淺析串聯補償對交流輸電線路特性的影響

王 戈

（國網江西省電力公司培訓中心，江西南昌 330032）

0 引言

隨著我國國民經濟的持續快速發展，對電力的需求越來越大，電力系統正在向大容量、遠距離、特高壓的方向發展。電力系統輸送容量、輸送距離和電壓等級的不斷增加，使得系統的穩定性問題變得日益突出。

串聯補償技術是一種提高穩定極限的有效方法。在輸電線中間加入串聯補償電容器能減小線路電抗，縮小線路兩端的相角差，從而有效地提高輸電線路的輸電能力和系統穩定性。且其在線路建設投資、輸電走廊獲取以及減少環境污染方面有明顯優勢。

電力系統中的電容和電感均為儲能元件，當操作或故障使其工作狀態發生變化時，將有過渡過程產生。在過渡過程中，可產生數倍于電源電壓的操作過電壓。在特高壓交流輸電系統中，操作過電壓是決定其絕緣水平的最重要的依據之一，直接影響到系統的運行性能和制造成本。操作過電壓的分析與限制是發展特高壓電網的主要研究課題之一。

本文擬考慮在1 000 kV交流輸電系統中加入串聯補償，以目前正在建設的國家電網公司某特高壓交流試驗示范工程為背景，采用國際上廣泛使用的電磁暫態計算程序ATP-EMP，對含有串聯電容器補償的1 000 kV交流輸電線路各種工況下的合閘操作過電壓進行計算和分析研究，以便為以后在我國特高壓輸電系統中采用串聯補償裝置提供參考。

1 操作過電壓計算

在特高壓交流輸電系統中，由于空載長線的電容效應會引起很大的工頻電壓升高，在此基礎上會出現幅值很高的合閘過電壓。合閘過電壓是特高壓電網中最典型的操作過電壓．對系統的絕緣水平起決定作用。

線路合閘可分為2種類型。一種是空載線路正常有計劃的合閘操作：合閘前，線路不存在接地故障：合閘后，線路各點電壓有零值過渡到考慮電容效應的工頻穩態電壓值。在此過程中會出現合閘過電壓。另一種合閘操作是運行線路發生單相接地故障，由繼電保護系統控制跳閘后，經一短時間后再合閘，即自動重合閘操作。

1.1 系統計算條件

參考某特高壓交流試驗示范工程，線路長度選為600 km，線路參數選取與示范工程相同，如表1所示。系統電源母線電壓為1 087 kV，三相短路容量為50 000 MW。為了更清晰地看出在加裝串聯補償電容器后對操作過電壓的影響，在計算時暫時不采取任何限壓措施。

表1 1 000 k V輸電線路的主要參數

1.2 空載線路合閘過電壓計算

1.2.1 計算條件

空載線路合閘過電壓計算主要考慮2種情況：

一種是考慮串聯補償電容器補償度不同對合閘過電壓的影響，另一種是考慮串聯補償電容器安裝在線路的位置不同時對合閘過電壓的影響。

線路合閘操作發生時間設為1個工頻周期的均勻時間，假設線路三相同期合閘，并通過120次計算得到這種情況下合閘過電壓2%的統計值。

1.2.2 計算結果

串聯補償電容器安裝在線路正中間，串聯補償度不同時，空載線路合閘過電壓沿線分布如表2所示。串聯補償度為50%，串聯補償電容器安裝位置不同時，空載線路合閘過電壓沿線分布見表3。

表2 串聯補償度不同時的空載線路合閘過電壓分布

表3 電容器安裝位置不同時的空載線路

1.2.3 計算結論

1）在加裝串聯電容器前后，空載合閘過電壓最大值分別為3.3l p.u.和2.94 p.u.，串聯補償電容器具有降低空載合閘過電壓的作用，并且隨著串聯補償度的增加，空載合閘過電壓降低的越多。

2）電容器的安裝位置對空載合閘過電壓有較大影響，越靠近線路首端，限壓效果越好。

3）裝有串聯補償電容器的特高壓交流輸電線路在空載合閘之前應該將串聯補償電容器投入，而不是將其旁路，并且其安裝位置應盡量靠近線路首端。

1.3 自動重合閘

在超特高壓交流輸電線路中，由于相間距離大，運行經驗表明絕大部分故障都是單相接地短路，因此其重合閘方式一般采用單相重合閘。

單相重合閘后有成功和不成功2種情況。單相重合閘成功時由于故障已經被清除。原故障相上無殘余電壓，其過電壓與空載線路合閘過電壓相同，因此這里只對單相重合閘不成功的情況進行研究。

1.3.1 計算條件

1）重合閘操作的時序為：0 s發生接地故障，0.1 s故障相兩端斷路器動作切除故障相，0.8 s兩側斷路器重合閘，0.9 s兩側斷路器跳閘再次切除故障相。

2）線路合閘操作發生時間設為1個工頻周期的均勻時間，假設線路三相同期合閘，并通過120次計算得到這種情況下合閘過電壓2%的統計值。

單相重合閘過電壓計算同樣考慮2種情況：串聯補償電容器補償度不同對合閘過電壓的影響以及串聯補償電容器安裝在線路的位置不同時對合閘過電壓的影響。

1.3.2 計算結果

串聯補償電容器安裝在線路正中間，串聯補償度不同時，單相重合閘過電壓沿線分布如表4所示。

串聯補償度為50%．串聯補償電容器安裝位置不同時，單相重合閘過電壓沿線分布見表5。

表4 串聯補償度不同時的單相重合閘過電壓分布

表5 電容器安裝位置不同時的單相重合閘過電壓分布

1.3.3 計算結論

1）在加裝串聯電容器前后，單相重合閘過電壓最大值分別為2.05 p.u.和1.98 p.u.，串聯補償電容器具有降低單相重合閘過電壓的作用，并且隨著串聯補償度的增加，單相合閘過電壓降低的越多，但是效果不是很明顯。

2）電容器的安裝位置對單相重合閘過電壓有較大影響，越靠近線路首端，限壓效果越好。

2 操作過電壓限制

雖然在采用串聯補償電容器之后操作過電壓有所降低，但仍不能滿足我國特高壓過電壓的參考標準，因此必須采取有效措施限制操作過電壓。目前，限制操作過電壓的措施主要有：

1）使用高壓并聯電抗器補償特高壓線路充電容；

2）加裝金屬氧化物避雷器MOAfMetal Oxi?dized Arrester)；

3）采用斷路器合閘電阻限制合閘過電壓；

4）考慮使用控制斷路器合閘相角方法降低合閘過電壓；

5）選擇適當的運行方式以降低操作過電壓等。

2.1 空載線路合閘過電壓限制

空載線路合閘過電壓幅值較大，是特高壓交流輸電線路絕緣水平起決定作用的因素。這里考慮的限壓措施有3個。

1）在線路兩側加裝容量相同的并聯電抗器，總并聯補償度為90%。

2）采用斷路器合閘電阻，阻值為400Ω，在斷路器合閘之前10 s接入。

3）在線路兩側加裝MOA，MOA采用日本特高壓系統中C型MOA的參數，雷電流為20 kA和10 kA時的雷電沖擊殘壓分別為l 620 kV和1 550 kV。

仿真計算時在線路正中間加裝串聯補償電容器，補償度為50%，以降低操作過電壓。斷路器合閘發生時間設為1個工頻周期的均勻時間，假設三相同期合閘，并通過120次計算得到這種情況下合閘過電壓2%的統計值。測得在合閘過電壓2%的統計值時線路首端、正中間和末端的電壓(均為A相)的波形如圖1-3所示。

從圖1-3中可以看出線路首端、正中間和末端的空載合閘過電壓值u01、u02、u03分別為1.32 p.u.、1.34 p.u.和1.32 p.u.，符合我國特高壓過電壓的參考標準。可見在加裝了串聯補償電容器后采用上述的限壓措施是有效的。

圖1 空載合閘過電壓線路首端電壓波形

圖2 空載合閘過電壓線路正中間電壓波形

圖3 空載合閘過電壓線路末端電壓波形

2.2 自動重合閘過電壓限制

線路重合閘在因永久性故障而不成功時，重合閘后非故障相上的工頻穩態電壓比接地故障已消失后重合閘的要高。對于單相重合閘而言，這里主要考慮的限壓措施是：

1）在線路兩側加裝容量相同的并聯電抗器，總并聯補償度為90%；

2）在線路兩側加裝MOA，MOA參數同前。

仿真計算時同樣在線路正中間加裝串聯補償電容器，補償度為50%，以降低操作過電壓。斷路器重合閘發生時間設為1個工頻周期的均勻時間，假設三相同期合閘，并通過120次計算得到這種情況下合閘過電壓2%的統計值。測得在合閘過電壓2%的統計值時線路首端、正中間和末端的電壓(均為B相)的波形如圖4-6所示。

從圖4-6中可以看出線路首端、正中間和末端的單相重合閘過電壓值分別為1.02 p.u.、1.33 p.u.和1.36 p.u.，也符合我國特高壓過電壓的參考標準，可見在加裝了串聯補償電容器后采用上述的限壓措施同樣是有效的。

圖4 單相重合閘過電壓線路首端電壓波形

圖5 單相重合閘過電壓線路正中間電壓波形

圖6 單相重合閘過電壓線路末端電壓波形

3 結論

在特高壓交流輸電線路中加裝串聯補償電容器可以降低操作過電壓，尤其是對空載線路合閘過電壓的限制有較好的效果。串聯補償電容器的位置越靠近線路首端限壓效果越好：其補償度越大限壓效果越好。采用相應的限壓措施，可以將加裝了串聯補償電容器的特高壓輸電線路的空載線路合閘過電壓和單相重合閘過電壓分別限制在1.34 p.u.和1.36 p.u.。

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