高壓長距離輸電線路串補平臺供電可靠性研究

王寶琳，王寶卿，孟 杰，王慧亮，祝 強

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，山西 大同 037006；2.國網(wǎng)客服中心，江蘇 南京 211106；3.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053)

高壓長距離輸電線路串補平臺供電可靠性研究

王寶琳1，王寶卿2，孟 杰3，王慧亮1，祝 強1

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，山西 大同 037006；2.國網(wǎng)客服中心，江蘇 南京 211106；3.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053)

闡述了現(xiàn)階段串補平臺通過線路電流互感器直接取能、平臺下激光供能及耦合電容器分壓取能3種模式的優(yōu)缺點，分析了汗沽線ABB公司串補平臺采用的新型的耦合電容器分壓型供電模式存在的問題及其在運行中出現(xiàn)的故障和缺陷，總結(jié)了運行和維護中的技術(shù)、經(jīng)驗以及提高串補平臺運行可靠性的建議和方法。

串補電容器；開普托；供電模式；可靠性

在含有較長輸電線路的高壓系統(tǒng)中，利用串聯(lián)電容器進行無功補償是改善系統(tǒng)輸電效率的有效方法。為提高張家口北部汗海電廠—沽源—太平線路的輸電能力及穩(wěn)定裕度，2010年8月在汗沽線路上投入補償度為40 %的固定串聯(lián)補償裝置(以下簡稱“串補”)，該串補裝置由ABB公司制造并安裝。由于串補平臺需要對地絕緣，如何對平臺上的設(shè)備供電并保證供電方式可靠成為亟待解決的問題。

1 常見串補平臺設(shè)備供電模式

1.1 線路CT直接取能

目前國內(nèi)保護多采取通過線路CT直接取能的供能方式，即通過CT電磁感應(yīng)直接從串聯(lián)電容器兩端的母線上取能，為平臺設(shè)備及儲能設(shè)備供電。CT取能技術(shù)相對其他的供能方式更加成熟，供電可靠、成本低且無需考慮對地絕緣問題。該技術(shù)適用于各種運行方式下線路電流相對穩(wěn)定或變化不大的場合，但當(dāng)線路電流小于要求時取能回路將不能正常工作。

1.2 平臺下方激光供能

平臺下方激光供能是將能量通過光纖以光的形式從平臺下方傳送到平臺上方，滿足平臺對地和平臺間電氣絕緣的要求；并且光纖的兩端沒有電氣上的直接連接，也不受電磁干擾的影響，穩(wěn)定可靠?，F(xiàn)階段光纖的工藝水平完全可以滿足供能設(shè)備的需要。但激光的波長和輸出功率會受到溫度的影響，如果對輸出能量精度有要求，就需要對光纖及設(shè)備的溫度進行控制；而且激光供能受輸出功率的限制，每路光纖所能傳送的功率極其有限，為了達到平臺設(shè)備的要求往往需要多路光纖傳送。由于光電接口設(shè)備長期工作容易損壞，使用中需要對光電接口板卡的工作狀態(tài)進行監(jiān)視并考慮冗余配置，但光電轉(zhuǎn)換板卡制造成本相對較高。

1.3 耦合電容器分壓取能

耦合電容器分壓取能即在線路和地面之間加入耦合電容器，用線路經(jīng)過耦合電容器流向地面的工頻電流作為電源，且通過電容器的參數(shù)選擇控制電源電流的有效值，再通過變壓器將電源傳送到各個部件。這種供電方式使得電路對地電壓相對于母線電流更加穩(wěn)定，但需要在電氣隔離、過電壓防護和電磁兼容方面具有更完善的設(shè)計。

1.4 多種供能方式綜合使用

各個廠家在設(shè)計串補平臺取能回路時往往不局限于某一種方式，并且還會在取能回路中增加儲能元件以增加運行可靠性，例如以充電電池或儲能電容器作為輔助手段可避免因電源丟失而帶來的一次設(shè)備拒動?，F(xiàn)階段大部分串補廠家采用CT取能加激光供能方式：正常時使用CT取能作為供能方式，當(dāng)線路電流低于設(shè)計要求時自動切換為激光供能。這種方式有效解決了CT取能的小電流死區(qū)問題，在實際運行中較為穩(wěn)定。

2 ABB公司串補平臺的結(jié)構(gòu)組成

沽源500 kV變電站汗沽雙回線路應(yīng)用ABB公司的新型技術(shù)，于2010年8月正式投運串補設(shè)備。該方案基于一種新型、密閉、快速的高功率開關(guān)—開普托(Cap Thor)。開普托由1個等離子電弧注射器和1個快速機械開關(guān)并聯(lián)組成。開普托與金屬氧化物變阻器(MOV)一起配合工作，以其快速的動作性能，更好地控制減少MOV的能量耗散及其對電容器組的損傷。開普托能代替常規(guī)的火花間隙，通過電流使空氣電離實現(xiàn)動作，具有結(jié)構(gòu)緊湊、低壓時也可操作、去離子時間短等優(yōu)點。

ABB公司串補平臺結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。操作和監(jiān)控單元(OSU)，用于監(jiān)視和控制開普托。OSU供電模塊通過耦合電容器串聯(lián)在線路和地之間，由分壓原理從線路取能，其通訊系統(tǒng)通過光纖與平臺下方保護室的控制裝置相連接，操作與控制蓄能電容器的電壓及開普托氣壓在OSU平臺模塊里進行監(jiān)測。而監(jiān)測信息則通過光纖傳輸?shù)娇刂剖遥_普托觸發(fā)、合閘、分閘指令通過光纖從控制室發(fā)往開普托，以保護串連電容器組。

圖1 串補平臺結(jié)構(gòu)組成

耦合電容器的電容量配合線路電壓可提供有效值為0.5 A的電流，供電回路由2個串聯(lián)的主變壓器與耦合電容器形成冗余的電源。每個主變壓器的二次側(cè)又由多個變比不同的輔助變壓器串聯(lián)在一起。主副變壓器、整流元件和其他電子元件一起對儲能電容器進行充電和監(jiān)視。

每套儲能電容器并聯(lián)在整流元件的直流側(cè)，由2個供電系統(tǒng)同時供電。當(dāng)保護需要動作時，控制系統(tǒng)對開普托發(fā)出命令，操作命令控制儲能電容器回路中晶閘管的開閉，最終控制開普托的動作。每個供電系統(tǒng)同時對以下設(shè)備供電：通信接口板卡PS932及為其供電的OSU24供電板卡；晶閘管控制回路及為其供電的OSU300板卡；為跳、合閘回路供電的OSU1200板卡；為快速觸發(fā)回路供電的OSU2400板卡。由于以上元件需要的工作電壓不同，特別是用于快速觸發(fā)的回路需要2 400 V直流電源，因此需要在耦合電容器分壓后再用不同型號的變壓器將電壓調(diào)整到需要的電壓等級。

3 ABB公司串補供電方式存在問題

目前ABB公司串補的設(shè)計為每相平臺只使用1個耦合電容器，雙系統(tǒng)電源的主變壓器同時串聯(lián)在耦合電容器與平臺500 kV小母線之間，當(dāng)耦合電容器故障時雙套電源系統(tǒng)將同時不能工作，沒有完全實現(xiàn)電源的雙重化。若不考慮耦合電容器發(fā)生故障的可能性，單個主變壓器短路也可能引起另一個主變壓器過電壓，一旦某相平臺的雙系統(tǒng)主變壓器均被燒毀或擊穿，就會導(dǎo)致OSU中的儲能電容電壓、控制電壓以及通訊板卡電源電壓跌落，而任意雙系統(tǒng)電壓跌落都會導(dǎo)致保護系統(tǒng)保護性旁路無法正常工作。因此，回路中必須有匹配的限壓設(shè)備在過電壓時快速可靠擊穿，以保護主變壓器及其二次側(cè)供電回路?；芈分忻繅K供電板卡中也有相應(yīng)的保護回路，該保護回路由2對反向串聯(lián)的二極管和1只雙向可控硅組成。當(dāng)充電電壓過高時二極管反向?qū)?，通過雙向可控硅控制極導(dǎo)通晶閘管將輔助變壓器的一次側(cè)線圈短接；當(dāng)充電電壓降低時雙向可控硅再次打開，輔助變壓器恢復(fù)正常工作。雙向可控硅的連續(xù)動作將形成一定的占空比以控制充電電壓。

4 ABB公司串補供電模式故障及處理

4.1 主變壓器繞組間及鐵芯絕緣損壞

ABB公司串補供電回路的主變壓器安裝于平臺上保護控制箱內(nèi)，安裝時直接用螺絲緊固在柜內(nèi)金屬板上，柜體用接地銅排接于500 kV低壓母線上，取能變壓器接地方式如圖2所示。采用這種鐵芯接地方式產(chǎn)生的問題是主變壓器T12的鐵芯和一次繞組之間的壓差是主變壓器T11的2倍，變壓器T12將更容易損壞，而T12一次線圈和鐵芯之間的絕緣損壞將使2個主變壓器同時被短接。若將回路變更，使取能變壓器接地方式如圖3所示：用絕緣子將柜體與T12鐵芯之間做了絕緣，再用銅線將T12變壓器的鐵芯接于2個變壓器之間。這樣可有效減小T12承受的電壓降，使得線圈對鐵芯放電時也只影響到單只變壓器的供電回路。但因T11，T12二次繞組經(jīng)二級變壓器接柜體，改造后T12二次繞組與鐵芯之間將存在電位差，可能導(dǎo)致T12二次繞組與鐵芯的擊穿而短接T11變壓器。為此，用容量更大、絕緣性能更好的變壓器替換原有的T11，T12，進而提高供電回路的可靠性。

4.2 板卡保護回路擊穿

在實際運行中曾多次發(fā)生操作后OSU300板卡充電回路電壓由正常的300 V降至0的情況。經(jīng)過分析，確定問題出在OSU300板卡的過壓旁路保護電路上。檢查發(fā)現(xiàn)，OSU300板卡的雙向可控硅、穩(wěn)壓二極管等元器件有不同程度的擊穿，證明與變壓器并聯(lián)的MOV的暫態(tài)特性并不能良好地保護OSU300板卡及板卡內(nèi)的保護電路。當(dāng)二極管被擊穿后雙向可控硅會在較低的電壓下提前導(dǎo)通，導(dǎo)致無法將回路中的儲能電容充電到300 V。在維修損壞的OSU300板卡的過程中，為了提高雙向可控硅柵極的抗涌流能力，在其柵極控制回路中串入1個限流電阻；此外還適當(dāng)降低了監(jiān)控交流電壓用的穩(wěn)壓二極管的導(dǎo)通電壓值以限制其耗散功率、提高抗沖擊能力。過壓旁路電路改造前、后的電路原理如圖4，5所示。

圖2 取能變壓器接地方式1

圖3 取能變壓器接地方式2

圖4 OSU300板卡過壓旁路電路(改造前)

圖5 OSU300板卡過壓旁路電路(改造后)

5 結(jié)束語

汗沽線串補系統(tǒng)的平臺電源回路采用新型的、國內(nèi)外為數(shù)不多的耦合電容器分壓型供電模式。在串補系統(tǒng)投運后的一段時間內(nèi)，這種電源回路暴露出了一些問題；但隨著運行經(jīng)驗的積累、故障的處理和回路的完善，這些問題正在逐步解決，其可靠性、穩(wěn)定性進一步提高。這種供電模式也將為串補和其他高壓絕緣設(shè)備的供能提供新的選擇方案，以獲得更好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 陳葛松，林集明，郭劍波，等.500 kV串補站過電壓保護研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001(2).

2 方曉松.平果可控串補站工程接入系統(tǒng)設(shè)計[R].武漢：中南電力設(shè)計院，2001.

3 王曉彤，陳葛松，林集明，等.天廣輸電線路天平段加裝串補和可控串補工程系統(tǒng)電磁暫態(tài)專題研究[R].北京：中國電力科學(xué)研究院，2001.

4 牛曉民，王曉彤，施 圍，等.超高壓串聯(lián)補償輸電線路的潛供電流和恢復(fù)電壓[J].電網(wǎng)技術(shù)，1998(9).

5 鐘 勝.河池串補站工程接入系統(tǒng)設(shè)計[R].武漢：中南電力設(shè)計院，2002.

6 電力規(guī)劃設(shè)計總院.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.

7 谷定燮.河池串聯(lián)線路斷路器恢復(fù)電壓研究[R].武漢：武漢高壓研究所，2002.

2014-11-17。

王寶琳(1981-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)微機保護與控制工作，email：2416872270@qq.com。

王寶卿(1983-)，女，工程師，主要從事電力系統(tǒng)微機保護與控制工作。

孟 杰(1981-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動化技術(shù)及應(yīng)用工作。

王慧亮(1983-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)信息及其自動化控制工作。

祝 強(1983-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)信息及其自動化控制工作。