基于empe的串聯(lián)補(bǔ)償電容器過電壓保護(hù)研究

基于empe的串聯(lián)補(bǔ)償電容器過電壓保護(hù)研究

0聯(lián)補(bǔ)償裝置河北北能源系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋中國北方和天津、天津和唐代的大型交流能源系統(tǒng)。它負(fù)責(zé)河北省的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，以及首都北京電氣的安全。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和研究表明,現(xiàn)有的“七橫三縱”超高壓骨干網(wǎng)架仍然存在著一些制約電網(wǎng)輸電能力的因素。影響冀北電網(wǎng)輸電能力的因素主要有遠(yuǎn)距離大容量輸電引起的暫態(tài)穩(wěn)定問題、受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題等。串聯(lián)補(bǔ)償裝置是提高冀北電網(wǎng)500kV交流輸電通道輸電能力的一個(gè)有效措施。根據(jù)國內(nèi)外已投運(yùn)串聯(lián)補(bǔ)償工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),在輸電線路上加裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置能充分利用現(xiàn)有的輸電走廊資源,節(jié)約輸電工程總投資,近期內(nèi)能盡快提高線路輸送能力和穩(wěn)定運(yùn)行水平,建設(shè)工期短,對(duì)遠(yuǎn)期也具有較好的適應(yīng)性。冀北電網(wǎng)已先后在大—房500kV輸電線路、豐—萬—順500kV輸電線路萬全串補(bǔ)站裝設(shè)了補(bǔ)償度為40%~50%的串聯(lián)電容補(bǔ)償設(shè)備。2010年還在沽源500kV開關(guān)站加裝沽—平串聯(lián)補(bǔ)償裝置和汗—沽串聯(lián)補(bǔ)償裝置,對(duì)于提高蒙西向冀北電網(wǎng)的送電容量,確保張家口壩上風(fēng)電電力的可靠送出具有重要的意義,對(duì)于提高冀北電網(wǎng)西電東送能力,確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要的作用。。串聯(lián)補(bǔ)償裝置的過電壓保護(hù)直接關(guān)系到串補(bǔ)站的投資和設(shè)備的安全運(yùn)行,是工程設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán)。本文針對(duì)冀北電網(wǎng)某500kV串聯(lián)補(bǔ)償工程分析了串聯(lián)補(bǔ)償裝置過電壓保護(hù)方案,利用電磁暫態(tài)仿真軟件EMTPE建立了串聯(lián)補(bǔ)償裝置過電壓計(jì)算模型,初步確定了金屬氧化物限壓器MOV的保護(hù)啟動(dòng)閾值、MOV最大能耗水平和阻尼電阻熱容量等相關(guān)技術(shù)參數(shù)。1串聯(lián)補(bǔ)償裝置線路為便于模擬計(jì)算研究,對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償裝置所在500kV電網(wǎng)進(jìn)行等值簡(jiǎn)化,等值系統(tǒng)接線圖如圖1所示。圖1中方框部分為本文研究的串聯(lián)補(bǔ)償裝置系統(tǒng),其中500kV串補(bǔ)線路長(zhǎng)238km,為緊湊型線路,導(dǎo)線型號(hào)為6×LGJ-300/40。串補(bǔ)站位于串補(bǔ)線路的送端,串補(bǔ)電容器額定電容值為153.9μF,額定容抗為35.7Ω,額定電壓為107.5kV,額定電流為2.4kA,串補(bǔ)度為40%。2mov保護(hù)方案串聯(lián)補(bǔ)償裝置過電壓保護(hù)措施主要有單火花間隙保護(hù)、雙火花間隙保護(hù)和金屬氧化物限壓器MOV保護(hù)?，F(xiàn)在新建的串補(bǔ)站大多數(shù)采用MOV保護(hù)方案[8,9,10,11,12,13,14],原因如下:(1)高性能MOV制造技術(shù)日益成熟;(2)故障后串聯(lián)補(bǔ)償裝置再接入時(shí)間短,有利于提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平;(3)其電壓-電流非線性特性有利于降低故障時(shí)流過電容器的短路電流和電容器過電壓水平。MOV保護(hù)方案可分為無火花間隙MOV保護(hù)和帶火花間隙MOV保護(hù)。無火花間隙MOV保護(hù)方案不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng),串聯(lián)補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,但由于僅靠MOV來限制過電壓,MOV能耗允許水平較高,使用于短路電流水平較小的系統(tǒng)。帶火花間隙MOV保護(hù)可以通過控制火花間隙和旁路斷路器來旁路串補(bǔ)電容器和MOV,有利于降低MOV的能耗需求,適用于大短路電流的系統(tǒng),同時(shí)還具備后備保護(hù)功能,但其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。本文研究的500kV串聯(lián)補(bǔ)償裝置擬采用帶火花間隙MOV保護(hù)方案,其單相接線圖如圖2所示。圖2中,C為串聯(lián)電容器組;MOV為金屬氧化物限壓器,當(dāng)串補(bǔ)線路出現(xiàn)較大的短路電流時(shí),MOV利用其電壓—電流強(qiáng)非線性特性將電容器電壓限制在設(shè)計(jì)水平內(nèi),是串聯(lián)補(bǔ)償裝置過電壓保護(hù)的最主要設(shè)備;GAP為并聯(lián)火花間隙,是MOV和電容器組的后備保護(hù)設(shè)備,當(dāng)MOV放電電流或能量超過各自的啟動(dòng)閾值時(shí),控制系統(tǒng)將觸發(fā)火花間隙以旁路電容器組和MOV;D為阻尼回路,用于限制電容器旁路時(shí)的放電電流,防止電容器組、火花間隙、旁路斷路器在放電過程中被損壞;QF為旁路斷路器,用于旁路串補(bǔ)電容器和保護(hù)火花間隙,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(shí)發(fā)旁路斷路器命令,為火花間隙滅弧及去游離提供必要條件;QS為旁路隔離開關(guān)。3由于mov的能耗研究3.1火炬間隙觸發(fā)控制策略電力系統(tǒng)故障時(shí)主要依靠MOV來限制串補(bǔ)電容器過電壓,同時(shí)MOV將吸收一定的能耗,為確保MOV能夠安全運(yùn)行,MOV的最大允許能耗應(yīng)大于故障時(shí)MOV可能的最大吸收能耗,因此有必要對(duì)MOV的能耗需求進(jìn)行研究。MOV能耗需求研究是為了:(1)確定火花間隙觸發(fā)的有關(guān)閾值,即啟動(dòng)電流和啟動(dòng)能耗;(2)確定各種區(qū)內(nèi)、外故障情況下MOV可能的最大吸收能耗。對(duì)于采用帶火花間隙MOV保護(hù)方案的串聯(lián)補(bǔ)償裝置,其火花間隙的觸發(fā)控制策略將直接關(guān)系到故障期間MOV的能耗水平,在很大程度上決定MOV的造價(jià)。區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障過程中火花間隙的觸發(fā)控制策略簡(jiǎn)要分析如下。發(fā)生在串聯(lián)補(bǔ)償裝置所在線路兩端的線路斷路器之間的故障,稱為區(qū)內(nèi)故障,反之則稱為區(qū)外故障。區(qū)內(nèi)故障時(shí),串補(bǔ)電容器上可能出現(xiàn)較大的短路電流和較高的過電壓,MOV利用其強(qiáng)非線性特性將電容器兩端電壓限制在允許水平以內(nèi),當(dāng)MOV放電電流或能耗到達(dá)一定水平時(shí),觸發(fā)火花間隙旁路串補(bǔ)電容器和MOV,進(jìn)一步限制電容器過電壓和MOV能耗。區(qū)外故障時(shí),火花間隙的控制策略選擇與火花間隙動(dòng)作時(shí)延和故障后電容器再接入時(shí)間密切相關(guān)。對(duì)于固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置通常采用“區(qū)外故障火花間隙不觸發(fā)”的控制策略[11,14,15,23,24,25],這是因?yàn)?(1)故障后電容器再接入時(shí)間較長(zhǎng)(80~100ms),采用該控制策略有利于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平;(2)該控制策略下,為了躲開區(qū)外故障時(shí)的最大MOV電流和能耗,MOV啟動(dòng)閾值較大。MOV能耗與啟動(dòng)閾值和旁路電容器的動(dòng)作時(shí)延有關(guān)。當(dāng)區(qū)外故障不觸發(fā)而發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),啟動(dòng)閾值越大、動(dòng)作時(shí)延越長(zhǎng),MOV能耗將越大。但是,區(qū)內(nèi)故障時(shí)固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置從發(fā)保護(hù)性旁路命令到火花間隙觸發(fā)旁路電容器的生效時(shí)延較短(約0.3~1.0ms),MOV的最大能耗與MOV啟動(dòng)能耗差別不大,不會(huì)造成MOV能耗大幅度提高。綜上所述,本文所研究串聯(lián)補(bǔ)償裝置的火花間隙觸發(fā)控制基本策略可擬定為:區(qū)內(nèi)故障時(shí)火花間隙可以觸發(fā);區(qū)外故障時(shí)間隙一般不觸發(fā)。根據(jù)火花間隙觸發(fā)控制的基本策略,為避免區(qū)外故障時(shí)火花間隙誤動(dòng)作,MOV觸發(fā)火花間隙的電流閾值和能耗閾值(以下簡(jiǎn)稱啟動(dòng)電流和啟動(dòng)能耗)應(yīng)超過各種區(qū)外故障過程中MOV的最大電流和最大能耗。3.2mov放電電流大小和故障持續(xù)時(shí)間的影響因素本文利用電磁暫態(tài)仿真程序EMTPE建立串聯(lián)補(bǔ)償裝置過電壓仿真模型,通過區(qū)外故障計(jì)算確定MOV啟動(dòng)電流和啟動(dòng)能耗,通過區(qū)內(nèi)故障計(jì)算確定MOV最大能耗。故障過程中MOV能耗大小與MOV放電電流大小和故障持續(xù)時(shí)間有關(guān)。其中,MOV電流大小與串聯(lián)補(bǔ)償裝置額定電流、額定容抗、過電壓保護(hù)水平和短路電流大小有關(guān);而故障持續(xù)時(shí)間則主要受故障切除時(shí)間、重合閘采用情況、斷路器是否失靈和火花間隙動(dòng)作時(shí)延的影響。在上述影響MOV能耗的因素中,有確定性因素(如額定參數(shù)、保護(hù)水平等),也有隨機(jī)性因素(如短路電流)。MOV設(shè)計(jì)時(shí)考慮了其容量必須能夠承受兩次持續(xù)時(shí)間為100ms的單相短路故障或一次持續(xù)時(shí)間為100ms的三相短路故障,同時(shí)還應(yīng)該考慮可能出現(xiàn)的斷路器失靈情況(后備保護(hù)在一定時(shí)間后清除故障)。3.3交流系統(tǒng)故障影響為避免區(qū)外故障時(shí)火花間隙動(dòng)作,MOV啟動(dòng)電流和啟動(dòng)能耗應(yīng)大于區(qū)外故障過程中MOV的最大電流和最大能耗。短路故障發(fā)生時(shí)刻具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,而短路時(shí)刻(相位)對(duì)短路電流中的直流分量影響很大,從而間接影響了MOV電流和能耗。對(duì)短路故障采用統(tǒng)計(jì)分析方法,統(tǒng)計(jì)次數(shù)為100次,單相短路時(shí)相位在360°內(nèi)按均勻分布規(guī)律隨機(jī)分布,三相短路時(shí)三相相位差在180°內(nèi)平均分布。區(qū)外主要故障點(diǎn)發(fā)生單相、三相短路故障,在100次統(tǒng)計(jì)計(jì)算中,串聯(lián)補(bǔ)償裝置MOV電流和能耗的最大值見表1。由表1可以看出,區(qū)外故障時(shí)MOV最大電流和最大能耗均出現(xiàn)在串補(bǔ)線路單回運(yùn)行、受端母線發(fā)生三相接地短路時(shí),MOV最大電流和最大能耗分別為8.50kA和9.76MJ?？紤]一定的裕度,MOV啟動(dòng)電流和啟動(dòng)能耗可分別整定為9.80kA和10.5MJ。3.4故障類型及最大能耗區(qū)內(nèi)故障時(shí),若流過電容器的短路電流較大(如故障點(diǎn)在串聯(lián)補(bǔ)償裝置線路側(cè)出口不遠(yuǎn)處),MOV放電電流大于啟動(dòng)閾值,并聯(lián)火花間隙將很快觸發(fā)旁路電容器,此時(shí)MOV吸收能耗的時(shí)間較短;若流過電容器的短路電流較小(如故障點(diǎn)在串聯(lián)補(bǔ)償裝置線路側(cè)出口對(duì)側(cè)),MOV電流較小,則可能無法由MOV電流直接快速觸發(fā)火花間隙,火花間隙動(dòng)作較慢,MOV吸收能耗時(shí)間較長(zhǎng)。而MOV能耗是由MOV電流和持續(xù)時(shí)間決定的,MOV電流和能耗最大值并不一定是同時(shí)出現(xiàn)的,因此,在確定MOV最大能耗時(shí)需要考慮沿線各點(diǎn)發(fā)生故障的情況,故障類型主要考慮單相短路和三相短路。經(jīng)計(jì)算,區(qū)內(nèi)故障各電氣量最大值見表2,區(qū)內(nèi)故障時(shí)串聯(lián)補(bǔ)償裝置MOV電流和能耗隨故障點(diǎn)至串補(bǔ)線路側(cè)出口處距離的變化如圖3~4所示。本次計(jì)算中火花間隙動(dòng)作時(shí)延為1ms。由表2可以看出,串聯(lián)補(bǔ)償裝置MOV的最大電流值為29.08kA,最大能耗值為13.50MJ。相應(yīng)的故障條件為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)在串補(bǔ)線路側(cè)出口處發(fā)生單相接地故障并重合于單相接地故障。由圖3可以看出,三相區(qū)內(nèi)故障和單相區(qū)內(nèi)故障MOV電流最大值均出現(xiàn)在串補(bǔ)線路側(cè)出口處,且隨離故障點(diǎn)距離增大而降低。由圖4可以看出,單相區(qū)內(nèi)故障時(shí)MOV能耗最大值出現(xiàn)在串補(bǔ)線路側(cè)出口處,與電流峰值處為同一故障點(diǎn)。而且,故障點(diǎn)離串聯(lián)補(bǔ)償裝置距離越遠(yuǎn),MOV能耗越低;三相區(qū)內(nèi)故障時(shí)MOV能耗最大值出現(xiàn)在串補(bǔ)線路的中間。需要說明的是,這里的單相短路考慮了重合閘情況,相當(dāng)于兩次單相短路故障,所以圖4中MOV最大能耗值出現(xiàn)在單相短路故障,而不是三相短路故障。而在單次短路故障中,一般三相接地時(shí)的MOV能耗和峰值電流都要高于單相接地時(shí)的MOV能耗和峰值電流。在單次短路故障過程中,MOV能耗最大值是出現(xiàn)在串補(bǔ)線路的中間,而不是出現(xiàn)在串聯(lián)補(bǔ)償裝置的線路側(cè)出口處,這是因?yàn)橥瑫r(shí)采用了MOV電流判據(jù),提高了近區(qū)故障時(shí)旁路串聯(lián)補(bǔ)償裝置的速度,從而減少近區(qū)故障的持續(xù)時(shí)間和MOV吸收能耗。為確保電容器、旁路斷路器和火花間隙的安全運(yùn)行,火花間隙觸發(fā)后通過阻尼回路旁路電容器,阻尼回路的主要作用是限制電容器放電電流。在電容器旁路過程中阻尼電阻將吸收一定的能耗。區(qū)內(nèi)故障時(shí)阻尼電阻能耗隨故障點(diǎn)的變化如圖5所示。由圖5可以看出,由于單相短路考慮單相重合閘情況,故最大能耗值同樣出現(xiàn)在單相短路時(shí)。區(qū)內(nèi)故障過程中阻尼電阻吸收的最大能耗為5.47MJ,其熱容量可選取為6.00MJ。4仿真模型建立本文針對(duì)冀北電網(wǎng)某500kV串聯(lián)補(bǔ)償工程,在分析了過電壓保護(hù)方案的基礎(chǔ)上,提出采用帶火