摘要：文章結(jié)合我國南方電網(wǎng)河池固定串補(bǔ)及平果可控串補(bǔ)工程，對超高壓輸電線路裝設(shè)串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置后的系統(tǒng)狀況進(jìn)行了比較深入的研究，指出一些系統(tǒng)問題，如過電壓水平升高、潛供電流增大和可能發(fā)生的次同步諧振均源于串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的固有特性，通過研究認(rèn)為當(dāng)串補(bǔ)所在輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時，采取強(qiáng)制觸發(fā)旁路間隙等保護(hù)措施，是避免出現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)電壓水平超標(biāo)和潛供電流增大等問題的有效途徑。此外，還建議在串補(bǔ)站內(nèi)裝設(shè)抑制或監(jiān)視次同步諧振的二次裝置以抑制和避免系統(tǒng)發(fā)生次同步諧振。

1 引言
采用串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)可提高超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路的輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性，且對輸電通道上的潮流分布具有一定的調(diào)節(jié)作用。采用可控串補(bǔ)還可抑制系統(tǒng)低頻功率振蕩及優(yōu)化系統(tǒng)潮流分布；但在系統(tǒng)中增加的串聯(lián)電容補(bǔ)償設(shè)備改變了系統(tǒng)之間原有的電氣距離，尤其是串補(bǔ)度較高時，可能引起一系列系統(tǒng)問題，因此在串補(bǔ)工程前期研究階段應(yīng)對這種可能性進(jìn)行認(rèn)真研究，并提出解決問題的相應(yīng)方案及措施。
我國南方電網(wǎng)是以貴州、云南和天生橋電網(wǎng)為送端、通過天生橋至廣東的三回500kV交流輸電線路及一回500kV直流輸電線路與受端廣東電網(wǎng)相聯(lián)的跨省(區(qū))電網(wǎng)，2003年6月貴州—廣東的雙回500kV交流輸電線路建成投運，南方電網(wǎng)形成了送端“五交一直”、受端“四交一直”的北、中、南三個西電東送大通道。隨著南方電網(wǎng)西電東送規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，為提高這些輸電通道的輸送能力和全網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平及抑制系統(tǒng)低頻振蕩，經(jīng)研究決定分別在平果與河池變電所裝設(shè)可控串補(bǔ)(TCSC)及固定串補(bǔ)裝置(FSC)。
通過對南方電網(wǎng)平果可控串補(bǔ)工程及河池固定串補(bǔ)工程進(jìn)行的系統(tǒng)研究工作，作者對超高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中，采用串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)可能引起的系統(tǒng)問題獲得了比較全面的了解，并總結(jié)了解決這些問題的措施及方案。研究結(jié)果表明，超高壓輸電線路加裝串補(bǔ)后所引發(fā)的系統(tǒng)問題主要有過電壓、潛供電流、斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓(TRV)及次同步諧振(SSR)等問題。

2 串補(bǔ)裝置結(jié)構(gòu)及其原理
目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置按其過電壓保護(hù)方式可分為單間隙保護(hù)、雙間隙保護(hù)、金屬氧化物限壓器(MOV)保護(hù)和帶并聯(lián)間隙的MOV保護(hù)四種串補(bǔ)裝置。帶并聯(lián)間隙的MOV保護(hù)方式的串補(bǔ)裝置具有串補(bǔ)再次接入時間快、減少MOV容量及提供后備保護(hù)等優(yōu)勢，相對而言更有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，因此目前在電力系統(tǒng)的串補(bǔ)工程中得到了比較廣泛的應(yīng)用。

各元件的配合關(guān)系及其工作原理如下：
(1)MOV是串聯(lián)補(bǔ)償電容器的主保護(hù)。串補(bǔ)所在線路上出現(xiàn)較大故障電流時，串聯(lián)補(bǔ)償電容器上將出現(xiàn)較高的過電壓，MOV可利用其自身電壓–電流的強(qiáng)非線性特性將電容器電壓限制在設(shè)計值以下，從而確保電容器的安全運行。
(2)火花間隙是MOV和串聯(lián)補(bǔ)償電容器的后備保護(hù)，當(dāng)MOV分擔(dān)的電流超過其啟動電流整定值或MOV吸收的能量超過其啟動能耗時，控制系統(tǒng)會觸發(fā)間隙，旁路掉MOV及串聯(lián)補(bǔ)償電容器。
(3)旁路斷路器是系統(tǒng)檢修和調(diào)度的必要裝置，串補(bǔ)站控制系統(tǒng)在觸發(fā)火花間隙的同時命令旁路斷路器合閘，為間隙滅弧及去游離提供必要條件。
(4)阻尼裝置可限制電容器放電電流，防止串聯(lián)補(bǔ)償電容器、間隙、旁路斷路器在放電過程中被損壞。

3 串補(bǔ)裝置引起的過電壓問題
串補(bǔ)裝置雖可提高線路的輸送能力，但也影響了系統(tǒng)及裝設(shè)串補(bǔ)裝置的輸電線路沿線的電壓特性。如線路電流的無功分量為感性，該電流將在線路電感上產(chǎn)生一定的電壓降，而在電容器上產(chǎn)生一定的電壓升；如線路電流的無功分量為容性，該電流將在線路電感上產(chǎn)生一定的電壓升，而在電容器上產(chǎn)生一定的電壓降。電容器在一般情況下可以改善系統(tǒng)的電壓分布特性；但串補(bǔ)度較高、線路負(fù)荷較重時，可能使沿線電壓超過額定的允許值。河池及平果串補(bǔ)工程的線路高抗與串補(bǔ)的相對位置不同時，輸電線路某些地點的運行電壓可能超過運行要求。例如，惠河線或天平線一回線故障時，如將高抗安裝在串補(bǔ)的線路側(cè)，則串補(bǔ)線路側(cè)電壓可達(dá)到561kV或560kV以上[2]，均超過高抗允許的長期運行電壓，因此在兩工程中均建議將線路高抗安裝在串補(bǔ)的母線側(cè)以避免系統(tǒng)運行電壓超標(biāo)的問題。
在輸電線路裝設(shè)了串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置后，線路斷路器出現(xiàn)非全相操作時，帶電相電壓將通過相間電容耦合到斷開相。河池FSC及平果TCSC工程中的惠(水)—河(池)及天(生橋)—平(果)線路上均已裝設(shè)并聯(lián)電抗器，如新增加的電容器容抗與已安裝的高壓并聯(lián)電抗器的感抗之間參數(shù)配合不當(dāng)，則可能引發(fā)電氣諧振，從而在斷開相上出現(xiàn)較高的工頻諧振過電壓^[3]。因此在這兩個工程的系統(tǒng)研究工作中對串聯(lián)電容器參數(shù)進(jìn)行了多方案比選以避免工頻諧振過電壓的產(chǎn)生。
對這兩個串補(bǔ)工程進(jìn)行的過電壓研究表明，由于惠河線及天平線兩側(cè)均接有大系統(tǒng)，無論惠河線或天平線有無串補(bǔ)，在線路發(fā)生甩負(fù)荷故障時，河池及平果母線側(cè)工頻過電壓基本相同；僅在發(fā)生單相接地甩負(fù)荷故障時，串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)募尤胧沟脝蜗嘟拥叵禂?shù)增大，從而使線路側(cè)工頻過電壓略有提高，但均未超過規(guī)程的允許值，不會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4 串補(bǔ)裝置對潛供電流的影響
線路發(fā)生單相接地故障時，線路兩端故障相的斷路器相繼跳開后，由于健全相的靜電耦合和電磁耦合，弧道中仍將流過一定的感應(yīng)電流(即潛供電流)^[4]，該電流如過大，將難以自熄，從而影響斷路器的自動重合閘。在超高壓輸電線路上裝設(shè)串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置后，單相接地故障過程中，如串補(bǔ)裝置中的旁路斷路器和火花間隙均未動作，電容器上的殘余電荷可能通過短路點及高抗組成的回路放電，從而在穩(wěn)態(tài)的潛供電流上疊加一個相當(dāng)大的暫態(tài)分量。該暫態(tài)分量衰減較慢，可能影響潛供電流自滅，對單相重合閘不利；單相瞬時故障消失后，恢復(fù)電壓上也將疊加電容器的殘壓，恢復(fù)電壓有所升高，影響單相重合閘的成功。根據(jù)對河池串補(bǔ)工程進(jìn)行的研究：惠河線的惠水側(cè)單相接地時，潛供電流波形是一個低頻(f≈7Hz)、衰減的放電電流，電流幅值高達(dá)250-390A。斷路器分閘0.5s后，該電流幅值仍可達(dá)200-300A，它將導(dǎo)致潛供電弧難以熄滅；如單相接地后旁路開關(guān)動作短接串聯(lián)電容，潛供電流中將無此低頻放電暫態(tài)分量。

5 串補(bǔ)裝置引起的次同步諧振問題
在超高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中采用串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)后，尤其是大型汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)串補(bǔ)(特別是補(bǔ)償度較高時)線路接入系統(tǒng)時，在某種運行方式或補(bǔ)償度的情況下，很可能在機(jī)械與電氣系統(tǒng)之間發(fā)生諧振，其振蕩頻率低于電網(wǎng)的額定頻率，稱為次同步諧振，可通過含有串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的單機(jī)對無限大線的輸電系統(tǒng)簡述其原因。

R_a為發(fā)電機(jī)定子電阻；X_G為發(fā)電機(jī)等值電抗，X_G=2πfL_G，L_G為發(fā)電機(jī)電感；R_T為變壓器電阻；X_T為變壓器電抗，X_T=2πfL_T，L_T為變壓器電感；R₁為線路電阻；X_l為線路電抗，X_l=2πfL_l，L_l為線路電感；X_c為串聯(lián)電容電抗，X_c=1/2πfC，C為串聯(lián)電容器電容。
串聯(lián)系統(tǒng)的總阻抗與頻率有關(guān)，即
式中 L 為發(fā)電機(jī)、變壓器及線路的電感之和。
由于輸電線路中串聯(lián)補(bǔ)償度一般小于1，因此回路的電氣諧振頻率f_e小于系統(tǒng)的額定頻率f_n ，因此稱之為次同步諧振。
裝有串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路發(fā)生電氣諧振時，同步發(fā)電機(jī)在諧振條件下相當(dāng)于一感應(yīng)電動機(jī)。如任何沖擊或擾動引起的次諧波電流在同步發(fā)電機(jī)內(nèi)建立起旋轉(zhuǎn)磁場，以2π(f_e－f_n)的相對速度圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子將受到一頻率為(f_n －f_e)的交變力矩的作用。(f_n －f_e)等于或十分接近發(fā)電機(jī)軸系的任一自振頻率時，就可能發(fā)生電氣–機(jī)械共振現(xiàn)象。
大型多級汽輪發(fā)電機(jī)組軸系在低于額定頻率范圍內(nèi)一般有4-5個自振頻率，因此容易發(fā)生次同步諧振。次同步諧振的后果較嚴(yán)重，能在短時間內(nèi)將發(fā)電機(jī)軸扭斷，即使諧振較輕，也會顯著消耗軸的機(jī)械壽命。美國MOHAVE電廠在1970年12月和1971年10月先后發(fā)生過兩次次同步諧振，使兩臺300MW發(fā)電機(jī)組嚴(yán)重受損^[6]。
河池及平果串補(bǔ)站建成后，南方電網(wǎng)的500kV西電東送輸電系統(tǒng)中是否存在SSR問題必須予以深入研究。通過頻率掃描法可分析距離河池及平果串補(bǔ)站較近的系統(tǒng)中的汽輪發(fā)電機(jī)組(安順電廠的300MW機(jī)組和盤南電廠的600MW機(jī)組)是否潛藏著發(fā)生次同步諧振的可能性^[7]。
在此兩機(jī)的機(jī)端向電網(wǎng)注入三相對稱單位電流，在次同步振蕩頻率域內(nèi)改變電流頻率，計算系統(tǒng)的阻抗頻率特性Z(jw)，所得的阻抗頻率曲線。圖中曲線1為電阻頻率特性曲線，曲線2為電抗頻率特性曲線。阻抗性質(zhì)(正負(fù))發(fā)生突變的頻率即為電網(wǎng)的電氣串聯(lián)諧振頻率。若此頻率與發(fā)電機(jī)某一機(jī)械共振頻率之和等于工頻，則可判斷為在此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下可能發(fā)生次同步諧振。
在100Hz以下沒有電氣串聯(lián)諧振點。據(jù)此可以判斷為安順300MW機(jī)組和盤南電廠600MW機(jī)組不會因河池和平果裝設(shè)串補(bǔ)站而發(fā)生次同步諧振。

6 串補(bǔ)裝置對斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓的影響
加裝串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)某邏狠旊娋€路故障時，如流過串補(bǔ)裝置的短路電流很大，串補(bǔ)站的火花間隙將很快動作，電容器被旁路，線路斷路器的恢復(fù)電壓與無串補(bǔ)時接近；如流過串補(bǔ)裝置的短路電流很小，串補(bǔ)站的火花間隙有可能不動作，而電容器的殘壓會使線路斷路器的恢復(fù)電壓大幅度提高，可能造成線路開關(guān)的損壞。
從對河池FSC及平果TCSC工程進(jìn)行的系統(tǒng)研究來看，串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的使用普遍提高了其所在超高壓輸電線路的斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓水平。通過對串補(bǔ)所在線路單相接地故障、三相短路、兩相短路及兩相短路接地故障后斷路器TRV的研究，斷路器恢復(fù)電壓提高幅度可達(dá)15%-20%。盡管某些情況下斷路器的開斷電流和恢復(fù)電壓上升陡度不大，但仍可導(dǎo)致線路斷路器的TRV超標(biāo)。建議采取以下措施限制TRV的超標(biāo)：單相重合閘重合前先將故障相電容器旁路，再重合故障相，然后在判定為非性故障情況下再接入該相串補(bǔ)裝置；發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，采取線路斷路器和串補(bǔ)裝置的火花間隙及可控硅閥聯(lián)動措施，即要求線路兩側(cè)保護(hù)系統(tǒng)在啟動線路斷路器跳閘的同時，將串補(bǔ)的火花間隙擊穿，且使火花間隙在線路斷路器跳閘前放電。采取上述措施前后的線路斷路器各相斷口恢復(fù)電壓。

限制TRV超標(biāo)的關(guān)鍵措施是成功旁路串聯(lián)補(bǔ)償電容器。如在開斷故障線路前旁路短接電容器，則該線路就成為無串補(bǔ)的普通線路，斷路器上的恢復(fù)電壓自然就降下來。一般在線路潮流較重或距離串補(bǔ)較近處發(fā)生故障時，通過MOV的電流或其吸收的能耗超過電流和能量啟動值可強(qiáng)制觸發(fā)火花間隙，使電容器退出。但在串補(bǔ)所在線路的某些地方發(fā)生短路故障時，如惠水—河池線路0-70km范圍內(nèi)發(fā)生三永故障時，由于串聯(lián)電容器殘余電荷的放電，河池側(cè)線路斷路器的TRV超標(biāo)，但此時MOV電流及MOV能量均未達(dá)到啟動值，不會觸發(fā)火花間隙。
建議在判斷為區(qū)內(nèi)故障時，立即強(qiáng)制觸發(fā)旁路間隙，退出串補(bǔ)電容器，這將是解決線路斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓超標(biāo)的有效方法。但需注意，強(qiáng)制觸發(fā)旁路火花間隙要求間隙兩端電壓大于火花間隙的觸發(fā)電壓。
從確保區(qū)內(nèi)故障時成功觸發(fā)火花間隙的角度來講，串補(bǔ)裝置的間隙觸發(fā)電壓應(yīng)低一些。但此值還受到其他因素(如間隙的自放電電壓)的牽制?；鸹ㄩg隙的觸發(fā)電壓和間隙的自放電電壓密切相關(guān), 前者隨后者的增減而增減。為使強(qiáng)制觸發(fā)成功，觸發(fā)電壓應(yīng)低一些，但自放電電壓不能過低，既是為了減小誤放電的危險，間隙自放電電壓受氣壓、溫度、電壓波形因素的影響而有所變化；又是為了間隙在流過故障電流后迅速去游離、恢復(fù)介質(zhì)強(qiáng)度和縮短必需的無電壓時間。

7 結(jié)論及建議
隨著西電東送工程的逐步實施，我國電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模必將得到進(jìn)一步的發(fā)展，串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置可能在我國電網(wǎng)中進(jìn)一步得到應(yīng)用。在串補(bǔ)工程規(guī)劃設(shè)計期間必須對其可能引發(fā)的過電壓、潛供電流、SSR及線路斷路器TRV等系統(tǒng)問題進(jìn)行深入研究，本文以南方電網(wǎng)河池FSC及平果TCSC實際工程為例，對串補(bǔ)工程中可能出現(xiàn)的有關(guān)系統(tǒng)問題提出以下的解決措施及建議：
(1)由于串補(bǔ)裝置將影響其所在輸電線路沿線的電壓特性，因此需結(jié)合已建線路上的高抗位置校核增加串補(bǔ)后是否導(dǎo)致某些地點電壓超過運行要求。并在滿足輸送容量及系統(tǒng)穩(wěn)定水平的前提下，認(rèn)真比選線路的串補(bǔ)度，以避免新增加的電容器容抗與已安裝的高壓并聯(lián)電抗器的感抗之間的參數(shù)配合不當(dāng)而引發(fā)的工頻諧振過電壓問題。
(2)裝設(shè)并聯(lián)電容的輸電線路上發(fā)生接地故障時，在故障相兩側(cè)開關(guān)跳閘的同時(無論故障相MOV能耗或電流是否超過整定值)均要求立即將旁路斷路器閉合，以避免出現(xiàn)較大幅值的低頻放電暫態(tài)分量。
(3)串補(bǔ)所在輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時，故障相兩側(cè)斷路器跳閘后，立即強(qiáng)制觸發(fā)旁路間隙，將旁路斷路器閉合，以避免線路斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓超標(biāo)。
(4)隨著電網(wǎng)的發(fā)展，不能排除在串補(bǔ)站近區(qū)出現(xiàn)新的火電機(jī)組的可能性。因此在串補(bǔ)工程建設(shè)初期，可考慮在串補(bǔ)站內(nèi)裝設(shè)抑制或監(jiān)視次同步諧振的二次裝置，或預(yù)留相應(yīng)監(jiān)控裝置的接口以使串補(bǔ)站對系統(tǒng)發(fā)展具有一定的適應(yīng)性。