66 kV直掛交換虛擬電路投切過(guò)電壓仿真研究

徐博宇，武俊杰，趙普志

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000;2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司疆南供電公司，新疆喀什844000; 3.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆烏魯木齊830002）

66 kV直掛交換虛擬電路投切過(guò)電壓仿真研究

徐博宇1，武俊杰2，趙普志3

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000;2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司疆南供電公司，新疆喀什844000; 3.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆烏魯木齊830002）

66 kV直掛型交換虛擬電路已經(jīng)在很多變電站得到應(yīng)用。針對(duì)近幾年使用過(guò)程中多次發(fā)生了66 kV直掛型交換虛擬電路相控電抗器樹(shù)樁擊穿故障，參照東鞍山220 kV變電站的直掛66 kV交換虛擬電路系統(tǒng)搭建模型，利用PSCAD仿真交換虛擬電路裝置投切過(guò)程，研究分析出在某些工況下相控電抗器兩端出現(xiàn)了較大的投切過(guò)電壓，可加速相控電抗器匝間絕緣層的老化，是相控電抗器損壞的原因之一。

66 kV直掛交換虛擬電路；相控電抗器；避雷器

長(zhǎng)期以來(lái)，受到絕緣水平、器件制造工藝、技術(shù)水平等的制約，我國(guó)交換虛擬電路SVC（switching virtual circuit）裝置的最高電壓等級(jí)一直為35 kV。所以一般都是通過(guò)主變?nèi)卫@組或者降壓變壓器等設(shè)備，將SVC設(shè)備（35 kV）連接到66 kV電網(wǎng)的方式，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)SVC接入66 kV電網(wǎng)接線圖

1 66 kV直掛式SVC裝置

近些年來(lái)，用光直接照射晶閘管觸發(fā)晶閘管技術(shù)LTT(light triggered thyristor)越來(lái)越成熟，使得SVC中的晶閘管導(dǎo)通角控制突破了傳統(tǒng)的電—光、光—電模式，LTT采用的光—光模式使得隔離問(wèn)題得到有效解決，推動(dòng)了66 kV SVC直接接入方式的發(fā)展[1]，如圖2所示。

圖2 66 kV直掛SVC接入66 kV電網(wǎng)接線圖

國(guó)內(nèi)首套66 kV直掛式SVC裝置于2009年在東鞍山220 kV變電站正式投運(yùn)，隨后陸續(xù)有同類型設(shè)備在66 kV線路較多的區(qū)域（例如遼寧電網(wǎng)）投運(yùn)。實(shí)踐證明，66 kV直掛式SVC較以往的接入方式有如下優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快；裝置的損耗更??；直掛母線上，不需變壓器，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性更高。

經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)際運(yùn)行，人們已經(jīng)逐步完善66 kV直掛式SVC閥組的觸發(fā)和冷卻技術(shù)，并且優(yōu)化了控制策略。而66 kV直掛式SVC的主要器件之一相控電抗器發(fā)生擊穿故障的問(wèn)題一直沒(méi)有得到有效解決。如220 kV東鞍山變電站安裝有一套66 kV直掛SVC系統(tǒng)（140 Mvar），運(yùn)行期間發(fā)生過(guò)兩次相控電抗器擊穿故障。由于相控電抗器的更換較麻煩，因此大大降低了設(shè)備的使用效率。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察，該變電站附近有大型礦山和燒結(jié)廠，空氣的礦粉等雜質(zhì)較多，這些雜質(zhì)在相控電抗器表面不斷累積，進(jìn)入到相控電抗器匝間絕緣層的破損縫隙中，導(dǎo)致匝間短路。為此，變電站值守人員加強(qiáng)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相控電抗器的清理保養(yǎng)工作，為其安裝了傘帽和傘裙。但是這些外部措施無(wú)法解決SVC投切過(guò)電壓對(duì)相控電抗器的沖擊。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，電抗器在工作過(guò)程中常常受到各類過(guò)電壓的影響，高幅值的過(guò)電壓會(huì)加速電抗器匝間絕緣劣化，引起事故[2]。為此，需要考慮從系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

1.1 投切過(guò)電壓

一套晶閘管控制電抗器TCR(thyristor control reactor)型SVC裝置中往往包含了大容量電感器件（例如相控電抗器）和電感器件（多組濾波電容器），當(dāng)進(jìn)行SVC投切操作時(shí)，這些電感和電容元件之間自然會(huì)有電磁能量的相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)而發(fā)生過(guò)電壓。此類過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間較短，通常會(huì)有較高的幅值、較高頻率的振蕩以及較高的阻尼[3]。

為了簡(jiǎn)單明了地分析，將TCR型SVC簡(jiǎn)化為串聯(lián)等值電路，如圖3所示。

圖3 SVC串聯(lián)簡(jiǎn)化電路

圖中的R、L、C分別表示簡(jiǎn)化電路中的總的電阻、電容和電感，R＝RS＋R0、L＝LS＋L0、C＝CS＋C0、C=C0、電源電動(dòng)勢(shì)e(t)=E sin(ωt+φ0)。RS、LS分別表示電源和變壓器的等效電阻和等效電感，R0、L0和C0分別表示SVC的等效電阻、電感和電容。以合閘為例，當(dāng)正常合閘操作前，電容C兩端電壓為0，當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)后，相當(dāng)于L和C組成串聯(lián)振蕩回路。該電路方程為

進(jìn)一步簡(jiǎn)化，忽略電路中的電阻，即回路的衰減系數(shù)σ=0。如果合閘時(shí)的初始相角φ0=90°，那么式子可化簡(jiǎn)為

式(2)中可以看到，SVC合閘的過(guò)程其實(shí)就是電源向L、C充電振蕩的過(guò)程，而分閘的過(guò)程則是一個(gè)放電振蕩的過(guò)程。

由于實(shí)際的一套SVC系統(tǒng)所包含器件眾多，通過(guò)數(shù)學(xué)公式來(lái)推導(dǎo)投切過(guò)電壓是非常繁瑣的過(guò)程。為此，采用目前比較流行的PSCAD軟件對(duì)66 kV直掛SVC進(jìn)行建模，仿真分析投切過(guò)電壓對(duì)相控電抗器的影響。

1.2 SVC系統(tǒng)模型的建立

SVC系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。一個(gè)等效內(nèi)阻為0的理想220 kV電壓源，經(jīng)過(guò)YNd11，150MVA和180 MVA的2個(gè)變壓器（根據(jù)變電站實(shí)際參數(shù)），將220 kV降壓到66 kV，SVC的TCR和固定電容器補(bǔ)償裝置FC(fixed capacitor)并在66 kV母線上，66 kV母線安裝有母線保護(hù)避雷器。估算母線到變壓器間的線路電阻約為0.6Ω，電抗為19.57 mH。

圖4 東鞍山變電站SVC系統(tǒng)仿真模型

1.3 TCR模型的搭建

TCR部分主要由相控電抗器和晶閘管閥組成。相控電抗器模型搭建完全根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)稱分布在閥組的兩側(cè)，并用串聯(lián)的電阻代替相控電抗器的等效電阻，阻抗兩端再并聯(lián)一個(gè)電容，等效其匝間電容，各參數(shù)值參考實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)定。閥組部分每相是由30個(gè)晶閘管組串聯(lián)起來(lái)的，仿真中將每相的晶閘管組用一個(gè)晶閘管組去代替，已經(jīng)證明，相同參數(shù)的一個(gè)晶閘管組去代替一串晶閘管組不會(huì)影響仿真結(jié)果。晶閘管觸發(fā)角范圍是120°～165°，同時(shí)為每個(gè)晶閘管組配置了相應(yīng)的阻容吸收回路。由于SVC的FC部分模型搭建較簡(jiǎn)單，所以不再進(jìn)行描述。

1.4 投切過(guò)電壓的仿真分析

由主接線圖可以知道，此套SVC的3、5、7、11次濾波器分別接有斷路器，TCR分支上沒(méi)有單獨(dú)的斷路器，在TCR和FC的總支路上接有一個(gè)斷路器，故可以得知投切組合有多種。有TCR單獨(dú)投切除、所有濾波支路投切、TCR與所有濾波支路投切、TCR與3、5、7次濾波考慮到投切時(shí)晶閘管導(dǎo)通角會(huì)影響仿真結(jié)果，所以在晶閘管導(dǎo)通角范圍120°～165°中選擇120°、135°、150°、160°時(shí)分別進(jìn)行仿真和分析。通過(guò)仿真得到以下結(jié)論，如表1所示。

表1 SVC投切過(guò)電壓仿真結(jié)果對(duì)比表kV

1.4.1 TCR支路單獨(dú)投切

當(dāng)投入SVC中的TCR時(shí)，相控電抗器兩端電壓并沒(méi)有明顯的變化，出現(xiàn)的過(guò)電壓幅值較低，不影響電抗器的安全運(yùn)行。投入后，TCR支路跳閘將引起相控電抗器瞬時(shí)過(guò)電壓。相控電抗器兩端電壓在觸發(fā)角為120°時(shí)為最大，達(dá)到520 kV，遠(yuǎn)大于相控電抗器操作沖擊耐受水平峰值(140×≈198 kV)。

1.4.2 3、5、7、11次濾波支路投切

3、5、7、11次濾波支路依次投入時(shí)，會(huì)使相控電抗器兩端的電壓產(chǎn)生波動(dòng)，但是幅值變化比較小，因此基本沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)電壓。投入后，若全部濾波支路同時(shí)跳閘時(shí)，會(huì)引起相控電抗器瞬時(shí)過(guò)電壓，達(dá)到350 kV，超過(guò)了相控電抗器操作沖擊耐受水平峰值。

1.4.3 TCR與濾波支路組合切除

在多種組合中，TCR與所有濾波支路投切、TCR與3、5、7次濾波支路投切、TCR與3、5次濾波支路和TCR與3次濾波支路投切時(shí)，相控電抗器兩端電壓最大發(fā)生在觸發(fā)角160°時(shí)的TCR與3次濾波支路的投入后SVC總斷路器切除，幅值為190 kV，但沒(méi)有超過(guò)相控電抗器操作沖擊耐受水平。上述數(shù)據(jù)是因?yàn)門CR與各個(gè)濾波支路組合構(gòu)成了回路，當(dāng)被切斷時(shí)，相控電抗器兩端的過(guò)電壓可以通過(guò)各個(gè)濾波通道釋放，切斷后電壓振蕩是TCR與FC形成振蕩回路，由于濾波支路、電抗器和閥組都有電阻，振蕩是逐漸衰減的。

1.4.4 單次濾波支路投切

3、5、7、11次濾波支路依次投入時(shí)，會(huì)使相控電抗器兩端的電壓產(chǎn)生波動(dòng)，但是幅值變化比較小，基本沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)電壓。當(dāng)11、7、5、3次某一個(gè)濾波支路單獨(dú)跳閘時(shí)，相控電抗器兩端電壓波動(dòng)比較大，過(guò)電壓都未超過(guò)相控電抗器的耐受電壓值。

2 結(jié)論

通過(guò)仿真結(jié)果，可以認(rèn)為，在某些特殊工況下（如剛剛投上TCR后又馬上切除）相控電抗器兩端的投切過(guò)電壓值非常高，甚至達(dá)到5.2×105V，即使是瞬時(shí)發(fā)生的，也會(huì)對(duì)相控電抗器帶來(lái)沖擊和損害。這些損害往往在電抗器的內(nèi)部，不易被發(fā)現(xiàn)，若遇上其他不利因素（如現(xiàn)場(chǎng)污穢等級(jí)高）很有可能導(dǎo)致整個(gè)相控電抗器的損壞。

為了保證66 kV直掛SVC的穩(wěn)定運(yùn)行，不但需要加強(qiáng)設(shè)備的巡視和維護(hù)工作，在投切過(guò)程時(shí)也要盡量避免這些特殊工況的發(fā)生。

[1]安萬(wàn)洙，王劍，王曉艷,等.66 kV直掛式SVC雙冗余控制系統(tǒng)[J]．電氣時(shí)代，2010（2）：48-51.

[2]栗時(shí)平，劉桂英.靜止無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[3]謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

Simulation Research on 66 kV Vertical SVC Switching Overvoltage

XU Boyu1,WU Junjie2,ZHAO Puzhi3
（1.State Grid Tieling Power Supply Company of Liaoning Electric Power Supply Co.,Ltd.,Tieling,Liaoning 112000,China; 2.State Grid Jiangnan Power Supply Company of Xinjiang Electric Power Supply Co.,Ltd.,Kashi,Xinjiang 844000,China; 3.State Grid Xinjiang Power Supply Co.,Ltd.,Urumqi,Xinjiang 830002,China）

66 kV vertical SVC has been already put into operation in several transformer substations.In view of tree discharge or breakdown failure frequently happening in the phase-controlled reactor in the 66 kV vertical SVC,PSCAD software is used to conduct a simulation research on 66 kV vertical SVC system installed on Donganshan 220 kV transformer substation.It is concluded that SVC switching overvoltage might happen at both ends of phase-controlled reactor,which might accelerate insulation aging and damage of phase-controlled reactor.

66 kV vertical SVC;phase-controlled reactor;arrester

TM72

A

1671-0320（2017）01-0064-04

2016-08-19，

2016-10-28

徐博宇（1982），男，遼寧鐵嶺人，2005年畢業(yè)于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)電氣化及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事變電運(yùn)行、檢修管理工作；武俊杰（1986），男，內(nèi)蒙古赤峰人，2015年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，從事變電運(yùn)行、檢修管理工作；趙普志（1985），男，四川閬中人，2008年畢業(yè)于重慶大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，助理工程師，從事技術(shù)監(jiān)督管理工作。