用的電 流互感器通過故障電流時發(fā)生爆炸損壞的事故已發(fā)生過幾起，對此問題必須引起足夠的重視。462信號傳輸 串補(bǔ)裝置配置的電流互感器與常規(guī)電流互感器的不同之處在于：由于其安裝在對地絕緣的平臺上，因此其二次側(cè)電流信號不能直接傳輸給安裝在地面上的控制保護(hù)裝 置。所以串補(bǔ)裝置配置的電流互感器其二次側(cè)均有并聯(lián)電阻器，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再通過光電傳

17、感器將電壓信號轉(zhuǎn)換為光信號（波長為850nm）通過 光柱輸送到地面上的光接收器，接收器收到的光信號后采用數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸送給保護(hù)控制裝置。平臺上的光電傳感器工作所需 要的能量由地面上的激光發(fā)生器通過光柱輸送。并聯(lián)電阻器和光電傳感器安裝在平臺上的光柱端子箱內(nèi)，在光電傳感器兩側(cè)配置了非線性電阻器用以保護(hù)光電傳感器 免受過電壓損壞。5串補(bǔ)裝置存在的問題 西門子公司提供的兩組500kV串補(bǔ)裝置，其一次設(shè)備質(zhì)量較好，現(xiàn)場安裝發(fā)現(xiàn)問題很少。主要問題有：兩臺串聯(lián)電容器存在滲油現(xiàn)象（占總臺數(shù)的01）， 12臺MOV的硅橡膠裙由于運(yùn)輸原因存在不同程度的破損。但其保護(hù)與控制裝置存在

18、問題較多，主要有：間隙觸發(fā)裝置的觸發(fā)盒監(jiān)視不正常，造成一次誤合串補(bǔ)裝 置旁路開關(guān)，后來在現(xiàn)場處理觸發(fā)盒問題時又造成誤跳運(yùn)行的500kV線路。串補(bǔ)電容器電流顯示零飄過大，電容器未運(yùn)行而顯示器上已經(jīng)有近50A的電容電 流。串補(bǔ)裝置投入運(yùn)行時要求控制系統(tǒng)先送電源，保護(hù)系統(tǒng)后送電源，否則保護(hù)裝置發(fā)生誤動等，這些問題均已找到原因并得到處理。6結(jié)語 國內(nèi)第一套500kV固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置采用了內(nèi)熔絲加單套管結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電容器、大容量MOV、快速觸發(fā)的放電間隙、光電信號傳輸系統(tǒng)等設(shè)備，設(shè)備及技術(shù)上均有一定的先進(jìn)之處。從整套串聯(lián)補(bǔ)償裝置總體上考慮，有如下幾點(diǎn)值得進(jìn)一步研究。61 內(nèi)熔絲加單套管結(jié)構(gòu)的電容器為歐洲國家所廣泛采用（美國、日本采用外熔絲），但此類產(chǎn)品在國內(nèi)運(yùn)行情況欠佳，與國內(nèi)采用外熔絲加雙套管的國情不符。電容器 的設(shè)計壽命為30年，考慮到其正常工作場強(qiáng)較低但系統(tǒng)故障情況下工作場強(qiáng)達(dá)到170MVm，因此有待于通過長時間運(yùn)行驗證其