【系统】串联电容补偿在电力系统中的应用

【关键字】系统

串联电容补偿在电力系统中的应用

赵玉柱 朱伟江 马骁

The Application of Series Capacitance In

The Electric Power System

Zhao Yuzhu

摘要

Zhu Weijiang Ma Xiao

本文针对串联电容补偿在电力系统高、低压电网中的作用，以及实际运行中间可能出现的一些问题，从理论的角度进行了较为详细的分析阐释。结合阳城发输电系统，着重介绍了固定式串补电容（FSC）。

ABSTRACT This thesis detailedly analyses the use of the Series Capacitance Compensation in the high or low tension power network of power system and some problems which could be taken place during the practical running from the point of theory.At the same time,it mainly introduces the FCS(Fixed Series Capacitance Compensation) according to the YangCheng Power Generation and Transmission System.

关键词 Keywords

串联电容 电力系统

the electric power system 一

引言

series capacitance

串联电容补偿是提高输电系统稳定极限以及经济性的有效手段之一。在输电线路中加入串联电容能够减小线路的电抗，加强两端的电气联系，缩小两端的相角差，从而获得较高的稳定限额，传输较高的功率。据不完全统计，目前世界上220kV及以上电网中投运的串联补偿容量已超过了70Gmvar。发达国家很早就掌握并在实际运行中推广使用了这项技术：1950年，世界上第一个220 kV串补站在瑞典投入运行；1968年，美国率先在500 kV超高压输电系统中使用了串补设备。我国近年来也积极开始了这方面的探索与尝试：1966年，220 kV（新）杭上线首次采用了串补装置；1972年，在刘天关线投运了两套330kV的串联电容；2000年，500 kV阳城发输电系统使用了目前亚洲最大的两套串补装置。前期的设计论证与后期的运行经验都不断证明，采用串联补偿技术具有较高的性能价格比，是提高线路输送功率，改善系统运行状况的一种行之有效的手段。

二

概述

串联电容补偿就是在线路上串联电容以补偿线路的电抗。因为涉及补偿，所以就产生了一个补偿度（Kc）的概念。所谓补偿度Kc，是电容器容抗χc和线路感抗χL的比值，即Kc=χc/χL。Kc〈1，称为欠补偿；Kc=1，称为完全补偿；Kc〉1，称为过补偿。

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串联电容补偿装置按照保护电容器的设备的不同可以分为固定式（FSC）和动态（或称可调、可变式）式（TCSC）两种。目前国内所采用的串补设备均为固定式。

固定式串补又可以分为以下几种：

1、 旁路间隙+旁路断路器 2、 双旁路间隙+旁路断路器

3、 金属氧化物变阻器（MOV）+旁路断路器

4、 旁路间隙+金属氧化物变阻器（MOV）+旁路断路器

目前国内330 kV及以下电网中所采用的串补多为第一种旁路间隙+旁路断路器的模式，500kV阳城发输电系统则使用了较为先进的技术，利用MOV优良的非线性和快速响应特性来限制出现在电容器组上的过电压，使串联电容的短路和再投入能自动而平滑地进行，从而进一步提高了系统运行的稳定性。这种串补装置的基本接线如图1所示：

主要元件： 1. 电容器组

2. 金属氧化物变阻器（MOV） 3. 触发间隙（GAP） 4. 旁路开关

动态式串补是一种由晶闸管（可控硅）控制，可大范围平滑调节输电线路补偿阻抗的串联补偿装置，基本接线如图2所示。按照基本阻抗的调节方式，动态式串补可以分为以下三种：

主要元件：

1. 金属氧化物变阻器（MOV） 2. 电容器组 3. 晶闸管

1、 晶闸管阻断方式：TCSC相当于常规串补。

2、 晶闸管切换电抗器方式（旁路方式）：晶闸管恒定导通，电容与电感并联呈小感抗，主

要用于绝缘保护和限制毛病电流。

3、 晶闸管相控方式（微调控制方式）：通过对触发脉冲的控制，可以平滑调节容抗或感

抗。

目前这种动态控制技术主要处于试验研发阶段，在国内电力系统中尚未采用。

三

串联电容补偿于电力系统中的作用

1、 改善远距离输电线路的结构，提高线路的输送容量

众所周知，高压输电线路的静态稳定输送功率为：

P=U1U2sinδ/χL

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其中：U1、U2为线路两端的电源电压 δ为线路两端电源电压的相角差 χL为线路的阻抗

式中的U1U2 /χL为线路的极限输送功率即静态稳定极限。对于输电线路来说，尽力提高U1U2 /χL的值，就可以提高输电线路的稳定限额。对于式中的分子部分，人们已经采用了诸如快速励磁、强励等许多在实际运行当中证明切实可行的措施；对于分母部分，我们知道当采用串联电容后变为χL –χc，很明显，线路的极限输送功率升高了。

以阳城发输电系统为例：阳城电厂1期工程装机容量6*350MW，送电华东，落点在江苏淮阴地区，线路全长约740km。阳城系统自阳城至江苏淮阴地区的上河、任庄变，中间经过了东明、三堡两个开关站，目前采用三——二——三接线，如图3所示：

按照江苏电网内电源与负荷的分布情况，阳城电厂送出的功率并非在淮阴地区消化，而是与当地电厂（徐州、彭城）的电力一同送往苏南地区，因此实际的送电距离远远超过了740km。由于交流输电线路输送自然功率（500kV单回四分裂线路自然功率约1000MW）时，输送距离很难超过500~700 km，因此若不采取一定的措施，在阳城系统1期工程结束后，阳城电厂的电力将无法保证顺利的送出。

在东三线路上采用了串联电容补偿装置后，设定相同相角差（δ相同）的条件下近似计算，装设串补前后的线路稳定输送功率之比为：P1/P2=χL /（χL –χc）=1/（1- Kc）。在阳城发输电系统中，东三线路的正序阻抗75Ω左右，串联电容的容抗29.92Ω，补偿度为40%左右，可以算出线路的输送功率是原来未装设串补设备时的1.67倍。在东三双线上安装的两套串联电容补偿装置效果上等同于增设了一条输电线路，等值于三——三——三接线，从而保证了阳城电厂电力的外送。

2、 改善系统的稳定性

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提高电力系统静态稳定与暂态稳定的措施有很多，其中最常用的也是最具根本性的一条就是加强电气联系，使系统内各元件在电气结构上更加紧密。而采用串联电容补偿，以电容的容抗去补偿输电线路的感抗，便能够达到等值的缩短电气距离的目的，即提高了系统的稳定性。

采用串联电容补偿还可以提高系统毛病后的静态稳定性。如图4所示，当运行线路发生毛病时，在切除毛病线路的同时切除部分并联的电容器组，以增大串补电容的容抗，部分甚至全部的抵偿由于切除毛病线路而增加的线路感抗，并且此时流过剩余运行电容器组的负荷电流也不会增加的很多。

3、 电压调节的一种手段

与应用于高压电网时的作用不同，当串联电容用于较低电压等级的电网中时，它的主要目的不是为了提高系统的稳定性，而是为了进行电压调节。这一点在供电电压为35KV及以下的线路上，特别是负荷波动大、负荷功率因数又很低的配电线路上体现的尤为突出。串联电容不仅能够提高电压，而且它的调压效果随负荷的大小而变化，即负荷大时调压效果大，负荷小时调压效果小。因此它特别适用于电弧炉、电焊机、电气牵引等类负荷较重线路的调压。

图5-（a）为一线路未安装串联电容补偿时的潮流图，送端电压为U1，末端电压为U2，负荷P2-jQ2（兆伏安）均在末端，此时计算电压 U2= [U1-（P1R+ Q1χL）/ U1]2+[ （P1χL - Q1R）/ U1] 2

P2-jQ2（兆伏安）均在末端，此时计算电压

’2 2U2= {U1-[P1R+ Q1（χL -XC）]/ U1}+{[P1（χL -XC）- Q1R]/ U1}

图5-（b）为一线路安装串联电容补偿后的潮流图，送端电压为U1，末端电压为U2，负荷

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U1 R+jχL P1-jQ1 U2 P-jQ U1 R+j(χL- XC) P1-jQ1 U2’ P-jQ2 222

比较上面两个算式，不难发现，在线路末端装设串联电容补偿后，线路的末端电压升高(a) (b)

了。当串补容抗χc 越大即补偿度Kc越大时，末端电压也越高。当χc =χL，即Kc =1时，线图5 χc 〉χL即Kc 〉1时，串联电容补偿的容抗压降大于线路上电抗中的压降，当过补偿达到某一数值时，线路上的电抗压降及电阻压降将全部被电容器容抗压降抵消，此时线路上送、受两端的电压相等。如果Kc值再继续增大，受端电压就会高于送端电压，但事实上这种补偿度是不允许采用的。

串联电容补偿对调压起主要作用的是纵向压降，纵向压降越大，调压效果越好。当输电线路不输送无功功率时，串补基本不起调压作用。由于提高了输电线路的末端电压，所以它在一定程度上也降低了网损，但效果并不明显。 4、 经济实用，性价比高

串联电容补偿技术不仅在技术上具有优势，而且其经济效益也十分明显。同输电线路相比，它的造价要低廉许多，可以有效的节省电

力基建工程的总成本，并且串补提高输电系统的传输性能所带来的效益在几年内便可收回串补装置的投资。同时，采用串补装置，在一定程度上也减少了输电线路对周边环境的电磁污染。

以阳城发输电系统为例：东三线路的全长250km左右，500kV线路每公里的造价大概为150~200万人民币，目前投入运行的两套串联电容补偿装置的总投资为800多万美元，仅占一条500kV线路总投资的20%左右，极大的节省了资金的投入。

路上电抗中的压降便全部被电容器中的容抗压降所抵消，此时线路上只有电阻压降。当

四

1、 继电保护整定工作更加复杂

运行中需重视的一些问题

由于采用串联电容改变了线路原有的参数，使得保护整定工作更加复杂；同时线路故障时，串补的瞬间退出或者自动投入，在电路中感应了大量的高频与低频分量，恶化了继电保护装置的工作环境。 1.1

对保护测量装置的影响

通常在非串补线路上，电源流出的短路电流落后于电源电势，母线电压与电源电势基本同相。但在串补系统中，如从电源到保护安装处的感抗大于容抗，当靠近串补处发生故障时（见图6），将导致加在继电器上的电压相位和电源电势相差180，保护测量的电压将反向。

。

G 保护

图6

系统

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在串补线路上，以线路始端母线电压为基准，线路短路电流可能超前于电势，相位变化约180，发生了电流反向。当电源负序阻抗小于电容容抗时，保护测得的负序电流也将反向。 1.2

对距离保护的影响

串补电容的安装位置和补偿度是影响阻抗继电器动作特性的重要因素。串补电容可以安装在线路的两端、中部或者中间变电所的两条母线之间。在我国，通常采用将串补装设于线路两端的方式（图7）。

。

图7-（b）、（c）所示分别为距离保护2和1的动作特性和测量阻抗向量图。由图可ZL N M 知，当在F点及其附近短路时，测量阻抗ZMF为容性的，保护将拒动；在G点和A点短路时，

(a)

1 G A F 2 3 测量阻抗ZMG和ZMA在特性圆上，保护能够动作；当对端母线或相邻线路出口短路时，测量阻抗

F G’ jX N jX ZMN在特性圆外，保护不会动作。为保证保护动作的选择性，其I段定值ZZD= KK（ZL - jX

C

），KK一般取0.8~0.85。在这种整定情况下，当线路短路而串补电容被短接时，测量阻抗将G M 位于MG’直线上，保护范围将大大缩短；当串补电容未被短接时，则测量阻抗位于FAG直线

θ θ M R N 1的I段定值也按R ZZD= KK（ZL - 上，此时FA段保护将拒动。同样为保证动作的选择性，保护F A jX C）来整定。只有这样才能保证在母线M上短路时，保护可靠不动作。但这样使得保护范围(b) (c) 大大缩短， X C越大，补偿度越大，保护范围越小。 1.3

对高频保护的影响

串补电容对高频保护的影响同样与电容器的安装位置有关，以串补电容安装在线路两端为例：

当短路点在线路靠近电容器附近时，由于短路点到保护安装地点之间的阻抗是电容性的，接于每相全电流和电压上的功率方向元件将不能动作，所以方向高频保护将拒动。

对接于负序和零序分量上的功率方向元件则不受串补电容的影响而能够正确动作，这是因为从保护安装地点到发电机或变压器中性点之间的阻抗仍是感性的缘故。

对于相差高频保护而言，当电容器的容抗大于图7-（a）M端系统的总电抗时（一般不会出现此种情况），则M端的短路电流将是超前于电压的，而在故障线路另一端电流仍滞后于电压，此时，保护装置在串补电容未被GAP或旁路开关短接的情况下将拒动。 2、 可能引发次同步谐振

串联在线路中的电容在运行中间可能会引起感应发电机效应，从而引发次同步频率的电气谐振。工况不好时，还可能在轴系固有频率的某种配合下，引发更为严重的机电复合共振。在这种情况下，有可能使发电机组产生远大于机端出口多相短路时的电磁与机械应力，形成对发电机轴系的巨大冲击，加速其寿命损耗，引起疲劳变形，严重时将导致大轴出现裂纹甚至断

图7

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XL XC

XT

系统

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裂，危及电力系统的安全运行。1970年12月9日和1971年10月26日美国加州Mohave电厂790MW大型汽轮发电机就先后两次出现了次同步谐振导致机组严重受损的破坏性事故。

如图0所示，补偿电容与系统电抗构成一个串联电路，在某种情况下当条件满足 ωΣX=1/ωXC时即会产生串联谐振，谐振频率为

1 fn= 2π ΣX XC 因为系统采用的一般为不完全补偿，故XC〈ΣX，所以fn〈fN。正常情况下，系统阻尼ΣR=RG+RL+RT起正阻尼作用，所以即使偶有振荡也会很快衰减；但由于采用串联电容补偿后，系统中电阻对感抗的比值将增大，阻尼系数D可能为负数，因此反而会促使振幅不断增大，形成自发振荡。

fn - fN

当系统发生电气谐振时，转子对应定子磁场的转差为：s= ，s〈0，这时的发

fN 电机相当于异步发电机。转子的空间运动磁场与定子的气隙磁场相互作用要产生转矩。当二者同步时，产生恒定方向的转矩；当不同步时，就会产生对应于△f=fn-fN的交变转矩。该转矩使转子形成△f的频率振荡，转子的这种机械振荡反过来又促使定子感生相同频率的谐振电流，在系统阻尼特性某种运行状态下不十分理想的情况下，定子与转子间的这种振荡互补就会促使振荡进一步加强，从而引发较为严重的机电复合共振。 3、 可能引起发电机组的自励磁和系统的铁磁谐振

一般说，串联电容补偿度Kc越大，线路等值电抗越小，对提高稳定性越有利，但Kc的增大要受到很多条件的限制。如果Kc值选择比较大，则由于采用串联电容补偿后发电机外部电路电抗可能呈现容性，发电机送出电容电流要产生助磁的电枢反应，使发电机电势升高。在增大了的发电机电势的作用下，又产生一个更大的充电电流，进而产生更大的助磁电枢反应使发电机电势进一步升高。这个过程将一直持续到发电机的磁路饱和为止，即产生了所谓的“自励磁”现象。

除发电机外，电力系统中还有许多其他的铁芯电感元件，如变压器、PT、并联电抗器等等，大都为非线性元件。串联于输电线路上的补偿电容与这些元件构成许多复杂的振荡回路。如果在某种运行方式下满足一定的条件，将可能激发起持续时间较长的铁磁谐振，引起系统过电压。 4、 装置本身

（1）电容器是串补装置的主要元件，它的性能及运行的可靠性对串补装置的运行起到关键性的作用。串补所采用的电容器通常有两种：外熔丝与内熔丝。实际运行中间这两种电容器都暴露出一些缺点。

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外熔丝电容器受外部气候条件的影响较大，环境恶劣时熔丝误动作的几率较高，同时由于设备外置，箱体损坏的可能性也比较大，由于熔丝动作而造成的运行中断相对较多，运行维护费用较高。另外，如果发生故障时熔丝的动作时间较长，故障元件的故障点在电流的作用下将不断产生气体，有可能使电容器单元外壳破裂退出运行，使电容器组损失的容量增大，其他运行电容器单元上的过电压较高。

内熔丝电容器在电容器单元的端子与其外壳之间故障时熔丝无法动作，并且电容器元件及电容器单元故障无法直接看到，必须用专用仪器定期测量，维护工作量很大。

（2）MOV是保护电容的主要元件。由于MOV动作无时延，所以无论区内还是区外故障，MOV吸收能量的速度很快，承受的短路电流也比较大。具有大的能量吸收能力的MOV的制造成本比较高，会使整套串补装置的投资大大增加。但是若采用热容量较小的MOV，随着电网规模的不断扩大，可能无法满足系统运行的需求，所以需要根据运行系统的实际情况来选择适合容量的MOV。

五 结语

总体来看，串联电容补偿能够通过控制潮流提高电力系统的输送能力，改善电力系统的稳定性和电压质量以及无功功率的平衡，减少系统的线路损耗，是一种行之有效的提高输电系统经济性和可靠性的手段。尽管实际运行中间串补装置可能还存在这样或者那样的问题，但随着串补技术在实践中的不断应用，运行管理水平和科学技术水平的不断提高，这些问题都可以通过工程前期的精心计算与设计以及一些有效的技术手段加以解决。目前我国已经研发出了如TCSC、GTO等一些先进的串联电容补偿动态控制技术，可以预见，随着三峡电网的开发建设，西电东送力度的不断加大，全国联网工程的计划实施，串联电容补偿在我国电力系统中将拥有越来越广阔的前景，发挥越来越重要的作用。

作者简介：

赵玉柱：国家电力调度通信中心，高级工程师，调度处处长，电力系统及其自动化专业，现从事电力系统调度运行管理工作和电网安全分析工作。

朱伟江：国家电力调度通信中心，高级工程师，调度处处长，电力系统及其自动化专业，现从事电力系统调度运行管理工作和电网安全分析工作。

马骁：国家电力调度通信中心，工程师，调度员，电力系统及其自动化专业，现从事电力系统调度运行管理工作和电网安全分析工作。

参考文献：

1、 电力系统运行操作和计算 东北电业管理局调度通信中心，辽宁科学技术出版社，1995 2、 500kV三堡站的串联电容补偿装置 李长益，徐州电力科技，2000 3、 电力系统暂态分析 李光琦，中国电力出版社，1993

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4、 全国电力系统继电保护与安全自动装置整定计算 崔家佩等，水利电力出版社，1990

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