特高壓串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)在1000kV南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站的應(yīng)用

張建鋒，張斌，周亞輝，高士濤，賈煒，龔春亭，李冬焱

(1.河南送變電建設(shè)公司，鄭州市 450051;2.國(guó)家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司宜昌建設(shè)部，湖北省宜昌市 443005;3.平高集團(tuán)有限公司，河南省平頂山市 467001)

0 引言

1000kV南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站擴(kuò)建工程是1000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程擴(kuò)建工程的重要組成部分，特高壓串補(bǔ)裝置作為此擴(kuò)建工程的重要設(shè)備，首次應(yīng)用了特高壓串補(bǔ)技術(shù)。特高壓串補(bǔ)技術(shù)提升了特高壓線(xiàn)路的輸送能力，提高了特高壓線(xiàn)路的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性;延緩或避免了新特高壓通道的建設(shè)，為未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展預(yù)留了空間［1］。

輸電線(xiàn)路中采用串聯(lián)補(bǔ)償，能夠降低輸電系統(tǒng)的電抗，縮短送受端的電氣距離，提高線(xiàn)路的輸電能力［2］。南陽(yáng)站串補(bǔ)區(qū)域分為荊門(mén)串補(bǔ)區(qū)和長(zhǎng)治串補(bǔ)區(qū)2個(gè)部分。荊門(mén)串補(bǔ)區(qū)采用單相雙平臺(tái)設(shè)計(jì);長(zhǎng)治串補(bǔ)區(qū)為單相單平臺(tái)設(shè)計(jì)，線(xiàn)路對(duì)側(cè)也設(shè)有串補(bǔ)裝置。在南陽(yáng)站共有9個(gè)串補(bǔ)平臺(tái)。本文結(jié)合1000kV南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站擴(kuò)建工程，介紹特高壓串補(bǔ)設(shè)備在南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站中的應(yīng)用，分析串補(bǔ)施工和調(diào)試中遇到的問(wèn)題，并提出了解決問(wèn)題的措施。

1 特高壓串補(bǔ)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)是將電容器組串聯(lián)于交流輸電線(xiàn)路中，用于補(bǔ)償交流輸電線(xiàn)路的電抗，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)Fig.1 Series compensation technology

圖1中:P為線(xiàn)路輸送功率;UA為線(xiàn)路首端功率;UB為線(xiàn)路末端功率;δA和δB為對(duì)應(yīng)的功角。若線(xiàn)路電抗為X，串聯(lián)補(bǔ)償電抗為XC，則

由式(1)可以看出，輸送功率與線(xiàn)路電抗成反比，而1000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓線(xiàn)路串補(bǔ)的補(bǔ)償度為40%，即加裝串補(bǔ)后線(xiàn)路電抗縮短40%，X－XC=0.6X。若線(xiàn)路不帶串補(bǔ)時(shí)輸送功率為P1，串補(bǔ)后輸送功率為 P2，則 P2=5/3 P1，而原設(shè)計(jì)最大輸送功率P1=3000MW，所以裝設(shè)串補(bǔ)后能使線(xiàn)路的輸送功率從3000MW提高到5000MW。

1000kV南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站擴(kuò)建工程在系統(tǒng)調(diào)試期間，進(jìn)行串補(bǔ)大負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，線(xiàn)路負(fù)荷可在5000MW左右穩(wěn)定運(yùn)行，最大負(fù)荷可以達(dá)到5300MW。這說(shuō)明特高壓串補(bǔ)技術(shù)在提高輸送功率的實(shí)際應(yīng)用中取得了成功。

在輸送功率相同的條件下，串聯(lián)補(bǔ)償也改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性，如圖2所示，其中P0為系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率，δ=δA－δB，發(fā)電機(jī)輸送到系統(tǒng)中的功率P=(UAUBsinδ)/X［3］。

圖2 投入串補(bǔ)前后系統(tǒng)的功角特性曲線(xiàn)Fig.2 Power angle curves before and after series compensation

由圖2可以看出，投入串補(bǔ)后，由于系統(tǒng)的電抗減小，系統(tǒng)的功率特性曲線(xiàn)由P1轉(zhuǎn)為P2，系統(tǒng)的靜穩(wěn)定極限由3000MW提高到5000MW;投入串補(bǔ)也使系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)的減速面積增加，從而提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性［4-5］。

2 特高壓串補(bǔ)設(shè)備的應(yīng)用

1000kV南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站串補(bǔ)平臺(tái)的主要設(shè)備包括串補(bǔ)電容器C、金屬氧化物限壓器(metal oxide voltage limiter，MOV)、火花間隙、阻尼裝置L及旁路開(kāi)關(guān) B等，其接線(xiàn)如圖3所示。

圖3 串補(bǔ)裝置接線(xiàn)Fig.3 Wiring principle of series compensation device

圖3中，串聯(lián)補(bǔ)償電容器是串聯(lián)補(bǔ)償裝置的核心設(shè)備，串聯(lián)于交流輸電線(xiàn)路中，縮短了系統(tǒng)間的電氣距離，提高了輸送功率;其余主要設(shè)備是對(duì)串補(bǔ)電容器組進(jìn)行保護(hù)及投切控制。

串補(bǔ)電容器的過(guò)電壓保護(hù)，直接關(guān)系到串補(bǔ)站的安全穩(wěn)定運(yùn)行［6-7］。MOV是電容器組的主保護(hù)設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障引起電容器組過(guò)電壓時(shí)，MOV利用其自身的非線(xiàn)性伏安特性，能夠?qū)㈦娙萜鞯倪^(guò)電壓水平限制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)?；鸹ㄩg隙是電容器組的后備保護(hù)，也是MOV的主保護(hù)設(shè)備;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障、MOV不足以限制電容器的過(guò)電壓時(shí)，火花間隙將自動(dòng)觸發(fā)使電容器放電以減小過(guò)電壓水平，同時(shí)也保護(hù)了MOV。通常情況下火花間隙很難自動(dòng)觸發(fā)，因?yàn)榧词闺娏ο到y(tǒng)發(fā)生一般性故障，串補(bǔ)的控保系統(tǒng)也會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)觸發(fā)火花間隙，使電容器放電。阻尼裝置包括阻尼電抗器和阻尼電容器，用以限制電容器的放電電流，以保護(hù)電容器組、火花間隙以及旁路開(kāi)關(guān)免受放電電流的損傷［8-10］。旁路開(kāi)關(guān)用于投切串補(bǔ)電容器組，同時(shí)在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)可以迅速投入，將串補(bǔ)電容器退出，以保護(hù)電容器組。

在特高壓南陽(yáng)站擴(kuò)建工程的系統(tǒng)調(diào)試中，長(zhǎng)南I線(xiàn)帶串補(bǔ)進(jìn)行單相瞬時(shí)接地短路試驗(yàn)取得成功。長(zhǎng)南串補(bǔ)錄波系統(tǒng)顯示，發(fā)生單相瞬時(shí)性接地后，火花間隙經(jīng)13 ms觸發(fā)成功，36 ms串補(bǔ)收到線(xiàn)路聯(lián)動(dòng)指令，55 ms合上旁路開(kāi)關(guān)，1.4 s斷開(kāi)旁路開(kāi)關(guān)，串補(bǔ)重投。

由以上分析可知，單相接地瞬間產(chǎn)生較大的短路電流，串補(bǔ)電容器組上將產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，串補(bǔ)控制保護(hù)系統(tǒng)立即發(fā)指令觸發(fā)火花間隙，同時(shí)閉合旁路開(kāi)關(guān);長(zhǎng)南I線(xiàn)線(xiàn)路保護(hù)拆開(kāi)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)的同時(shí)，也發(fā)聯(lián)動(dòng)合旁路開(kāi)關(guān)的指令;由于故障是瞬時(shí)性的，串補(bǔ)經(jīng)延時(shí)后重投。

3 特高壓串補(bǔ)二次系統(tǒng)的施工與調(diào)試

串補(bǔ)二次系統(tǒng)施工具有不同于其他變電二次系統(tǒng)施工的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在串補(bǔ)平臺(tái)上的電纜施工。平臺(tái)電纜施工工藝較復(fù)雜，且串補(bǔ)平臺(tái)空間狹小，在施工時(shí)應(yīng)合理利用。

(1)施工時(shí)應(yīng)提前確定電纜長(zhǎng)度，并將電纜和波紋管同時(shí)提升至平臺(tái)，利用平臺(tái)兩側(cè)的空間將電纜全部穿過(guò)波紋管。由于平臺(tái)上的電纜槽盒設(shè)計(jì)緊湊，必須合理分配電纜路徑，提前確定電纜的敷設(shè)順序。在電纜路徑附近的管母上用布包裹，防止波紋管在移動(dòng)過(guò)程中損傷管母。敷設(shè)到位后，所有電流互感器(current transfonmer，CT)接線(xiàn)盒的波紋管應(yīng)統(tǒng)一彎曲弧度，敷設(shè)效果如圖4所示。

圖4 串補(bǔ)平臺(tái)上電纜敷設(shè)Fig.4 Cable laying on series compensation platform

串補(bǔ)平臺(tái)上的CT包括電容器不平衡CT、MOV支路CT、電容器組支路CT、火花間隙支路CT、平臺(tái)CT等，這些CT的二次側(cè)通過(guò)電纜接到平臺(tái)測(cè)量箱，在平臺(tái)測(cè)量箱通過(guò)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)楣庑盘?hào)，因此只能在平臺(tái)上的測(cè)量箱處用繼電保護(hù)儀將模擬量輸入，來(lái)配合室內(nèi)人員的調(diào)試工作。

串補(bǔ)裝置的電容器組發(fā)生故障、旁路斷路器失靈拒合時(shí)，串補(bǔ)裝置旁路斷路器失靈保護(hù)提供2個(gè)三跳節(jié)點(diǎn)分別接至相應(yīng)的串內(nèi)斷路器保護(hù)柜，啟動(dòng)串內(nèi)斷路器操作箱的TJR繼電器斷開(kāi)相應(yīng)斷路器，同時(shí)提供1個(gè)三跳節(jié)點(diǎn)至線(xiàn)路保護(hù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)跳功能。為限制串聯(lián)補(bǔ)償線(xiàn)路斷路器斷開(kāi)短路故障時(shí)的瞬間過(guò)電壓水平，線(xiàn)路保護(hù)動(dòng)作跳閘時(shí)提供1套分相跳閘節(jié)點(diǎn)，就地判別裝置提供1個(gè)三跳節(jié)點(diǎn)接至串補(bǔ)控制保護(hù)裝置，聯(lián)動(dòng)觸發(fā)火花間隙。

4 特高壓串補(bǔ)設(shè)備安裝

(1)串補(bǔ)平臺(tái)設(shè)備安裝高度高、平臺(tái)質(zhì)量大。1000kV南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站串補(bǔ)平臺(tái)高度為12 m，而500kV串補(bǔ)平臺(tái)高度通常僅為6.5 m。平臺(tái)高度的增加加大了平臺(tái)上設(shè)備的安裝難度，為使設(shè)備吊裝到安裝位置，必須由足夠臂長(zhǎng)和噸位的吊車(chē)來(lái)完成。1000kV南陽(yáng)站串補(bǔ)平臺(tái)由3根主梁、21根次梁、鋼格柵及護(hù)欄組成，組裝好的串補(bǔ)平臺(tái)質(zhì)量為68 t，是500kV串補(bǔ)站平臺(tái)質(zhì)量的5.6倍。為此南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站專(zhuān)門(mén)在串補(bǔ)區(qū)域設(shè)置龍門(mén)吊，配合70 t吊車(chē)進(jìn)行吊裝。

(2)串補(bǔ)平臺(tái)的設(shè)備數(shù)量較多。以電容器為例，1000kV南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站單平臺(tái)的電容器為768只，是500kV玉林串補(bǔ)站的6倍。

(3)安裝質(zhì)量和安裝工藝要求高。作為特高壓串補(bǔ)技術(shù)的首次應(yīng)用，安裝質(zhì)量和安裝工藝的要求較高，例如為確保平臺(tái)上電容器組的水平度，要求同一塔的支柱絕緣子高度偏差控制在0.5 mm內(nèi)［8］。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合特高壓南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站擴(kuò)建工程，介紹了特高壓串補(bǔ)技術(shù)的應(yīng)用，并對(duì)串補(bǔ)設(shè)備施工、調(diào)試中的問(wèn)題進(jìn)行了分析，為類(lèi)似串補(bǔ)工程的施工和調(diào)試工作提供了參考。

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