(1.云南省送变电工程公司，云南省昆明市，650216；
2. 荣信电力电子股份有限公司，辽宁省鞍山市，114000)
摘要：固定串补广泛应用于500kV高压输电线路中，能够极大地提高线路输送能力，降低线损。串补的组成较为复杂，包括电容、MOV、火花间隙、旁路断路器等，这些设备之间还有着复杂的保护关系，例如MOV保护电容器，火花间隙和旁路断路器保护MOV。线路故障时，串补也要及时对自身进行保护。根据设备生产厂家提供的资料和公式，以及用户对串补的运行方式要求，采用理论计算和借鉴以往项目经验的方式，对富宁串补装置的保护逻辑进行了分析，最终的保护逻辑在富宁串补项目中得到了实际应用，通过了验收试验。
关键词：固定串补保护逻辑
0 前言
由于一次能源和电力负荷在地理位置上的分离，高电压、远距离、大规模输电网络是必然的。但是输电线路的容量不是无限的，从电力系统稳定角度来讲，系统的稳定运行是受传输功率极限限制的，基本公式为，其中V1是线路首端电压，V2是线路末端电压，δ1是线路首端相角，δ2是线路末端相角。XL为线路总电抗。系统的传输功率不允许超过该功率极限值。而在输电线路上加装串补是提高传输功率极限的有效手段，由于电容器的容性分量可以补偿输电线路的感性分量，使得总电抗大幅减小，功率极限成比例的提高，如下式所示：
。其中XC为串补的容抗。
串联补偿电容可以抵消线路的感性阻抗，其对电力系统具有以下作用：
1）改变系统的阻抗特性
2）提高电力系统的静态稳定性
3）优化潮流分布，降低线损
4）提高电网的传输能力
串补一般以集中的方式加装在线路之上，其位置尽量选择在输电线路的中间位置，补偿度一般不大于50%。
云南永仁-富宁直流工程西起永仁，东至富宁，线路全长577千米，输电容量3000兆瓦，直流额定电压±500千伏，直流额定功率3000兆瓦。其中，±500千伏富宁换流站作为直流工程的受端，为±500千伏富宁换流站、500千伏富宁变电站、500千伏富宁串补站合建工程。经系统计算，富宁串补对直流输电的稳定性至关重要。这对富宁串补的保护系统提出了较高的要求。
本文主要研究适合富宁串补的保护逻辑，保护逻辑需要考虑到串补的系统参数，同时还需要依据线路参数，进行故障仿真，分别计算区内故障、区外故障，以及自动重投、断路器拒动等情况。
1富宁500kV固定串补
富宁串补采用了在电力系统中得到广泛应用的带间隙的MOV保护方式，具有串补再次投入时间快，减少MOV容量等优势，其主接线如图1所示。
上图中，MBS代表旁路隔离开关；DS1、DS2代表串联隔离开关；ES1、ES2代表接地开关；F1、F2代表MOV；C31、C32、C33、C34代表串补电容器组；F51代表火花间隙；BBR代表旁路断路器；F3代表阻尼回路中的MOV、R3代表阻尼电阻、L3代表阻尼电抗器；T10~T70代表电流互感器。
各设备的主要工作原理简介如下：
（1）电容器用于抵消线路的感抗，提高输电系统的输送能力、提高线路的暂态稳定性。
（2）MOV用于保护串补电容器，当串补所在线路上出现较大故障电流时，会导致串补电容器两端出现较高的过电压，MOV可以将电容器电压限制在设计值以下，从而确保电容器的安全。
（3）火花间隙用于保护MOV和串补电容器，当发生区内故障，或者MOV吸收的总能量超过定值时，保护系统触发火花间隙，旁路MOV及串补电容器。
（4）旁路断路器用于旁路串补系统，串补保护系统在触发火花间隙的同时给出旁路断路器合闸命令，为火花间隙灭弧以及去游离。
（5）火花间隙动作或旁路断路器合闸时，流过电容器、火花间隙或旁路断路器的放电电流可能很大。阻尼装置用于限制该电流幅值，确保串联电容器、旁路断路器和火花间隙的安全运行。
2富宁500kV串补保护功能
串补装置配备了两套完全相同的、完全独立的互为冗余的保护系统。两套保护系统分别安装在独立的屏柜中，各自具有独立相同的测量和数据采集系统，以及各自独立相同的数据传输系统，两套保护装置检修时互不影响，并具有对自身和对外接口回路的自检和自诊断功能。
主要的主要保护功能包括：1) 平台保护； 2) 旁路断路器保护；3) MOV保护；4) 电容器保护；5) 间隙（拒触发、自触发、延时触发）保护等。
3 富宁串补保护逻辑研究
3.1 电容器保护
电容器装置的保护包含过载保护和不平衡保护。
（1）电容器过载保护
其中过载保护按反时限特性原理实现，反时限曲线的电流启动值与电容器组的额定电流有关。过负荷保护动作后发旁路开关合闸命令并进入暂时闭锁，若在一定时间内重投次数超过定值则闭锁重投并启动永久闭锁。
电容器厂家所给出的过电流能力如图3所示。
3.2 MOV保护
MOV保护包括MOV高电流保护、MOV温度过载保护、MOV温度梯度保护，MOV不平衡保护。
（1）MOV高电流保护
功能描述：区内故障，线路电流过大时为避免MOV上不必要的能量积累，直接发旁路指令。
出口逻辑：发告警信号，暂时单相旁路。
重投延时考虑以下两方面因素：
间隙的去游离时间。带串补重投，延时可以不与重合闸相配合。
延时应大于线路断路器单相失灵后的三跳延时与线路断路器的分闸时间，防止串补重合于故障。
MOV高电流是很容易出现的保护，根据客户的需要，可以考虑串补单相自动重投，也可以为了安全性考虑，暂时旁路不再重投。
（2）MOV温度过载保护
功能描述：系统故障时，MOV温度升高超过高定值时保护动作，温度降至低定值后串补重新投入。
出口逻辑：发告警信号，暂时旁路。
MOV的温度过载考虑环境温度和MOV吸收能量后的温度升高。由于MOV本体不带温度测量装置，所以，要通过测量MOV的电流，根据MOV厂家提供的热模型，计算得到相应的温度。如果总温度超过定值，则需要暂时旁路，待MOV降温之后才能再次投入运行。MOV的降温只能依靠自然冷却，一般来说4个小时左右可以降到环境温度。
（3）MOV温度梯度保护
功能描述：系统故障时，一定时间内MOV温度上升过高，保护动作。
出口逻辑：发告警信号，暂时旁路，自动重投。
实际上温度梯度相当于MOV所吸收的能量，只是换了一个名称而已。
（4）MOV不平衡保护
功能描述：流过两条MOV支路的电流差值达到定值，说明MOV有部分损坏，保护动作。
出口逻辑：发告警信号，触发间隙，永久闭锁。
由于MOV的V-I曲线极度非线性，在MOV达到动作电压，流过数千安培大电流时，只要一个阀片损坏，就会导致几乎所有电流都会从损坏的MOV柱中流过，从而导致该柱MOV彻底损坏，此时必须立刻旁路串补，对MOV进行检修。
3.3 火花间隙保护
火花间隙保护包括间隙自触发、间隙持续导通、间隙延迟触发、间隙拒绝触发。
（1）间隙自触发
功能描述：放电间隙没有收到旁路指令而自行放电时，且放电过程持续较长时间，该保护动作。
出口逻辑：单次自触发将发告警信号，暂时三相旁路串补，并经延时重新投入串补。重复性的自触发表示间隙可能损坏，发告警信号，并永久闭锁串补。
间隙自身是带有自触发功能的，确保在保护系统故障的极端情况下，仍旧可以保护MOV和电容器，但是其自触发电压要高于MOV的保护水平。保证在区外故障情况下，不会发生自触发。往往是火花间隙的触发间隙首先导通，然后引发主间隙导通，也有可能是由于环境的特殊变化，导致主间隙的绝缘强度降低，从而导致主间隙自触发。
一般情况下，间隙的在1.8p.u.（p.u.指额定电压）情况下可以被强制触发，MOV的保护水平为2.3p.u.，间隙的自触发电压为2.53p.u.。
（2）间隙连续导通
功能描述：放电间隙只能在短时间内承受大电流，长时间旁路串补只能通过旁路断路器。如果放电间隙长时间承受较大电流，表明线路电流并未从放电间隙转移至旁路断路器，旁路断路器合闸失败，需要通过跳线路断路器切断故障电流。
出口逻辑：发告警信号，跳线路断路器。
放电间隙的型式试验中，其会耐受1.2秒的放电电流，但是毫无疑问，这会对间隙的寿命造成极大的影响。同时，旁路断路器无法合闸也是巨大的隐患，所以，此时只能跳线路的断路器。
该保护延时应大于旁路断路器的动作时间（50ms），小于间隙承受大电流的时间（放电间隙承受40kA放电电流的时间为1.2秒）
（3）间隙延时/拒绝触发
功能描述：控制系统发出旁路指令后放电间隙的动作时间长于规定的时间，表示放电间隙的性能无法满足要求，保护动作。
出口逻辑：发告警信号，永久闭锁串补。
当间隙动作时间大于4ms，小于20ms时，认为火花间隙是延迟触发，如果间隙动作时间超过20ms，则无论之后有没有触发，都认为火花间隙拒绝触发。
间隙拒绝触发是非常严重的问题，因为旁路断路器需要至少30ms才能闭合，在串补区内故障后1ms~30ms的时间段内，都应由火花间隙和阻尼回路来吸收能量，但是这些能量此时需要由MOV来吸收，这会给MOV带来极大的压力。所以必须要永久闭锁串补，找到原因并排除故障之后才能重投串补。
3.4 旁路断路器保护
旁路断路器保护包括合闸失灵保护、三相不一致保护、辅助接点位置不一致保护。
（1）旁路断路器合闸失灵
功能描述：发出旁路命令后经延时，旁路断路器上无电流流过，保护动作。
出口逻辑：发告警信号，跳线路断路器。
延时应大于旁路断路器的动作时间（50ms），小于间隙承受大电流的时间。
（2）旁路断路器三相不一致
功能描述：串补重投时，旁路断路器由闭合转到开断位置。若出现三相断路器的状态不一致，表示至少有一相旁路断路器有故障，串补不对称运行。此时应将旁路断路器合上，保证系统三相对称运行。
出口逻辑：发告警信号，合旁路断路器，永久闭锁串补。
延时应按以下原则考虑：
延时应大于单相串补重投的最长延时与旁路断路器的合闸时间。间隙自触发、MOV温度梯度、MOV温度过载、电容器单次过载的暂时旁路信号都是三相同时发信号，不存在长时间三相不一致。MOV大电流和线路保护跳闸信号会导致保护系统发单相旁路命令。MOV大电流保护动作后串补重投延时为500ms，线路保护跳闸信号旁路串补后经500ms重投。
旁路断路器本体三相不一致动作时间需和旁路断路器三相不一致电气量保护动作时间一致。
（3）旁路断路器辅助接点位置不一致
功能描述：当旁路断路器出现任意一相辅助接点异常，该保护动作。
出口逻辑：发告警信号，合旁路断路器，永久闭锁。
延时大于旁路断路器的动作时间（50ms）。
3.5 其他保护
其他保护包括平台故障、允许/禁止重投。
（1）平台故障
本保护监测平台和安装在平台主设备之间的电流。包括两个保护：低值保护与高值保护。
低值保护是指平台对地发生闪络持续时间较长电流较小的情况，该保护使用平台闪络电流的有效值进行判断。
高值保护是指平台对地闪络电流较大，该保护要求动作时间快，因此使用平台闪络电流的瞬时值进行判断，固定延时1ms。
当任一相平台闪络电流大于保护定值，经延时发旁路开关合闸命令并启动永久闭锁。
出口逻辑：告警信号，永久闭锁串补。
（2）允许/禁止重投
功能描述：线路电流必须在高、低定值之间才允许串补重投。
出口逻辑：当线路电流不满足要求时禁止串补重投。
定值计算：
考虑带串补重投，线路电流低定值取为0。
考虑重负载时投入串补，线路电流高定值取为串补额定电流的90%。在串补投入的暂态过程中，电容电压可能高于其额定值，但电容器本身具有一定的承受过载的能力，故不再考虑。
4结语
本文对富宁500kV固定串补的结构以及保护功能进行了介绍。对串补电容、MOV、火花间隙、旁路断路器的保护功能、出口逻辑、定值计算、延时等都进行了分析。这些保护功能相互之间有着紧密的配合关系，其中MOV的保护要考虑系统的故障情况（区外故障和区内故障）；间隙的保护要考虑MOV的特性、旁路断路器的动作时间；旁路断路器的保护要考虑间隙的持续通流能力等。
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作者简介:
魏忠明( 1968— ) ，男，专科，高级技师，云南省送变电工程公司，主要从事项目管理及变电安装工作。电话：13708761364。
俞海( 1982—) ，男，工程师，荣信电力电子股份有限公司，主要研究方向为串补和SVC的控制保护逻辑、系统设计等。
侯小平( 1967—) ，男，高级工程师，荣信电力电子股份有限公司，主要研究方向为电力电子设备设计和控制等。
果家礼（1976—），男，本科，高级技师，高级工程师，云南省送变电工程公司，主要从事电力系统控制保护现场调试和技术管理工作。
论文作者:魏忠明1,俞海2,侯小平2,果家礼1
论文发表刊物:《电力设备》2016年第18期
论文发表时间:2016/11/30
标签：旁路论文; 间隙论文; 断路器论文; 电流论文; 富宁论文; 电容器论文; 线路论文; 《电力设备》2016年第18期论文;