赵成运 秦艳伟 高辉 李永亮
（山西省电力公司检修公司特高压长治站 山西长治 046000）
摘要：本文介绍了1000kV固定串联补偿装置在特高压长治站的应用情况，介绍了1000kV固定串补的运行维护要点，并对1000kV固定串联补偿装置的实际运行情况进行了分析。
关键词：1000kV 串补装置；特高压；电容器组；运行维护
ABSTRACT：This paper introduces the application of 1000kV fixed series compensation in UHV changzhi substation. The actual operation maintenance of the 1000kV fixed series compensation device were analyzed.
KEY WORD: 1000kV Fixed series compensation; UHV; Capacitor bank; Operation maintenance
1 固定串联补偿装置概述
对于长距离输电线路，其输电能力主要取决于线路的稳定极限，采用串联补偿装置可使系统稳定极限大幅度提高，从而提高1000kV特高压线路的输电能力。串联补偿装置使线路的等效感抗降低，缩短了电气距离，提高线路的输送功率极限，提高输送功率。串补装置使线路两端电压的相角差变小，抗干扰裕度增大，从而提高线路的输送能力，提高系统的稳定性和抗扰动能力。串联补偿装置能够改善系统的运行电压和无功平衡条件，改善电压质量，抑制次同步谐振。串补技术在远距离、大容量输电中的应用，可减少输电线路回路数，节约线路走廊用地，从而节省投资。由于串补技术性能优越，投资省，见效快，所以串补技术在电力系统，特别是大容量、远距离输电系统中得到广泛的应用。
1.1 串联补偿装置基本原理
图1 串联补偿装置原理图
如图1，串联补偿装置将电容器组串联于输电线路中，用电容器组的容抗XC，抵消一部分线路感抗XL，使线路的等效感抗大大降低，缩短了电气距离，提高线路的输送功率极限，从而提高长距离输电线路的输送功率。
同一条线路，在保持线路两端母线电压U1、U2，以及相位角ψ1、ψ2不变的情况下，减小线路感抗XL可以提高输送容量。按特高压线路补偿度k为40%算，线路的稳定输送功率将可以提高1/(1-0.4)即1.67倍，从之前理论计算的3400MW提高到5668MW。补偿度k与线路输送容量提高倍数的关系见图2。
图2 补偿度与输送容量提高倍数的关系
2 特高压长治站1000kV固定串补装置
1000kV长治--南阳--荆门特高压交流试验示范工程于2008年12月正式投入商业运行，是我国也是世界首条投入商业运行的特高压交流输电工程。该工程的起点长治站位于山西省长治市长子县石哲镇，目前规模为：1000kV主变压器2组，额定容量为3000MVA*2；1000kV交流出线1回，配置固定串联补偿装置1组，额定容量1500MVar；1000kV 高抗1组，额定容量960MVA；500kV交流出线5回。
特高压长治站投入运行以来，截止2015年3月19日累计安全稳定运行2335天，累计输送电量683.6亿千瓦时，其中华北送华中518.5亿千瓦时，产生了巨大的经济效益和社会效益，为1000kV特高压交流输电工程的大规模展开提供了大量的设计经验、运行维护经验、检修试验经验以及生产管理经验。
2011年11月特高压长治站1000kV固定串联补偿装置正式投入运行，成为世界上运行电压等级最高的固定串联补偿装置。该固定串补装置的投入运行，极大的提高了长南I线的输送容量，提高了特高压交流输电系统的稳定性。
1000kV长治—南阳—荆门特高压交流试验示范工程串补工程在1000kV长南I线（全长358.5km）及南荆I线（全长281.3km）上加装40%的固定串联补偿装置。长南I线1000kV串补装置按照分散布置原则，长治站和南阳站出线侧各装设20%固定串补装置；南荆I线1000kV串补装置按照集中布置原则，装设在南阳站线路侧，补偿度为40%，见图3。
图4 特高压长治站1000kV串补接线图
如图4所示，1000kV固定串联补偿装置一次设备主要由电容器组、金属氧化物限压器（MOV）、强制触发火花间隙(GAP)、阻尼装置（包含阻尼电抗器和阻尼电阻器）、旁路断路器、串联隔离开关、旁路隔离开关、CT及支撑平台组成。
2.1 串补电容器组
2.1.1 串补电容器组接线方式
电容器组用来抵消长距离输电线路的一部分感抗，安装在对地绝缘的串补平台上。1000kV长南Ⅰ线串补装置每相电容器组由8个电容器塔组成，采用双H型接线，见图6。长治站电容器组每塔4层，每层28台，每个电容器塔为8串14并接线，每相为16串56并共计896台电容器，具体接线方式见图7。长治站串补电容器组额定电压98.4kV，额定电流5080A，额定容量1500MVar，每相额定容抗19.38Ω，每相额定电容164.3μF，三相容抗不平衡度＜1%。
图5 特高压长治站1000kV串补三维效果图
图7 长治站串补一个电容器塔接线图
每个电容器单元采用单相、内熔丝、全膜结构，每个单元内部配有放电电阻，以便在10min内将电容器的电压自额定电压峰值降低到75V以下。整组设计采用双H桥接线方式，多台电容器单元通过串并联方式形成电容器组。
由于特高压电容器容量大，放电能量大，熔丝工作电压范围更宽，隔离要求高。电容器单元采用滚压一体化套管，无需任何焊接，避免了虚焊、假焊现象，降低了电容器单元套管漏油概率。
电容器组在出现个别电容器单元损坏时会导致各个桥臂支路电流的差异，因此可通过测量电容器组支路的不平衡电流来监视电容器组的运行的状态。长治站串补电容器组不平衡保护启动值508A，不平衡电流报警定值0.084‰，延时0.1s启动，不平衡低值保护定值0.108‰，延时1s启动，不平衡高值保护定值0.69A，延时0.1s启动。
2.1.2 串补电容器组的运行维护
（1）应定期对运行中的电容器组进行红外测温，电容器本体温升不得超过75K，三相数据比较温差不大于10K。
（2）每月进行1次串补装置电容器组母线及连接处检查，电容器应无渗漏、接头无变色、母线及连接引线无过热。
（3）每月进行1次电容器组双桥不平衡电流检查，超标时及时申请停电进行更换。
（4）每月进行1次电容器组外观、瓷绝缘检查，设备外部涂漆应无变色、外壳无鼓肚变形，瓷绝缘无破损裂纹、放电痕迹，表面清洁无异物。
2.2 串补金属氧化物限压器（MOV）
金属氧化物限压器（MOV）与电容器组并联，利用自身优异的非线性伏安特性，限制电容器组的工频过电压，是串补电容器组的主保护。正常运行工况下，MOV呈现高阻值，不导通。当流过电容器的电流超过正常范围，造成电容器电压过高时，MOV导通吸收电流能量，降低过电压，以保护串补电容器组。
图8 长治站1000kV串补MOV
特高压长治站串补MOV额定电压169.7kV，持续运行电压118kV，保护水平2.3p.u.，每相MOV并联单元数20，其中冗余数5，每相的能量吸收能力68.7MJ。
由于每套特高压串补MOV内部金属氧化物阀片数量达到7000多片，是同类型500kV串补设备的3倍，容量大、并联柱数多，要求更高的可靠性和单元质量稳定性。
特高压串补MOV容量高达百兆焦，并联柱数更多，对配平和均流要求更高。特高压串补MOV优化均流配片方法，并对其现场适用性进行研究，通过全面试验验证了均流效果。均流性能的提高，大大提高了MOV的能量吸收能力。
正常运行中的MOV仅有很小的泄漏电流，如果部分MOV阀片特性发生变化或损坏，仅依靠检测该电流进行判断比较困难。工程实际中采用的方法是将MOV分为两组，通过检测流过两组MOV的电流分布差异来判断MOV的工作状况。如果MOV出现配片、部分损坏等因素造成的两组特性不一致，一旦线路发生故障，就会出现一组MOV吸收能量多，另一组MOV吸收能量少的情况，进而导致MOV损坏、爆裂，甚至造成电容器组的损坏。所以必须通过MOV不平衡保护对两组MOV的特性进行监控。MOV间的最大不平衡电流不能超过10%，所有MOV的直流1mA电压偏差不得超过5%。
2.3 串补火花间隙GAP
火花间隙（GAP）能防止线路发生故障时串补金属氧化物限压器（MOV）过热而损坏，也可保护串补电容器组免受过电压的损害。火花间隙是MOV的主保护，是电容器组的后备保护，火花间隙与线路保护快速联动，可降低对线路开关TRV的要求。
2.3.1 火花间隙触发原理
当线路发生接地故障时，限压器MOV的动作可将串补电容器组的暂时过电压限制到2.3p.u.，在闪络间隙(被触发系统触发)放电前，暂时过电压将由串联连接的两个闪络间隙G1和G2平均承担，见图9，每个闪络间隙的过电压将达到1.15p.u.。
当间隙的控制电路接收到触发信号后，触发控制系统将同时向脉冲变压器T1和T2的初级绕组发出脉冲电流。通过感应，在脉冲变压器的二次绕组将产生高压脉冲，并通过绝缘电缆将此高压脉冲送往密封间隙TRIG1两球面电极上的火花塞，使火花塞放电。火花塞的放电火花将促使密封间隙TRIG1迅速放电。
密封间隙TRIG1放电后，均压电容器C1将通过限流电阻R1泄放电荷，这将导致闪络间隙G1的过电压迅速降低，而闪络间隙G2的过电压迅速升高。当闪络间隙G2的过电压上升到高于1.265p.u. 时，G2将出现自放电。G2的自放电又将导致G1的过电压迅速升高而出现自放电。G1和G2均放电后将通过阻尼回路使串补电容器组旁路。
长治站串补装置火花间隙系统整体绝缘水平410kV，间隙系统故障电流承载能力63kA，额定电压98.4kV，触发允许电压250kVp，工频自放电电压352kVp。
图9 长治站1000kV串补GAP触发原理图
特高压串补火花间隙通流能力为63kA/0.2s，峰值耐受 170kAp，对电极的耐烧蚀性能及间隙的整体机械结构提出了更高的要求。为了提高通流能力，采用耐烧蚀石墨材料作为间隙的主要通流电极，见图10。独特的电极设计使电弧旋转燃烧，避免电弧对电极的集中烧蚀，提高了电极的耐电弧烧蚀能力。通过试验验证，故障电流通流能力达63kA/0.5s。
图10 长治站1000kV串补GAP放电间隙结构图
特高压串补火花间隙绝缘恢复特性要求高，在通过63kA短路电流后，绝缘强度快速恢复至1.8p.u.。设备设计时对主间隙进行了燃弧特性仿真计算，优化续流间隙电极外形和尺寸，降低燃弧能量。通过气流场计算机仿真分析，优化间隙壳体设计，改善气流场分布，有利于恢复特性的提高。
2.3.2 火花间隙的运行维护
（1）主间隙的间隙外壳、支撑绝缘子、穿墙套管、各电极以及均压电容器等其它零部件的外观检查，确认无破损和漏油情况。
（2）实测各均压电容器、分压器低压臂电容器、穿墙套管的电容值，实测高绝缘脉冲变压器高、低压绕组间的电容，并与首次安装时的历史记录值对比，以确认其是否完好。如电容值发生了显著变化(变化量大于10%)，应及时更换备品。
（3）如果石墨电极表面有灼烧痕迹，需用锉刀和砂布小心打磨，使其表面平整、光滑后再用布擦拭干净。在检修维护时，间隙外壳内人员和工具的总重量应不超过150kg。
2.4 串补旁路断路器
旁路断路器与隔离开关配合，可以进行串补装置的投入和快速退出的操作。线路故障时，旁路断路器合闸后，可使火花间隙电弧迅速熄灭，防止火花间隙燃弧时间过长，保护串补电容器组、MOV及GAP设备，是串补装置内最后一级保护措施。
2.4.1 特高压旁路断路器特点
特高压串补旁路断路器采用瓷柱式SF6断路器，对地绝缘按1100kV设计，断口电压由串联电容器组端电压和保护水平决定。串补旁路断路器要求尽可能短的合闸时间，合闸时间≤35ms。与500kV串补用旁路开关相比，断口距离增大近一倍，合闸速度更快，加之瓷柱高达10米，机械强度和稳定性要求更高。
特高压串补旁路断路器额定电流6300A，几乎达到了瓷套式灭弧室的极限水平。额定关合电流160kAp，对触头耐烧蚀能力要求更高，且对试验条件要求高；重投入电流10kA，恢复电压390kVp，对抗重击穿能力要求高，而500kV同类型设备为5kA/230kVp。
2.5 串补阻尼装置
串补阻尼装置用来限制电容器组放电电流的幅值和频率，使其很快衰减，减小放电电流对电容器组、旁路开关和保护间隙的损害，并快速吸收电容器组放电能量。阻尼装置可以迅速泄放电容器组残余电荷，避免电容器组残余电荷对线路断路器恢复电压及线路潜供电弧等产生不利影响。
2.5.1 阻尼装置结构、特性
特高压长治站阻尼装置额定电感每相为1.683 mH，额定电阻单相 4.5Ω，工频耐受电压325 kV(rms)，MOV参考电压23.5 kV(rms)，热容量21 MJ。
特高压串补阻尼装置与500kV设备相比，额定电压、放电电流、热容量参数均增加一倍多，因此工程实际采用电抗器加MOV串电阻器的制造方式。阻尼装置包括阻尼电抗器和阻尼电阻器两部分，见图11。其中，阻尼电阻器用来快速吸收电容器组放电能量，由MOV 和线性电阻两部分串联组成，MOV 仅在电容器组放电过程中瞬时投入和退出线性电阻，可以避免线路电流流过线性电阻引起损耗，线性电阻和MOV共同吸收电容器组放电能量。
图12 长治站1000kV串补阻尼电阻器内部结构
阻尼电阻器每相由2 台并联组成，每台由2 个相同的单元串联组成，每个单元内部由2～3 柱芯体并联组成，每柱芯体包含线性电阻和MOV 两部分，见图12。每个单元封装在一个复合绝缘外套里，充干燥氮气并严格密封。线性电阻采用无感的陶瓷电阻片。
致谢
在本文的撰写过程中得到了妻子牛牧及女儿赵月萌的全力支持，也得到了特高压长治站全体同事的大力支持，在此向他们表示衷心的感谢。
参考文献
[1]张利生．高压并联电容器运行及维护技术[M]．北京：中国电力出版社，2006．
[2]刘振亚．特高压交流电气设备[M] 北京：中国电力出版社，2008．
[3]田秋松，张建毅，刘涛，等．大型串联电容器组在特高压固定串补中的应用[J]．电力电容器与无功补偿，2012，33(3)：33-38．
[4]黎林．并联电容器组不平衡保护整定值的确定[J]．电力电容器与无功补偿，2012，31(6)：4-7．
[5] [美]P.M. Anderson．电力系统串联补偿[M] 北京：中国电力出版社，2008．
[6]林福昌．高电压工程[M] 北京：中国电力出版社，2006．
[7]金立军，安世操，廖黎明，等．国内外无功补偿发展现状与发展趋势[J]．高压电器，2008，44(5)：463-465．
[8]盛国钊，严飞，姜胜宝，等．大容量电容器组桥差不平衡电流保护近视计算[J]．电力电容器与无功补偿，2009，30(2)：1-6．
作者简介：
赵成运(1982—)，男，山东滕州人，高电压与绝缘技术专业硕士，山西省电力公司检修公司特高压长治站工程师，从事1000kV特高压变电站运行维护及检修预试工作。
论文作者:赵成运,秦艳伟,高辉,李永亮
论文发表刊物:《电力设备》2016年1期供稿
论文发表时间:2016/4/14
标签：电容器论文; 长治论文; 间隙论文; 装置论文; 过电压论文; 特高压论文; 线路论文; 《电力设备》2016年1期供稿论文;