特高压串联补偿技术在1000kV南阳开关站的应用

张建锋，张斌，周亚辉，高士涛，贾炜，龚春亭，李冬焱

(1.河南送变电建设公司，郑州市 450051;2.国家电网公司直流建设分公司宜昌建设部，湖北省宜昌市 443005;3.平高集团有限公司，河南省平顶山市 467001)

0 引言

1000kV南阳开关站扩建工程是1000kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程扩建工程的重要组成部分，特高压串补装置作为此扩建工程的重要设备，首次应用了特高压串补技术。特高压串补技术提升了特高压线路的输送能力，提高了特高压线路的运行效率和经济性;延缓或避免了新特高压通道的建设，为未来电网的发展预留了空间［1］。

输电线路中采用串联补偿，能够降低输电系统的电抗，缩短送受端的电气距离，提高线路的输电能力［2］。南阳站串补区域分为荆门串补区和长治串补区2个部分。荆门串补区采用单相双平台设计;长治串补区为单相单平台设计，线路对侧也设有串补装置。在南阳站共有9个串补平台。本文结合1000kV南阳开关站扩建工程，介绍特高压串补设备在南阳开关站中的应用，分析串补施工和调试中遇到的问题，并提出了解决问题的措施。

1 特高压串补技术的优点

串联补偿技术是将电容器组串联于交流输电线路中，用于补偿交流输电线路的电抗，其结构如图1所示。

图1 串联补偿技术Fig.1 Series compensation technology

图1中:P为线路输送功率;UA为线路首端功率;UB为线路末端功率;δA和δB为对应的功角。若线路电抗为X，串联补偿电抗为XC，则

由式(1)可以看出，输送功率与线路电抗成反比，而1000kV晋东南—南阳—荆门特高压线路串补的补偿度为40%，即加装串补后线路电抗缩短40%，X－XC=0.6X。若线路不带串补时输送功率为P1，串补后输送功率为 P2，则 P2=5/3 P1，而原设计最大输送功率P1=3000MW，所以装设串补后能使线路的输送功率从3000MW提高到5000MW。

1000kV南阳开关站扩建工程在系统调试期间，进行串补大负荷试验时，线路负荷可在5000MW左右稳定运行，最大负荷可以达到5300MW。这说明特高压串补技术在提高输送功率的实际应用中取得了成功。

在输送功率相同的条件下，串联补偿也改善了系统稳定性，如图2所示，其中P0为系统原动机输出的机械功率，δ=δA－δB，发电机输送到系统中的功率P=(UAUBsinδ)/X［3］。

图2 投入串补前后系统的功角特性曲线Fig.2 Power angle curves before and after series compensation

由图2可以看出，投入串补后，由于系统的电抗减小，系统的功率特性曲线由P1转为P2，系统的静稳定极限由3000MW提高到5000MW;投入串补也使系统发生大扰动时的减速面积增加，从而提高了系统的暂态稳定性［4-5］。

2 特高压串补设备的应用

1000kV南阳开关站串补平台的主要设备包括串补电容器C、金属氧化物限压器(metal oxide voltage limiter，MOV)、火花间隙、阻尼装置L及旁路开关 B等，其接线如图3所示。

图3 串补装置接线Fig.3 Wiring principle of series compensation device

图3中，串联补偿电容器是串联补偿装置的核心设备，串联于交流输电线路中，缩短了系统间的电气距离，提高了输送功率;其余主要设备是对串补电容器组进行保护及投切控制。

串补电容器的过电压保护，直接关系到串补站的安全稳定运行［6-7］。MOV是电容器组的主保护设备，当系统发生故障引起电容器组过电压时，MOV利用其自身的非线性伏安特性，能够将电容器的过电压水平限制在设计范围之内。火花间隙是电容器组的后备保护，也是MOV的主保护设备;当系统发生严重故障、MOV不足以限制电容器的过电压时，火花间隙将自动触发使电容器放电以减小过电压水平，同时也保护了MOV。通常情况下火花间隙很难自动触发，因为即使电力系统发生一般性故障，串补的控保系统也会在极短的时间内触发火花间隙，使电容器放电。阻尼装置包括阻尼电抗器和阻尼电容器，用以限制电容器的放电电流，以保护电容器组、火花间隙以及旁路开关免受放电电流的损伤［8-10］。旁路开关用于投切串补电容器组，同时在系统发生故障时，旁路开关可以迅速投入，将串补电容器退出，以保护电容器组。

在特高压南阳站扩建工程的系统调试中，长南I线带串补进行单相瞬时接地短路试验取得成功。长南串补录波系统显示，发生单相瞬时性接地后，火花间隙经13 ms触发成功，36 ms串补收到线路联动指令，55 ms合上旁路开关，1.4 s断开旁路开关，串补重投。

由以上分析可知，单相接地瞬间产生较大的短路电流，串补电容器组上将产生较高的过电压，串补控制保护系统立即发指令触发火花间隙，同时闭合旁路开关;长南I线线路保护拆开线路开关的同时，也发联动合旁路开关的指令;由于故障是瞬时性的，串补经延时后重投。

3 特高压串补二次系统的施工与调试

串补二次系统施工具有不同于其他变电二次系统施工的特点，主要表现在串补平台上的电缆施工。平台电缆施工工艺较复杂，且串补平台空间狭小，在施工时应合理利用。

(1)施工时应提前确定电缆长度，并将电缆和波纹管同时提升至平台，利用平台两侧的空间将电缆全部穿过波纹管。由于平台上的电缆槽盒设计紧凑，必须合理分配电缆路径，提前确定电缆的敷设顺序。在电缆路径附近的管母上用布包裹，防止波纹管在移动过程中损伤管母。敷设到位后，所有电流互感器(current transfonmer，CT)接线盒的波纹管应统一弯曲弧度，敷设效果如图4所示。

图4 串补平台上电缆敷设Fig.4 Cable laying on series compensation platform

串补平台上的CT包括电容器不平衡CT、MOV支路CT、电容器组支路CT、火花间隙支路CT、平台CT等，这些CT的二次侧通过电缆接到平台测量箱，在平台测量箱通过光电转换变为光信号，因此只能在平台上的测量箱处用继电保护仪将模拟量输入，来配合室内人员的调试工作。

串补装置的电容器组发生故障、旁路断路器失灵拒合时，串补装置旁路断路器失灵保护提供2个三跳节点分别接至相应的串内断路器保护柜，启动串内断路器操作箱的TJR继电器断开相应断路器，同时提供1个三跳节点至线路保护实现远跳功能。为限制串联补偿线路断路器断开短路故障时的瞬间过电压水平，线路保护动作跳闸时提供1套分相跳闸节点，就地判别装置提供1个三跳节点接至串补控制保护装置，联动触发火花间隙。

4 特高压串补设备安装

(1)串补平台设备安装高度高、平台质量大。1000kV南阳开关站串补平台高度为12 m，而500kV串补平台高度通常仅为6.5 m。平台高度的增加加大了平台上设备的安装难度，为使设备吊装到安装位置，必须由足够臂长和吨位的吊车来完成。1000kV南阳站串补平台由3根主梁、21根次梁、钢格栅及护栏组成，组装好的串补平台质量为68 t，是500kV串补站平台质量的5.6倍。为此南阳开关站专门在串补区域设置龙门吊，配合70 t吊车进行吊装。

(2)串补平台的设备数量较多。以电容器为例，1000kV南阳开关站单平台的电容器为768只，是500kV玉林串补站的6倍。

(3)安装质量和安装工艺要求高。作为特高压串补技术的首次应用，安装质量和安装工艺的要求较高，例如为确保平台上电容器组的水平度，要求同一塔的支柱绝缘子高度偏差控制在0.5 mm内［8］。

5 结语

本文结合特高压南阳开关站扩建工程，介绍了特高压串补技术的应用，并对串补设备施工、调试中的问题进行了分析，为类似串补工程的施工和调试工作提供了参考。

［1］周勤勇.李晶.串补和可控电抗器在特高压电网的应用［C］//特高压输电技术国际会议论文集.北京:国家电网公司，2009:36-38.

［2］马乃兵.串联补偿技术在我国的应用［J］.电力电容器，1998(4):15-18.

［3］范岩.从发电机功率特性谈提高电力系统稳定［J］.沿海企业与科技，2010(4):140-142.

［4］何仰赞.电力系统分析［M］.武汉:华中科技大学出版社，2002:96-98.

［5］中电普瑞科技有限公司.固定串联补偿［R］.北京:中国电力科学研究院，2011.

［6］陈喜鹏.500kV串联补偿过电压保护研究［D］.广州:华南理工大学，2010.

［7］周启文，潘勇斌.500kV串补系统中火花间隙系统研究［J］.高压电器，2012(8):23-24.

［8］黄国彬.1000kV南阳站串补平台设备安装方案研究［R］.郑州:河南省电力公司，2011.

［9］秦江波，时运端，黄国彬，等.1000kV南阳晋东南侧串补平台的现场安装技术［J］.电力建设，2012，33(1):101-104.

［10］万新梁，吴小颖.串联电容补偿技术的应用研究［R］.北京:北京国电华北电力工程有限公司，2010.