CN104659769A - 一种特高压串联补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种特高压串联补偿装置，包括：串联电容器、第一金属氧化物限压器MOV和至少两路放电支路；串联电容器串联在特高压输电线路上；第一MOV并联在所述串联电容器的两端；每路放电支路并联在串联电容器的两端构成串联电容器的放电电流的路径。通过增加串联电容器的放电支路来抑制串补的放电电流，增加放电支路相当于增加阻尼电感，使放电电流降低。从而在相同串联电容器参数以及串联电容器电压下，降低了串联电容器经过火花间隙、阻尼电感等元件时的放电电流的幅值。在特高压输电线路上，便可以降低串补火花间隙研制难度，缩短火花间隙绝缘性能恢复时间，缩短串联电容器在故障后重新投入的时间，有利于提高特高压输电系统的稳定性。

Description

一种特高压串联补偿装置

技术领域

本发明涉及输电线路补偿技术领域，特别涉及一种特高压串联补偿装置。

背景技术

串联补偿装置是在输电线路中串联电容器，通过电容器的容抗补偿输电线路感抗的阻抗补偿方式从而缩短线路的等值电气距离，减少功率输送引起的电压降和功角差，从而提高电力系统稳定性，增大线路输送容量。

目前，超高压输电线路中采用的串联补偿装置，在火花间隙放电电流不超过120kA，可以满足现有设备设计、试验和制造能力的要求。

但是，当电压上升至特高压等级后，现有研究表明，采用该结构时，特高压输电线路发生最严重区内故障时，串补火花间隙最大放电电流可超过150kA，利用现有技术中的超高压输电电路采用的串联补偿装置将不适用于特高压输电电路。

由于串补火花间隙为空气间隙，其放电电流幅值越高，在放电时对间隙电极的烧蚀越严重，在间隙电极所在空间内产生的热量也越高，使得间隙的绝缘性能恢复速度降低，耐受击穿电压的能力下降，使得线路故障消失后重新投入串补电容器的时间间隔延长，另外火花间隙放电电流太大对火花间隙设备设计制造及型式试验也会造成很大的困难。

因此，需要针对特高压输电线路提供一种串联补偿装置，使其对特高压串补火花间隙放电电流起到有效的抑制作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种特高压串联补偿装置，能够对特高压输电线路串补火花间隙放电电流起到有效的抑制作用。

本发明实施例提供一种特高压串联补偿装置，包括：串联电容器、第一金属氧化物限压器MOV和至少两路放电支路；

所述串联电容器串联在特高压输电线路上；

所述第一MOV并联在所述串联电容器的两端；

每路所述放电支路并联在所述串联电容器的两端构成所述串联电容器的放电电流的路径。

优选地，所述放电支路包括阻尼回路和火花间隙；

所述阻尼回路和火花间隙串联。

优选地，所述阻尼回路包括：阻尼电阻、阻尼电感和金属氧化物限压器MOV；

所述阻尼电阻和MOV串联后与所述阻尼电感并联。

优选地，每个所述阻尼回路中各个元器件的参数不相同。

优选地，还包括一个旁路开关；

所述旁路开关并联在任意一个所述火花间隙的两端。

优选地，所述放电支路为两路。

优选地，还包括旁路隔离开关；

所述旁路隔离开关与所述串联电容器并联。

优选地，还包括串联隔离开关；

所述串联隔离开关通过所述串联隔离开关相串联后连接在特高压输电线路上。

优选地，所述阻尼电感为空心电抗器。

优选地，还包括分别设置在所述串联电容器两端的串联在输电线路上的断路器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过增加串联电容器的放电支路来抑制串补的放电电流，这是因为增加放电支路相当于增加了阻尼电感，这样可以使放电电流降低。从而在相同串联电容器参数以及串联电容器电压下，降低了串联电容器经过火花间隙、阻尼电感等元件时的放电电流的幅值。这样在特高压输电线路上，便可以降低串补火花间隙研制难度，缩短火花间隙绝缘性能恢复时间，缩短串联电容器在故障后重新投入的时间，有利于提高特高压输电系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中超高压或特高压采用的串联补偿装置示意图；

图2是本发明提供的特高压串联补偿装置实施例一示意图；

图3是本发明提供的特高压串联补偿装置实施例二示意图；

图4是特高压采用单个放电回路的串联补偿装置示意图；

图5是图3的串联补偿装置对应的发生区内三相短路故障时的串补火花间隙放电电流波形图；

图6是图4的串联补偿装置对应的发生区内三相短路故障时的串补火花间隙放电电流波形图。

具体实施方式

首先，为了使本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明实施例提供的技术方案，首先介绍本领域的几个基本概念。

串联补偿装置（以下简称串补）：一般由串联电容器、阻尼回路、火花间隙、旁路开关等组成，串联在输电线路中，使得输电线路的电气距离缩短，可以起到提高输电线路的输电能力、提高输电系统的稳定性等作用。

放电电流：是指加装串补的线路上发生故障时，串补间隙动作导通，串联电容器经阻尼回路进行放电产生的电流。

线路断路器断口瞬态恢复电压：是指线路上发生故障后，两侧断路器跳闸清除故障时，在断路器断口两侧形成的过电压，该电压与断路器电源侧、线路侧电压有关。当线路上装设串补时，由于串补电容器两端残压的作用，使得有串补线路的断路器断口瞬态恢复电压与无串补时相比要高。

根据特高压串补装置的过电压保护策略，将线路故障根据故障位置划分为区内故障和区外故障，其定义如下；

区内故障：指发生在该串补所在线路两侧断路器之间的故障。

区外故障：指发生在该串补所在线路两侧断路器之外的故障。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面首先介绍一种现有技术中典型的单电容器+单阻尼回路的串联补偿装置。

参见图1，该图为现有技术中超高压或特高压采用的串联补偿装置示意图。

该串联补偿装置包括：串联电容器C、保护用的金属氧化物限压器（MOV，Metal Oxide Voltage Limiter）、阻尼回路D、火花间隙S、旁路开关QF组成，此外还包括旁路隔离开关QS1、串联隔离开关QS2和QS3；

MOV是限制串联电容器C电压的主保护；火花间隙S是MOV和串联电容器C的后备保护；旁路开关QF是系统检修、调度的必要装置，同时也为火花间隙S及去游离提供必要条件；阻尼回路D则用于限制串联电容器C放电电流，防止串联电容器C、火花间隙S、旁路隔离开关QS1在放电过程中损坏。

特高压串补线路发生区外故障和区内故障时，对串补保护系统性能要求为：

（1）发生区外故障时，串补火花间隙和旁路开关不允许动作，不允许旁路串补；

（2）发生区内故障时，允许旁路串补，当串补MOV电流和能耗大小达到整定值时，控制系统就发出火花间隙旁路触发命令，同时命令旁路开关合闸，将串补和MOV旁路。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

首先介绍本发明提供的技术方案基于的基本原理。

串补线路发生严重区内故障时，串补火花间隙动作时，通过电容器、火花间隙的放电电流很大。

为了限制放电电流的幅值，确保串联电容器和火花间隙的安全运行，串补中一般都装设阻尼回路，目前常用的阻尼回路采用“电感+MOV串电阻型”，其由空心电抗器和带MOV（金属氧化物限压器）的串联电阻构成。

当串补火花间隙触发导通时，串补电容器上储存的能量经“串补电容器—阻尼回路的电阻、电感及MOV—间隙”回路放电，使得串补电容器的电场能转化为阻尼电感的磁场能以及阻尼电阻、阻尼MOV的热能，可以用如下公式表述：

$\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}^2=\frac{1}{2}L*I^2+E_R+E_{\mathrm{MOV}}\·\·\·\left(1\right)$

其中，C表示串联电容器，U表示串联电容器C两端的电压，L表示阻尼电感，I表示流经阻尼电感的电流，E_R表示阻尼电阻吸收的能量，E_MOV表示阻尼MOV吸收的能量。

公式（1）中，由于C是串联电容器的容值，是一个定值，而U是串联电容器两端电压，对于一定的特高压输电线路，其线路额定电流与超高压相比要高，而串联电容器C的容值则与超高压相当，因此特高压串联电容器两端电压与超高压相比要高，导致比现有技术中的超高压中的较大，这样将导致公式（1）右边中的电流I较大。本发明实施例提供的技术方案就是为了降低电流I的值。

通过合理配置阻尼电阻、电感参数，使得火花间隙放电电流的频率为工频的几倍，并且逐渐振荡衰减，火花间隙放电电流幅值的大小主要取决于串补电容器参数及其两端的过电压、阻尼回路电感参数。

本发明实施例提供的特高压串联补偿装置采用“单套或单段串补增加并联阻尼回路”的方法，相当于增大了阻尼电感、电阻的参数，根据公式（1），增加了公式（1）右边的L，由于公式（1）左边是一个定值，因此可以通过增加公式（1）右边中的L，从而有效降低串补电容器经火花间隙放电的电流幅值。

另外，本发明详细研究了为何通过在现有技术中提供的单电容器+单阻尼回路，即图1所示的基础上，单纯增加阻尼回路中电阻和/或电感的方法来降低公式（1）中的电流。下面分析为何该方案不能有效解决特高压中串补存在的问题。

尽管对“单电容器+单阻尼回路”结构采取增大阻尼回路电阻、阻尼电感的方法也可对降低火花间隙放电电流幅值起到一定效果，但其改变了电容器放电回路的参数，使得存在以下三方面的问题：

（1）增大阻尼回路的电阻时，串联电容器放电电流流经阻尼电阻时，将使阻尼电阻吸收的能耗增大，对电阻设备选型不利；

（2）增大阻尼回路的电感时，串联电容器放电时，由电容器、阻尼电感组成的放电回路谐振频率降低，放电电流衰减速度降低，使得放电电流出现高幅值的次数增加，延缓火花间隙的绝缘性能恢复速度，对火花间隙熄弧不利；

（3）增加阻尼回路电感时，当发生串补线路区内故障时，在线路两侧断路器跳闸清除故障时，由于串补电容器两端残压放电速度的降低，使得断路器断口的瞬态恢复电压幅值增大，增大断路器开断的难度，对断路器设备不利。

因此，如果采用不改变现有阻尼回路结构，而只是单纯依赖调整阻尼回路中电阻和/或电感参数的方法存在明显缺点，这种方式不可取。

实施例一：

下面结合附图介绍本发明提供的特高压串联补偿装置。

参见图2，该图为本发明提供的特高压串联补偿装置实施例一示意图。

本实施例提供的特高压串联补偿装置，包括：串联电容器C、第一金属氧化物限压器MOV和至少两路放电支路；

所述串联电容器C串联在特高压输电线路上；

所述第一MOV并联在所述串联电容器的两端；

每路所述放电支路并联在所述串联电容器的两端构成所述串联电容器的放电电流的路径。

需要说明的是，本发明实施例中不具体限定放电支路的个数，但是最少需要有两个放电支路，这样才可以对特高压串补火花间隙放电电流起到有效的抑制作用，仅用一个放电支路，放电电流太大，容易对器件产生损坏。可以理解的是，通过增加放电支路来实现对放电电流的分流，从而进行器件的保护。

下面以放电支路为两个为例进行介绍，如图2所示。

两个放电支路分别为第一放电支路200b和第二放电支路200a。

特高压输电线路的两端分别是甲站和乙站。

在靠近甲站一侧的输电线路上串联有第一断路器100a，在靠近乙站一侧的输电线路上串联有第二断路器100b。

设故障点如图2所示，发生在第一断路器100a和第二断路器100b之间，即发生的是区内故障。

本实施例提供的串联补偿装置包括串联电容器C、MOV和第一放电支路200b和第二放电支路200a。

其中，MOV和C并联，第一放电支路200b和C并联，第二放电支路200a和C并联。

MOV用于限制串联电容器C上的电压，第一放电支路200b和第二放电支路200a用于限制C的放电电流。

本实施例提供的特高压串联补偿装置，通过增加串联电容器的放电支路来抑制串补的放电电流，这是因为增加放电支路相当于增加了公式（1）中的L，这样可以使放电电流降低。从而在相同串联电容器参数以及串联电容器电压下，降低了串联电容器经过火花间隙、阻尼电感等元件时的放电电流的幅值。这样在特高压输电线路上，便可以降低串补火花间隙研制难度，缩短火花间隙绝缘性能恢复时间，缩短串联电容器在故障后重新投入的时间，有利于提高特高压输电系统的稳定性。

实施例二：

参见图3，该图为本发明提供的特高压串联补偿装置实施例二示意图。

本实施例提供的特高压串联补偿装置继续以两个放电支路为例进行介绍。

本实施例中，每个放电支路包括阻尼回路和火花间隙；如图3所示虚框内的结构是本实施例中所述的放电支路；

所述阻尼回路和火花间隙串联。

所述阻尼回路包括：阻尼电阻、阻尼电感和金属氧化物限压器MOV；

所述阻尼电阻和MOV串联后与所述阻尼电感并联。

对应图2，图3中同样串联电容器上边的放电支路为第二放电支路，下面的为第一放电支路。

第二放电支路包括第二阻尼回路和第二火花间隙S2；

第二阻尼回路包括第一电感L2、第二电阻R2和MOV2；

MOV2和R2串联以后与L2并联；

第二阻尼回路和S2串联构成C的放电回路；

其中放电电流的路径如图3中的虚线箭头所示。

同理，第一放电支路包括第一阻尼回路和第一火花间隙S1；

第一阻尼回路包括第一电阻R1、第一电感L1和MOV1；

需要说明的是，在阻尼回路中的MOV简称阻尼MOV。

MOV1和R1串联以后与L1并联；

第一阻尼回路和S1串联构成C的放电回路。放电电流的路径如图3中的虚线箭头所示。

需要说明的是，本发明实施例提供的特高压串联补偿装置中虽然包括至少两个放电支路，但是与串联电容器C并联的MOV（简称串补MOV）只有一个即可，另外，在其中一个放电回路的火花间隙两端并联一个旁路开关QS即可，不需要在每个放电支路的火花间隙两端均并联旁路开关。

需要说明的是，以上实施例中每个所述阻尼回路中各个元器件的参数可以不相同，也可以相同。例如图3中的第一阻尼回路和第二阻尼回路中的电阻阻值可以相同、电感值可以相同、MOV参数也相同。当然，也可以选择两个阻尼回路中的各个元器件的参数值不相同，以达到更好的技术效果。

可以理解的是，本发明实施例提供的特高压串联补偿装置，可以像图1那样包括旁路隔离开关；

所述旁路隔离开关与所述串联电容器并联。

还包括串联隔离开关；

所述串联隔离开关通过所述串联隔离开关相串联后连接在特高压输电线路上。

优选地，本发明以上实施例提供的阻尼回路中的所述阻尼电感可以为空心电抗器。

为了更好地说明本发明提供的技术方案的有益效果，下面结合仿真波形图进行分析。

首先参见图4，该图为特高压采用单个放电回路的串联补偿装置示意图。

对照图4和图3，可以看出，图3中仅有一个放电电流的回路，包括一个阻尼回路和一个火花间隙。而图4中包括两个放电电流的回路，对应两个阻尼回路和两个火花间隙。

参见图5，该图为图3的串联补偿装置对应的发生区内三相短路故障时的串补火花间隙放电电流波形图。

参见图6，该图为图4的串联补偿装置对应的发生区内三相短路故障时的串补火花间隙放电电流波形图。

图5和图6的横坐标均为时间，单位为毫秒ms，纵坐标均为间隙放电电流，单位为安培A。

图5中的最大放电电流发生在负半波，放电电流的最大幅值达到了157.7kA，放电电流的频率为6倍的工频。

图6中的最大放电电流发生在正半波，放电电流的最大幅值为99kA。

通过图5和图6的比较，图6的放电电流的最大幅值比图5的放电电流的最大幅值降低了58.7kA，降幅为37.2%。

显然，从数值上可以明显看出在特高压输电线路中采用两个放电支路比采用一个放电支路时的放电电流得到了有效抑制。可以理解的是，可以根据需要设置多个放电支路，但最少需要设置两路放电支路，来泄放C的放电电流。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种特高压串联补偿装置，其特征在于，包括：串联电容器、第一金属氧化物限压器MOV和至少两路放电支路；

所述串联电容器串联在特高压输电线路上；

所述第一MOV并联在所述串联电容器的两端；

每路所述放电支路并联在所述串联电容器的两端构成所述串联电容器的放电电流的路径。

2.根据权利要求1所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，所述放电支路包括阻尼回路和火花间隙；

所述阻尼回路和火花间隙串联。

3.根据权利要求2所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，所述阻尼回路包括：阻尼电阻、阻尼电感和金属氧化物限压器MOV；

所述阻尼电阻和MOV串联后与所述阻尼电感并联。

4.根据权利要求3所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，每个所述阻尼回路中各个元器件的参数不相同。

5.根据权利要求2-4任一项所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，还包括一个旁路开关；

所述旁路开关并联在任意一个所述火花间隙的两端。

6.根据权利要求1-4任一项所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，所述放电支路为两路。

7.根据权利要求1所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，还包括旁路隔离开关；

所述旁路隔离开关与所述串联电容器并联。

8.根据权利要求1所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，还包括串联隔离开关；

所述串联隔离开关通过所述串联隔离开关相串联后连接在特高压输电线路上。

9.根据权利要求3所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，所述阻尼电感为空心电抗器。

10.根据权利要求1所述的特高压串联补偿装置，其特征在于，还包括分别设置在所述串联电容器两端的串联在输电线路上的断路器。