超高壓輸電系統(tǒng)的過電壓問題研究

超高壓輸電系統(tǒng)的過電壓問題研究

自引入技術(shù)示范運營以來，可控串聯(lián)補償系統(tǒng)（tcc）系統(tǒng)越來越受國際能源公司的影響。為了解決中國東北部伊敏-馮屯、華東陽陰-500kv長輸線及銷售的穩(wěn)定問題，開展了大量的tc研究。其中，sdc系統(tǒng)的過載保護裝置借鑒了傳統(tǒng)系列補償保護系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。例如，例如，相聯(lián)欄氧化鋅線的連接功能。然而，考慮到sdc快速引導(dǎo)并控制低電壓的電池，陣列補償容量可以在嚴重的系統(tǒng)故障下得到保護，并在短時間內(nèi)發(fā)揮輸出阻力。傳統(tǒng)的矩陣補償保護結(jié)構(gòu)允許系統(tǒng)在小擾動下的動態(tài)響應(yīng)和在大擾動下的快速短期裝置（例如，外部故障影響和自身工作點變化等）下的動態(tài)響應(yīng)。相應(yīng)的控制方案可以抑制電動汽車的過載，降低裝置的絕緣要求。因此，有必要“積極的隔離合作”。換句話說，保護裝置接受保護，并且通過一定的控制策略積極地干預(yù)電壓保護過程，以進一步減少電壓，但進一步增加后續(xù)維護的復(fù)雜性。在文獻中，計算了25%的易敏-馮屯導(dǎo)線的獨立輸出補償，并在采用一定的控制策略時，主觀電壓保護的水平和容量等相關(guān)參數(shù)。然而，僅顯示系統(tǒng)短路時的情況，對于重敲器和電壓表的運行沒有提及。另一方面,在TCSC的控制策略中,研究重點傾向于以線路電流為觸發(fā)可控硅的同步信號,對以電容器電壓為同步信號的研究相對較少.因此,不僅對兩種不同的同步信號具有不同的系統(tǒng)動態(tài)特性的機理尚不清楚,對以電容器電壓為同步信號的電磁暫態(tài)過程也研究不多.而作為一種具有潛在應(yīng)用、可選擇的控制策略,我國學(xué)者對以電壓為同步信號的控制方案也很感興趣,研究其過電壓保護的方案非常必要.本文給出伊敏-馮屯輸電線路采用24%常規(guī)串補加12%可控串補的補償方案、同步信號取電容器電壓時,系統(tǒng)過電壓保護的思路和結(jié)論.1參數(shù)整定與控制策略伊敏-馮屯雙回500kV超高壓輸電線路總長380km(見圖1),伊敏電廠通過線路輸送約2000MW功率.固定串補(FSC)和可控串補(CSC)的串補度分別為24%和12%(容抗分別為24.72Ω和12.36Ω),相應(yīng)的保護回路見圖2.氧化鋅非線性電阻(MOV)的電壓保護水平設(shè)定為2.2p.u.(基值為電容器穩(wěn)態(tài)工作電壓峰值).串補系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓時,MOV導(dǎo)通,起到限制過電壓的作用;當(dāng)FSC回路的MOV吸收能量達到設(shè)定值EFSCcr時,繼電保護裝置點火觸發(fā)間隙,短接MOV和串補電容;當(dāng)CSC回路的MOV吸收能量達到設(shè)定值ECSCcr時,則使可控硅全導(dǎo)通,相當(dāng)于間隙的作用,且在短路過程中以小感抗形式限制短路電流,美國著名的Slatt變電站稱之為“E-Fire”.內(nèi)部故障嚴重時,FSC和CSC的并聯(lián)斷路器均需閉合.串補保護系統(tǒng)的一個重要研究內(nèi)容是確定MOV能量容量及觸發(fā)間隙和可控硅何時保護性動作,要求的MOV的能量容量決定MOV的最終設(shè)計.保護裝置的動作時延將增大MOV的能量吸收,典型數(shù)據(jù)為,觸發(fā)間隙和可控硅的動作時間延遲分別為0.5～1.0ms和1.0～1.5ms,取上限值1.0ms、1.5ms進行計算.為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,希望串補電容器盡量少退出運行,即觸發(fā)間隙、可控硅和并聯(lián)斷路器盡可能少地旁路串補電容.常規(guī)串補系統(tǒng)有一定的參數(shù)配合原則,一般要求在外部故障、重合閘、電容重投等情況下,MOV能承受相應(yīng)的過電流和耗散能量.然而在有可控補償模塊的系統(tǒng)中,由于可控硅的動作時延比觸發(fā)間隙多0.5ms,勢必增大MOV吸收的能量,若再加上快速暫態(tài)過程中對TCSC不恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?不僅可控硅過電流,而且會有嚴重的過電壓,使MOV難以承受大量的吸收能量.實際上,由于可控硅可以快速重投串補電容(1～3個周波以內(nèi)),不像觸發(fā)間隙一樣有去游離時間,所以應(yīng)該允許可控串補模塊在某些情況下被旁路,一定時間后再快速重投,沒有必要采用常規(guī)串補系統(tǒng)中對MOV參數(shù)整定的方法.并且,可控串補模塊旁路后,也有利于降低固定串補模塊的過電壓和過電流.因此,對有可控串補的系統(tǒng),應(yīng)重新研究過電壓保護的有關(guān)參數(shù)整定的原則,校正整定參數(shù).伊敏-馮屯系統(tǒng)中,取可控串補CSC模塊的調(diào)制電感L與電容器的自然諧振頻率為2.5倍工頻,并假設(shè)正常穩(wěn)態(tài)運行中,TCSC工作于1.1p.u.的微調(diào)模式,即模塊容抗微調(diào)至補償電容器凈容抗的1.1倍,此時可控硅相對于電容電壓過零點的觸發(fā)角度為162.3°.2帶能量的mov吸收方式我國超高壓輸電線路普遍采用單相自動重合閘,重合前約0.8s故障線路兩端電勢已經(jīng)擺開,從而重合時會在電容器上產(chǎn)生過電壓.在重合時的電磁暫態(tài)過程中,可控串補可能有三種工作狀態(tài):①不施加任何觸發(fā),TCSC工作于阻斷模式(Blockmode);②TCSC工作于微調(diào)模式(Verniermode);③先工作于阻斷模式,待合適的時間后再投入微調(diào)工作.當(dāng)伊敏-馮屯線路單回路運行,采用方案②且以電壓為同步信號的開環(huán)控制時,可控串補系統(tǒng)的電壓、可控硅電流、MOV電流和吸收能量的EMTP仿真波形見圖3.由圖可見,在此種控制方式下,會在CSC模塊上產(chǎn)生嚴重的過電壓,MOV吸收能量高達7MJ.顯然,將會使CSC過電壓保護裝置動作,電容器被旁路,對系統(tǒng)穩(wěn)定和重合成功都極為不利.電容器由旁路狀態(tài)重新插入系統(tǒng)時,也有類似的過電壓暫態(tài)過程.為此,施加合適的控制作用,完全有可能降低過電壓.本文認為,當(dāng)可控硅阻斷時,可控串補實際上相當(dāng)于常規(guī)串補,而常規(guī)串補的重合閘過電壓并不嚴重,沒有必要專門設(shè)計抑制重合過電壓的控制策略;而在快速的暫態(tài)過程中控制作用也容易失效;并且,斷路器重合前故障線路處于被切斷狀態(tài),而線路電流需要大于一個最小值(如0.1p.u.)后,方能驅(qū)動可控硅和附屬的監(jiān)視和控制硅閥的電子器件,所以可能在重合閘的同時還無法投入微調(diào)控制.基于以上三個因素,重合閘時可采用方案③,即合閘時可控硅阻斷,5～6個周波后再投入微調(diào)工作.研究表明,方案③可將重合時MOV吸收的能量控制在合適的水平之下,系統(tǒng)也能很快穩(wěn)定.圖4是0.8s重合閘、0.9s投入TCSC微調(diào)時的過電壓情況.由圖可見,CSC模塊中的MOV與其作為常規(guī)串補時吸收的能量沒有什么區(qū)別,0.9s投入微調(diào)工作后,系統(tǒng)很快達到穩(wěn)定的正常工作狀態(tài).采用方案③,統(tǒng)計計算CSC和FSC模塊的最大過電壓的結(jié)果見表1.其中:UCmax為電容器上最大過電壓;ICmax為電容器上最大電流;Wmov為MOV吸收的最大能量;Imov為MOV上最大電流.為保證重合閘時系統(tǒng)擾動最小以利于恢復(fù)功率輸送,要求CSC和FSC回路的MOV能吸收全部能量.考慮20%的裕度,取0.9×120%=1.08MJ作為CSC模塊MOV的能量整定值,即以重合閘時MOV吸收的能量作為可控串補回路MOV的ECSCcr的整定依據(jù).對系統(tǒng)短路故障的計算表明,這一整定原則及取值是合理的.3短路中斷時的過載3.1csc回路.mov能量整定值計算公式見表1永久性短路故障在系統(tǒng)中引起的過電壓最嚴重.由于FSC的再接入時間長,外部故障時,希望FSC不會被觸發(fā)間隙或并聯(lián)斷路器短接,而允許CSC被可控硅旁路以降低對MOV的能量要求.外部故障5周波,CSC模塊以1.08MJ作為MOV的能量整定值ECSCcr時,統(tǒng)計計算MOV吸收的最大能量及可控硅電流峰值列于表2.由表2可見,由于可控硅有1.5ms的較長動作時延,CSC回路的MOV實際吸收的能量(最大2.27MJ)超過整定值1倍多;伊馮單回路運行時,MOV和可控硅承受的負擔(dān)比雙回路運行時嚴重;兩相故障可能比三相故障嚴重.考察FSC最嚴重的情況,包括單相故障重合不成功(簡單地認為是兩個單相故障的累加),取3.13×120%=3.76MJ作為FSC的能量整定值EFSCcr.3.2c.mov能量以重合閘決定ECSCcr,以外部故障決定EFSCcr之后,就可以考察內(nèi)部故障以確定MOV的能量容量.嚴重的內(nèi)部故障時,CSC和FSC分別被可控硅和觸發(fā)間隙旁路,MOV吸收的最大能量及可控硅峰值電流列于表3.因為CSC和FSC的MOV在兩次單相接地故障下累積吸收的能量超過單次二相和三相故障,所以前者決定MOV的能量需求,分別為2.70×2=5.40MJ和4.60×2=9.2MJ.實際應(yīng)用中,考慮到MOV柱電流可能分配不均,需加15%的裕度,另要保持一定的備用柱數(shù).由表3還可以看出,故障過程中可控硅最大沖擊電流峰值為25.7kA,可依此作為可控硅耐受沖擊電流的最小值;二相故障可能比三相故障嚴重,所以對可控串補系統(tǒng)應(yīng)該校核二相故障時的過電壓和過電流情況,這與常規(guī)串補的研究結(jié)論是一致的.*故障線路的值非故障線路的值4mov的能量當(dāng)TCSC的可控硅由全導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換至微調(diào)或并聯(lián)斷路器跳閘以重新投入串聯(lián)電容器時,會在電容器上產(chǎn)生過電壓.理論上,常規(guī)串補電容器在電容重投時的恢復(fù)電壓不超過2倍的穩(wěn)態(tài)運行電壓,而可控串補的情況較為復(fù)雜.圖5是伊敏-馮屯單回路運行,CSC由可控硅旁路工作模式直接轉(zhuǎn)換至微調(diào)工作模式時的過電壓波形,MOV吸收的能量高達11.0MJ,顯然電容器會被再次旁路,不可能重投成功.計算表明,系統(tǒng)雙回路運行、電容重投時,MOV最大僅吸收2.8MJ的能量.所以,MOV吸收的最大能量與系統(tǒng)運行方式和控制策略有關(guān),不利的系統(tǒng)參數(shù)和不恰當(dāng)?shù)目刂品绞綍斐上到y(tǒng)設(shè)備惡劣的工作條件.與重合閘相似,本著簡單、實用的工程原則,最易于實現(xiàn)的重投方案是:電容重投時,可控串補處于阻斷工作模式,2～3個周波后再投入微調(diào)工作.圖6為以該重投方式,即0.8s電容重投時可控硅處于阻斷狀態(tài),0.86s時投入微調(diào)控制時的波形.此時,MOV吸收能量很小,串補電容能夠順利重投成功.5充填劑用量測試(1)TCSC系統(tǒng)以電容器電壓為觸發(fā)可控硅的同步信號且不采取相應(yīng)控制策略時,若重合閘和電容重投,會在電容器上產(chǎn)生嚴重的過電壓,MOV將難以吸收全部耗散能量,不得不再次旁路電容器,對系統(tǒng)穩(wěn)定、成功重合閘和電容器順利重投都極為不利.(2)當(dāng)重合閘和電