1　前言
　　东北伊敏电厂计划装机2×600＋2×500MW，经两回500kV线路送电至齐齐哈尔地区的冯屯变电站。由于伊冯线路途经大兴安岭林区，走廊困难，为了使伊敏电厂的电力能全部送出，必须增加伊冯线的输送能力。为此，决定在伊冯线的冯屯侧安装可控串联电容补偿装置（TCSC）。
　　线路装设串联电容后，在断路器开断瞬间串联电容中电流经过零点，电容上的电压为最大值；线路开断后，在电容器上保持此电压，使断路器的暂态恢复电压（TRV）增高，同时使系统中某些地点出现了高的操作过电压。文［1］介绍了采用固定电容补偿的线路上断路器的高恢复电压和线路上的过电压以及相应的对策。
　　本文介绍在伊冯系统采用可控串补后，断路器的工作条件和线路的过电压，并与固定串联电容补偿进行了比较，不涉及无串补系统的类似问题。
　　研究工作是在中国电力科学研究院的仿真中心完成的。
2　模拟系统简介
　　图1为仿真中心建立的伊冯可控串补系统的简化模型。
　　模拟可控串补结线见图2。控制器为自制的分层控制器，由底层、中层和上层组成。设计触发方式时未考虑底层控制。在系统短路期间，TCSC的底层控制仍按原设定的触发控制。试验中只有“振荡解列”用到了上层控制，控制器的原理可参见文献［2］。

　　试验时，只在一回线上装设可控串补，另一回线为固定串补。
3　甩负荷、解列和振荡解列
　　甩负荷、解列和振荡解列3种试验采用的系统接线如图1所示。甩负荷试验时，系统正常运行，仅B₂断开；解列和振荡解列都是假设在线路Ⅱ上发生故障，B₃、B₄跳开后，仅线路Ⅰ送伊敏电厂全部出力时B₂开断的情况。解列是指线路Ⅰ稳定运行后的正常操作；振荡解列是当线路Ⅱ跳开后,TCSC控制失效致使系统失稳时的情况。

B1～B4为断路器；MOA为线路避雷器；X为并联电抗器；

YL、SL和FL分别为伊敏线路侧、串补线路侧和冯屯线路侧电压测点名称

图1　简化的伊冯可控串补系统

　SC为串联电容器；MOV为限压器；TR为晶闸管及控制；L为阻尼电感　

图2　可控串补的接线　　

　　当线路Ⅰ输送伊敏电厂的全部功率时，串补度K_c＝25％是不稳定的，所以解列操作取较大的补偿度。其中K_c＝37．5％和K_c＝42．5％分别相当于TC－SC允许运行时间为30 min和15 s的电容值^［3］。
　　试验中，当补偿度K_c＝25％时晶闸管是闭锁的，与固定串补相同；K_c＞25％时晶闸管为容抗调节模式，触发角恒定，无电流时不触发。试验结果列于表1。
　　试验结果表明，系统在甩负荷时暂态恢复电压和线路过电压都不高，解列时电流也不大，即使K_c＝42．5％，限压器也没有动作。暂态恢复电压和线路过电压都由线路避雷器MOA限制。
　　随着K_c的增大，暂态恢复电压和线路过电压还略有减小（序号2、4和3、5）。考虑到补偿度增加虽然使电容上的残余电压增大，但输送潮流不变时，K_c增大会使线路两端电压相角差减小，从而减小了恢复电压。
　　表1序号3，当K_c＝37．5％时，B₂的恢复电压为2．05pu，是解列操作时可能出现的最高值。
　　试验还发现TCSC的晶闸管在电流开断后有时仍会导通，即“后导通”现象。这是因为控制系统在本次电流过零点时已开始检测，在电流遮断后，晶闸管仍按原定触发角动作，使电容上的电荷得到了释放，因而降低了断路器的恢复电压和线路的过电压，波形见图3。这种现象是断路器在电流过零点切断和控制器判断电流过零时间之间的偏差造成的，但这种现象具有偶然性，多次试验表明，三相之中往往只有1～2相出现后导通。由此认为TCSC的后触发虽然对降低恢复电压有好处，但由于其不确定性，TCSC补偿系统的恢复电压与固定串补系统并无明显的区别。

　　振荡解列试验时，伊、冯母线的电压相角差在100°左右，时间为Ⅱ回线跳开后1．34s。当无保护时，出现了很高的暂态恢复电压和对地过电压，靠MOV和MOA共同限制，波形见图4。由图中可看出MOV频繁动作，限制了串联电容上的电压，MOA只导通一次，限制了对地过电压。

表1　甩负荷、解列和振荡解列时断路器B₂的暂态恢复电压和线路过电压

(电压单位:1pu=550×√2/√3kV)

“无保护”指既无MOV亦无MOA时的情况。

图3　晶闸管的后导通现象

　　由于MOV的频繁动作，本试验中B相的能耗已达25MJ，超过了MOV的设计能耗8MJ，因此是不允许的。采取的措施只能是尽快解列。
　　由此可见，若解列和振荡解列过程中电容器上的电压不足以使MOV动作或虽使MOV动作而能量不大，断路器上会出现可能的最大恢复电压，它应在2．29pu（MOV动作，序号8）和2．05pu（MOV不动作，序号3）之间，上升陡度在500V／μs以下。低于国家标准中断路器失步开断时瞬态电压2．5pu，陡度1．67kV／μs的要求。
4　短路和切断短路
　　见图1，输电线路由10个链形电路构成，全长为m，设d为距串联补偿的距离，在点SL处，d＝0。
   （1）电容上的短路电流
　　当系统短路时，电容上的电流很大，相应的电压也较高，对断路器的恢复电压起着重要作用。为了对串联电容上流过的短路电流I_c有一个基本认识，计算图1中系统三相接地时的I_c，忽略系统的电阻和两端电势的相角差。计算结果表明，当双回带补偿线路之一发生接地时，系统形成电容电感串并联电路，随K_c和接地点不同，会构成工频谐振电路，出现很大的短路电流。当补偿度K_c＝25％时，在线路冯屯侧
（SL）接地时I_c为最大。补偿度为33．3％和42．5％时，出现最大I_c的故障地点分别为距串联补偿29km和59km处。
   （2）切断短路
　　表2中列出当K_c＝25％时，沿伊冯Ⅰ回线各点三相接地，断路器B₂跳开时的恢复电压和各点的对地过电压。试验时晶闸管闭锁，故障后B₂先开断，时间为0．08s。试验表明，当晶闸管旁路动作后，串联电容等于不存在，表中没有列出旁路的情况。

　　
　　
　　图5中给出了表1序号10测得的恢复电压和点FL过电压（即串联电容上的残余电压），断路器的恢复电压中因为包含了此残余电压，因而有明显的直流分量。
　　由试验结果可以看出，故障点由伊敏向串联电容方向移动时，恢复电压和点FL的过电压都逐渐升高，当d＝m／10时，分别为2．83pu和2．12pu；当d　　＝0时，跃升为5．74pu和3．19pu。这表明系统已接近谐振点。与前节的分析相一致。　

　表2　切断短路时的恢复电压（TRV）和对地过电压

（电压单位：1pu=550×√2/√3kV)

　　　　
  ＊：电流太大而未量出。

　　切断短路时MOV的作用有两个：一是可将电容器上的电压限制在它的保护水平以内，二是MOV中流过大电流时断路器遮断电流中电阻性成分增加，使遮断瞬间电容上的电压不是处于最大，甚至远低于MOV的保护水平。从表2中的试验结果可看出此二因素的作用。当故障点离MOV较近时，如d＝m／10、d＝0，MOV的接入则墒筎RV大幅度下降，因为此时MOV中电流极大，流过B₂的电流以电阻性电流为主。当故障点距电容较远时，接入MOV后TRV下降不明显，甚至还会有所上升（表中序号2、3；4、5；6、7）。这是因为MOV的电流不大，而MOV的动作有时改变了短路电流的波形，使切断瞬间电容上的电压反而有所升高。都接入MOV时，远处短路比近处短路TRV高，证明了上述分析。
    表2中还给出了MOV动作时的能耗，均大于文［4］中建议的保护性旁路的启动能耗0．2MJ。试验中只有在伊敏电厂出口附近短路，才不会启动旁路。
　　当电容器被旁路后，断路器的恢复电压与无串补的线路相同。表2中所列序号2～11的暂态恢复电压和过电压都高于实际值。因为它们是在没有接入MOV的条件下，或虽有MOV而没有计及保护性旁路的条件下得出的，只有序号1的数据是可能出现的。若旁路启动值增加，例如增至3～5MJ，则恢复电压可能达到表中序号5所列之值，即2．1pu，此时切断电流为4．26kA，在断路器额定遮断电流（50～60kA）的10％以下。相应条件下，规程中规定的恢复电压为1030kV（相当于2．29pu），因而是安全的。
　　在系统短路和切断短路时，对地避雷器不会动作，恢复电压和对地过电压都靠MOV限制。序号12列出一相MOV退出运行的极端情况，由于失去了MOV和保护性旁路，造成了极高的TRV和对地过电压。实际上MOV损坏情况很复杂，本试验只说明MOV的重要性，同时也表明保护性旁路仅靠MOV的能量启动似嫌不够，若能增加线路电流或电容电压启动，则会更加可靠。
3．3　短路电流延迟过零现象的检验
　　文［1］中首次提出当多回带串补的线路并联运行时，在一条线路上电容器附近（相当于点SL）发生故障时，由于与电容器并联的MOV动作，线路的短路电流的周期分量经其它线路分流，造成离电容器远的断路器（相当于B₁）中的短路电流出现明显的延迟过零。为此，对伊冯线作了检验，图6给出部分试验结果。
　　由图6可见，与无MOV时相比，有MOV时B₁中的短路电流有明显的延迟过零现象。在SL处发生两相短路时，延迟过零现象最为严重。约在0．25s后，电流与零线才有明显的交点。
　　为了计算B₁中短路电流的周期分量，对伊冯系统电路作了简化，如图7所示（SL处三相接地），其中忽略了系统的电阻。

图6　短路电流的延迟过零现象

　图7　短路电流延迟过零计算用简化电路

    对以下3种情况进行了计算。
　　（1）当MOV未接入时，支路Ⅱ的阻抗为容性且数值较小，与支路Ⅰ并联后仍为容性，数值与电源电抗相近。电源送出的电流高达80kA。B₁中流过的电流为4．6kA（因为系统接近工频谐振，忽略系统电阻使算得的电流比测得的大）。
　　（2）MOV动作后，用20Ω线性电阻近似代表，与SC并联。它的出现，破坏了谐振条件，使电源送出的电流减小至11kA。B₁中电流仅0．86kA（测得为0．72kA）。周期分量的减小，形成电流的延迟过零。
　　（3）保护性旁路动作，TCSC的阻抗为j5．6Ω，电源送出总电流更小，为9．3kA，但分配到支路Ⅰ的电流略有增大，为1．53kA（测得1．27kA）。因而改善了延迟过零现象。
　　由上述分析可看出，伊冯系统中短路电流的延旁路启动后，使B₁中流过的电流增加，促使电流过零。试验结果也证明，TCSC的旁路减轻了电流延迟过零现象。
　　事实上，电流的延迟过零现象在伊冯可控串补系统中对断路器并不构成威胁，这是因为：①多次试验表明，最严重情况下，短路电流延迟过零的时间在0．05s以内，未到断路器切断时间（0．08～0．1s）。②在SL处发生故障，TCSC的旁路必然会启动，将改善电流延迟过零现象。③从继电保护设置来看，SL点发生故障，断路器B₂应先跳开，使B₁跳开时的短路电流恢复正常。
4　结论
　　（1）在有串联补偿的线路上，开断线路时串联电容上的残余电流会使断路器的暂态恢复电压和线路上有关点的对地过电压升高。伊冯线装设可控串补后，若在线路开断时晶闸管有触发脉冲，晶闸管有时（非必然）在开断后继续导通，使电容器上残余电流降低，有利于降低暂态恢复电压和对地过电压。
　　（2）伊冯线在甩负荷、解列和振荡解列时，断路器的遮断电流小于4 kA，暂态恢复电压在2．05～2．29pu之间，能满足失步开断的要求。
　　（3）开断短路时，由于限压器和晶闸管保护性旁路的存在，断路器的暂态恢复电压约为2．1pu。遮断电流小于遮断容量的10％，在规定范围内。
　　（4）线路在邻近串联电容处发生短路故障时，由于限压器动作，减小了短路电流的周期分量，使伊敏侧线路断路器中的短路电流有短时延迟过零现象，但它不会影响断路器切除故障，晶闸管的旁路还会减轻延迟过零现象。
　　（5）建议可控串补的保护性旁路中增加用线路电流或电容电压启动的功能。

参考文献：

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