电气工程学报, 2015, 10(8): 74-79 doi:

工程技术

丰万500kV超高压线路串联补偿装置的保护和控制改造

李振动, 宋巍, 王翀, 顾颖, 汤煜东, 黄晓乐, 金海望, 陈习文

国家电网冀北电力有限公司检修分公司 北京 102488

Reform Study on Protection and Control of Fengwan 500kV Supervoltage Line Series Compensation Equipment

Li Zhendong, Song Wei, Wang Chong, Gu Ying, Tang Yudong, Huang Xiaole, Jin Haiwang, Chen Xiwen

State Grid Jibei Electricity Power Maintenance Company 102488 Beijing China

责任编辑: 李小平

收稿日期: 2015-06-10   网络出版日期: 2015-08-25

Received: 2015-06-10   Online: 2015-08-25

作者简介 About authors

李振动 男 1984年生,硕士,工程师,主要从事电力系统继电保护、自动化工作。

宋 巍 男 1971年生,高级工程师,主要从事电力系统继电保护及管理等工作。

摘要

针对500kV丰万双回超高压输电线路的串联补偿改造工程,对串联补偿原理和各串补元件功能进行简要介绍,指出改造的目的和成果。为验证国产化装置动作逻辑和控制系统的正确性,对电容器组、金属氧化物限压器MOV、火花间隙GAP、阻尼回路、旁路开关以及刀开关等串补装置在简述其功能的基础上进行参数建模,并根据串联补偿实际运行方式,搭建与现场系统联络方式一致的等值系统,对串联补偿控制保护系统进行RTDS动态仿真,验证线路区内外金属性故障、经过渡电阻、发展性故障、能量保护和电容器不平衡等保护的动作行为。结合典型的3/2接线方式,着重探讨串补与常规保护之间的二次配合和逻辑关系,指出失灵联跳的原理和方式,并根据现场实践和仿真分析给出合理的运行建议。

关键词： 串联补偿 ; 控制保护 ; MOV ; 火花间隙 ; 失灵联跳

Abstract

In terms of series compensation reform project of Fengwan 500kV double circuit extra-high voltage line, brief introduction was made to series compensation theory and the functions of all series compensated elements, and the reform object and achievements pointed out. In order to verify the correctness of home-made device action logic and control system, parametric modeling is made for series compensated capacitor bank, metal oxide voltage limiter(MOV), spark gap, damping circuit, bypass switch, knife switch, etc. on the basis of the brief introduction of their functions; and based on the actual operation method of series compensation, an equivalent system was established which has the same contact method with the on-site system and RTDS dynamic simulation of series compensation control and protection system was made to verify to the action of protections outside of the line area such as metallic fault, transition resistance fault, developing fault, energy protection, capacitor imbalance, etc. In combination of typical 3/2 wiring method, emphasis was put on the secondary coordination and logic relation between series compensation and conventional protection, the theory and method for malfunction and shunt tripping pointed out, and reasonable operation recommendations put forward based on on-site practice and simulation analysis.

Keywords： Series compensation ; control and protection ; MOV ; GAP ; failure triggering relevant trips

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本文引用格式

李振动, 宋巍, 王翀, 顾颖, 汤煜东, 黄晓乐, 金海望, 陈习文. 丰万500kV超高压线路串联补偿装置的保护和控制改造. 电气工程学报[J], 2015, 10(8): 74-79 doi:

Li Zhendong. Reform Study on Protection and Control of Fengwan 500kV Supervoltage Line Series Compensation Equipment. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(8): 74-79 doi:

1 引言

随着电力负荷的日益增长,电力供求关系已渐趋明显,众多发达地区的自给供电能力十分短缺[1,2,3,4]。发电资源充裕的西部地区必须依靠特高压绿色能源通道,将能源输送至沿海等地区,以实现节能减排,治理雾霾、沙尘及烟颗粒等目的[5,6,7,8,9,10]。

对于未加串补装置的常规输电线路,在忽略其电阻情况下,输送功率为P = UMUNsinα/XL = PLsinα。其中α = θM - θN,PL为线路静态稳定输送极限。

加装串补后,丰万串补简化图如图1所示,P = UMUNsinα/(XL - XC) = PL′sinα。

图1

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图1   丰万串补线路简化图

Fig.1   Series compensated line


显然,加装串补后,既可以提高线路输送功率,亦可在固定功率下缩小功角,提高系统稳定性,如图2所示。

图2

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图2   串联补偿线路功率输送

Fig.2   Series compensation circuit power transmission


丰万双回线路经500kV万全枢纽变电站集中串补后将丰镇电厂电能送至北京,缓解首都供电压力。其初期串联补偿装置均采用NOKIA控制保护系统,已投运逾十年,弊端繁多,首先是纯英文系统,运维检修不便;其次故障频发,技术支持和备品备件已严重滞后[11]。随着国内串补控制保护系统的崛起和成熟度提高,决定对其进行国产化改造,南瑞继保（NR）控制系统的超高压改造工程属国网首次,意义重大。

2 NOKIA运行问题及不足

线路串联补偿装置系统如图3所示,虚线内为平台上设备,主要包括：串并相交的电容器组、金属氧化物压敏电阻MOV、火花间隙GAP、串补旁路开关BBR以及用于限流的阻尼装置。

图3

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图3   串联补偿装置

Fig.3   Series compensation device


电容器组为串补的核心设备,投入使用时提供负阻抗,用以补偿丰万输电线路的感抗,原有保护仅对不平衡电流进行监测,忽略了电容组本身过负荷所引起的过电压甚至电容击穿等因素。

NOKIA共计装有50柱MOV,布置于平台绝缘底座上,每柱金属氧化物元件含4分支柱,封闭在瓷套中,MOV可通过压力释放装置由内而外释放内部电流造成的能量,以保证整套装置的安全运行,且不干扰临近MOV运行。NOKIA装置仅安装CT4,用以检测MOV过负荷,由于每柱MOV含52支阀片,任一击穿无法反映实况,存在巨大安全隐患。

旁路开关BBR是保护GAP装置,迅速短路电容器组的关键元件,NOKIA通过GAP击穿后短时过电流以及开关位置来判断旁路是否成功,与直接利用旁路电流模拟量判别存在差异。并且在旁路瞬间,巨大冲击电流对阻尼形成回路,缩短其工作寿命。

3 串联补偿元件作用与建模

3.1 串补电容器组

改造中在不平衡保护基础上增添电容器组过负荷互感器CT8,如图3虚线内所示,采用反时限特性,对串补电容进行实时监视并与定时限过流相配合。

丰万串补每相额定电容约为208.778μF。采用H形桥差接线结构,分为两个桥臂并联,如图4所示。每个桥臂又由两个电容器组串联组成,可对电容器不平衡电流保护进行考核。左桥臂有6个串联分支,10个并联分支（P1）;右桥臂有6个串联分支,9个并联分支。电容器单元电容约为65.93μF。每个电容器单元由80个电容器元件串并联组成（采用先并联再串联的结构）,单元内元件并联数为20,单元内元件串联数为4,电容器元件是电容器组实际最小组成部分。

图4

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图4   丰万串补电容器H 形桥差接线结构

Fig.4   Feng-wan capacitor H bridge differential connection structure


需在RTDS中将电容器组详细模拟至最小元器件程度,以详细考核电容器元件故障后电容器不平衡保护功能。为考核电容器不平衡保护功能,并尽量节约RTDS仿真节点模拟资源,在RTDS中对丰万双回线串补的电容器的其中一相（A相）进行了详细模拟,结构如图5所示。

图5

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图5   电容器组结构图（单位：μF）

Fig.5   The structure of capacitor set


3.2 金属氧化限压器MOV

MOV为非线性电阻,其电压到达拐点后,几乎不变,而电流陡增,可将电容器组两端电压限制在可控水平,吸收多余能量。若线路瞬时故障消除,为串补电容器组提供重投功能。

当电容器组放电或系统扰动等摇摆电流流经电容器组时将造成装置过电压,MOV需与控制系统相配合,在到达通流容量整定值后快速释放热能。

为防止MOV单支阀片击穿,改造中将其分组为22柱和28柱,加装MOV不平衡CT5,通过系数法来平衡两支路电流,一旦某一支路单一阀片发生故障,能可靠判断出并启动相关保护。丰万串补两MOV分支参数模型需按现场实际结构布置,U-I特性进行对比如图6所示,其中蓝色是MOV设计特性,红色是RTDS模拟特性。

图6

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图6   丰万串补MOV U-I 特性曲线对照图

Fig.6   Feng-wan series compensation MOV U-I characteristic curve


3.3 火花间隙GAP

火花间隙采用RTDS中的断路器模型进行模拟,间隙的动作行为由RTDS仿真控制,模拟串补控制保护中的GAP功能。监视MOV支路总电流,当MOV总电流持续（1ms）大于某一值时,间隙被强制触发导通,直至旁路开关将其旁路,恢复阻断状态,即旁路开关动作后,间隙的电流将会被迫置零。间隙也可被串补控制保护装置触发导通。

3.4 旁路开关及阻尼回路

旁路开关在MOV能量越限、GAP击穿等保护动作过程中,直接旁路退出电容器组,为可靠检测BBR开关是否旁路成功,增加CT3回路采用实际模拟量进行判定。旁路开关的动作行为由串补控制保护装置控制,必要时在RTDS中也可以手动对其进行操作。

阻尼装置是限制电容器放电电流,保障BBR、GAP以及电容器组安全运行的重要回路,工程改造中,基于阻尼电感和阻尼电阻并联基础,在阻尼电阻回路中串联石墨火花间隙,其小石墨火花间隙仅在旁路后电容器组放电时击穿,待故障流消除后自行熄灭,以保障阻尼电阻不因长期过流或者运行电流而造成热容量损伤。建模的实际参数为L = 0.0006H,R = 5Ω。

3.5 主旁路刀开关、隔离开关及接地刀开关

方案中主旁路刀开关、隔离刀开关以及接地刀开关均采用RTDS中的断路器模型（即普通的开关模型）进行模拟。串补控制保护装置可以读取主旁路刀开关、隔离刀开关以及接地刀开关的开合状态,并可对其进行顺序控制操作,当然,刀开关亦均可在RTDS中进行手动操作。

3.6 串联补偿系统

试验中,以500kV万全变电站联络方式和实际接线进行等值建模,搭建符合现场运行方式的系统,获取改造串补各保护装置的动作行为。

RTDS固定串补建模完全再现丰万双回线串补的实际结构,一次回路部分包含有电容器组、MOV、间隙、旁路开关、阻尼回路、隔离开关、接地刀开关以及主旁路刀开关等。系统参数以2015年RD2T1159000-0001《500kV丰万串补系统等值参数》为准,等值系统搭建模型如图7所示。

图7

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图7   串补等值系统图

Fig.7   Series compensation equivalent system diagram


4 串联补偿仿真分析

4.1 线路内外部金属性故障

区内线路发生单相瞬时故障,串补保护动作触发故障相间隙,合故障相旁路开关,额定延时后拉开旁路开关,串补重投;区内线路发生单相永久故障,串补保护动作触发故障相间隙,合故障相旁路开关,重合于故障后合三相旁路开关,串补退出。

区外侧发生单相瞬时、永久及多相故障,串补保护只启动不动作。

4.2 区内外经过渡电阻及发展性故障

区内串补出口发生经20Ω、100Ω、300Ω过渡电阻故障,串补保护正确动作;区外侧发生经50Ω、150Ω、300Ω过渡电阻故障,串补保护不启动。

串补出口区内故障20ms转区外故障,如图8所示,MOV高电流保护瞬时动作,触发区内故障相间隙,合区内故障相旁路开关（多相故障则合三相开关）,经1 200ms串补重投（多相故障不重投）;串补出口区外故障转区内故障,区外故障时串补保护不动作,转为区内故障时串补保护正确动作。

图8

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图8   串补区内发展性故障

Fig.8   Series compensation in developmental malfunction


4.3 MOV能量保护及系统振荡

线路区内故障,MOV低能量保护动作,合三相旁路开关。

系统振荡时,当不满足串补保护动作定值时,保护只启动。振荡中区内故障,保护正确动作;振荡中区外故障,保护启动不动作。

4.4 电容器不平衡动态仿真

1〜4个电容器熔丝熔断,保护不动作;模拟5个电容器熔丝熔断,电容器不平衡告警,不启动故障录波;模拟9个电容器熔丝熔断,电容器不平衡保护动作,合三相旁路断路器;模拟一个电容器单元击穿,电容器不平衡保护动作,合三相旁路断路器。

4.5 MOV不平衡动态仿真

单相28×4分支MOV其中一个并联分支熔断,区内故障时MOV不平衡保护动作,三相旁路;单相28×4分支MOV其中一个并联分支的一个阀片击穿,区内故障时MOV不平衡保护动作,三相旁路动作情况如图9所示。

图9

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图9   MOV并联分支阀片击穿故障

Fig.9   MOV breakdown fault parallel branch valve plates


5 串补与常规保护

作为串联补偿的保护系统,其控制回路与适用于串补线路保护、断路器保护密切相关,其一次简化图和相关二次回路如图10所示。当电容器组不平衡、MOV能量以及GAP击穿等保护动作,均会作用于串补系统将BBR旁路。旁路闭合同时开出两组节点,假如旁路不成功,通过监测CT3持续过流与TWJ后判为失灵,延时开出失灵至CB1与CB2,跳开边中开关;另一组借助本端线路保护纵差通道发远跳跳开对端CB3和CB4。当然,假如线路保护发生故障,会直接发跳令至本侧开关,由于线路被切除,电容器组已失去意义,故线路保护动作后应当联跳串补系统,直接旁路。

图10

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图10   串补与常规保护二次电气图

Fig.10   Series compensation relationship with conventional protection


6 结论

根据现场实际运行方式对系统及串补各元件进行探讨和建模,在动模RTDS仿真试验基础上,结合串补与常规保护之间的行为逻辑,针对丰万串补提出一些合理的建议。

对于间隙保护,由于冬季雨雪天气,水珠雪花很容易随风吹入GAP间隙点火装置,造成间隙自触发旁路开关,故建议对其触发电压进行现场调整,在原定值基础上增至1.15倍。其次,间隙假如长期击穿,即电流大于定值的导通持续时间过长,其放电电流可能直接烧毁装置,故可设置间隙长期导通直接作用于跳闸。

对于3/2带串补的接线方式,当线路发生瞬时故障,CB1和CB2的固有重合时间为0.6s和0.9s,如若串补在此时间内重投,直接造成重投于故障再次旁路。故需将旁路自动重投时间设计在中开关重合成功之后,否则直接闭锁,永久旁路,建议为1.2s。

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