3　过电压保护方案
　　目前，在电力系统串补站中采用的过电压保护措施主要有单间隙保护、双间隙保护和MOV保护3种方案，其电气接线如图2所示。　　

　　单间隙和双间隙保护在1980年以前的串补站中使用较多，MOV保护随着金属氧化物避雷器制造技术的发展逐步得到广泛应用，新建的串补站大多采用MOV保护方案。这3种保护方案对系统运行的主要影响在于故障后串补再接入时间的差异较大，其中单间隙保护为200～400 ms，双间隙保护为60～80 ms，而MOV保护可以瞬时再接入。故障后的串补再接入时间对系统的稳定水平有比较大的影响，ABB公司对一500 kV输电系统的暂态稳定水平进行了研究^［2］，结果表明在该系统中线路送电能力与串补及其过电压保护方案的关系为P_无串补∶P_{单间隙保护∶}P_{双间隙保护∶}P_MOV保护≈1∶1．35∶2．05∶2．25。由此可见，采用MOV保护方案更有利于提高系统的暂态稳定水平。此外，MOV保护还有利于降低短路故障时电容器的过电压水平和短路电流。
　　在MOV保护方案中，又分为无间隙MOV保护和带间隙MOV保护（见图2）。前者串补站平台设计比较简单，不需要复杂的控制系统，适用于短路电流比较小的应用场合；后者具有后备保护功能，用于短路电流比较大的系统，可以大幅度地降低MOV的容量。
　　华北电网作为未来的重要能源基地之一，托克托电厂的全部出力均由托应线和应安线输送至华北主网，对串补线路的输送能力和系统稳定水平均有较高的要求，采用MOV保护方式有利于满足这些要求。此外由于应县开关站的短路电流比较大，如果不装设保护间隙，应安线串补MOV的设计容量将超过100 MJ／相，这样就增大了串补站MOV的投资。因此建议应安线串补站采用带并联间隙的MOV保护方案。
4　MOV能量需求研究
4．1　研究目的、内容和工具
　　当串补所在线路出现比较大的故障电流时，串联补偿电容器上将出现较高的过电压，但由于MOV电压－电流的强非线性特性，电容器电压被限制在设计水平以内。在这一过程中，MOV将产生一定的能耗。为了保证MOV能够安全运行，MOV的最大允许能耗应该超过故障时MOV可能吸收的最大能耗。
　　在带间隙的MOV保护方案中，MOV能耗与保护间隙的触发控制策略是密切相关的。保护间隙触发控制的基本策略为：区内故障时（串补所在线路上发生故障）间隙可以触发；区外故障时（该串补所在线路以外的任何地方出现故障）间隙一般不触发。
　　MOV能量需求研究的主要目的在于：①确定允许间隙触发的有关阈值，主要指MOV能耗的阈值（以下简称启动能耗）和MOV电流的阈值（以下简称启动电流）。②确定各种故障情况下MOV可能吸收的最大能量。
    影响MOV能耗的主要因素如下：

　　区外故障消失或切除后，还可能出现一段系统摇摆过程。在摇摆过程中MOV能耗还会有一定的增加。为了防止间隙误动作，MOV启动能耗和启动电流还应留有一定的裕度。综合这些情况，应安线串补MOV启动能耗取44 MJ／相、启动电流取11 kA。
4．3　MOV最大能耗水平
　　当系统发生区内故障（或上述允许间隙触发的特殊区外故障）时，若MOV电流或能耗超过上述启动电流和启动能耗，就可以启动间隙触发命令。此后很短的一段时间里MOV仍要吸收一定的能量。
　　区内故障时，由于同时采用了电流和能耗触发判据，所以并非短路电流最大时MOV能耗就一定最大。因此需要沿着串补所在线路进行大量的短路计算，并找到MOV能耗最大的故障点以及MOV能耗的最大值。图4给出了区内故障时应安线串补MOV能耗最大值随故障点位置变化的曲线。从图中可以看出，MOV能耗的最大值出现在线路中间某一点，而不是短路电流最大的电容器出口（即图中0 km处），这是由于采用了电流触发判据，加速了间隙在近区故障时旁路的响应速度。由此可见，采用电流触发判据有利于降低MOV在近区故障时的吸收能量，对改善MOV工作条件和减少MOV安装容量均有利。此外，对于本系统，在单次短路过程中三相接地时MOV能耗要比单相接地时高，但两者差别不太大。考虑到单相重合闸影响时，MOV最大能耗仍出现在单相接地过程中。

　　对不同位置和类型的区内故障和允许间隙旁路的特殊区外故障进行数字仿真，得到应安线串补MOV的最大能耗为53 MJ／相，相应的故障条件是：系统正常运行时在距离应县20 km处出现2次单相接地故障。应安线串补电容器的最大电压为2．28pu，出现在电容器出口三相短路情况下。图5给出了区内故障时有关波形，其中电容器电压被明显削平，MOV能耗上升很快，直至间隙动作。
　　按本文的保护方式和所选择的MOV参数，过电压保护水平为2．3 pu。根据上述MOV最大能耗考虑一定的裕度后，就可以得到应安线串补站的MOV安装容量。
5　阻尼回路设计
　　阻尼回路的主要作用是限制电容器的放电电流，确保电容器、旁路断路器和间隙的安全运行。目前，在电力系统串补站中采用的阻尼装置主要有电抗型、电抗＋电阻型、电抗＋避雷器＋电阻型，其电气接线如图6所示。

　　其中，电抗型阻尼回路结构简单、造价低，但放电电流衰减较慢，适用于串补容量较小的系统；电抗＋电阻型阻尼回路放电电流衰减特性好，但长时间运行时电阻损耗较大，对电阻的热容量要求较高；电抗＋避雷器＋电阻型是前者的改进，当短路消失后间隙自动熄弧，阻尼回路损耗低。
　　阻尼回路的设计要求：①电容器的放电电流（峰值）应小于电容器额定电流的100倍；②旁路断路器的关合冲击电流要小于其允许值；③保护间隙的冲击电流要小于其允许值（一般取100 kA）；④能够快速阻尼电容器的放电电流，采用阻尼电阻时放电电流波峰值宜小于此前同极性波峰值的一半；⑤间隙或断路器动作后MOV能耗应能很快停止上升；⑥阻尼回路长期运行电流与电容器额定电流相当；⑦在系统电容器旁路和随后的持续运行过程中，阻尼回路应有足够的热容量，确保阻尼回路自身的安全。
　　阻尼回路参数计算方法：列出等值放电回路（见图6）零输入响应的状态方程（电容器初始电压为过电压保护倍数×额定电压峰值，电感初始电流为零），采用逐步逼近法选择合适的R和L值，使得该回路放电电流满足上述要求（注意：实际短路过程中，间隙或断路器的最大冲击电流约为该回路最大放电电流与串补线路最大短路电流之和）。根据计算，应安线串补站阻尼回路配置为：采用电抗＋电阻型阻尼回路方案，应安线阻尼电感为955μH，品质因数取80，放电回路自振频率为585 Hz；并联电阻取4Ω，并联电阻能耗水平取3．7 MJ。图7给出了间隙触发过程中有关电流和能耗波形。其中，电容器放电电流衰减较快，间隙触发后MOV能耗很快停止上升，达到设计要求。

6　结论
　　（1）目前电力系统串补站中采用的过电压保护措施主要有3种方案：单间隙保护、双间隙保护和MOV保护。其故障后的串补再接入时间对系统的稳定水平有较大影响。分析表明：MOV保护方案更有利于提高系统的暂态稳定水平；其中的无间隙MOV保护适用于短路电流比较小的场合，带间隙的MOV保护可以在短路电流较大的系统中大幅度降低MOV容量。
　　（2）影响MOV能耗的主要因素有11种，分析了托—应—安输电系统MOV能耗最大的故障条件为系统正常运行时应县母线出现三相短路，其大能耗水平为41．2 MJ／相，最大电流9．0 kA。
　　（3）阻尼回路的主要作用是限制电容器放电电流，确保电容器、旁路断路器和间隙的安全运行。分析了阻尼回路的设计要求，给出了阻尼回路参数的计算方法。

参考文献：