高压长距离输电线路串补平台供电可靠性研究

王宝琳，王宝卿，孟 杰，王慧亮，祝 强

(1.国网冀北电力有限公司检修分公司，山西 大同 037006；2.国网客服中心，江苏 南京 211106；3.国网冀北电力有限公司，北京 100053)

高压长距离输电线路串补平台供电可靠性研究

王宝琳1，王宝卿2，孟 杰3，王慧亮1，祝 强1

(1.国网冀北电力有限公司检修分公司，山西 大同 037006；2.国网客服中心，江苏 南京 211106；3.国网冀北电力有限公司，北京 100053)

阐述了现阶段串补平台通过线路电流互感器直接取能、平台下激光供能及耦合电容器分压取能3种模式的优缺点，分析了汗沽线ABB公司串补平台采用的新型的耦合电容器分压型供电模式存在的问题及其在运行中出现的故障和缺陷，总结了运行和维护中的技术、经验以及提高串补平台运行可靠性的建议和方法。

串补电容器；开普托；供电模式；可靠性

在含有较长输电线路的高压系统中，利用串联电容器进行无功补偿是改善系统输电效率的有效方法。为提高张家口北部汗海电厂—沽源—太平线路的输电能力及稳定裕度，2010年8月在汗沽线路上投入补偿度为40 %的固定串联补偿装置(以下简称“串补”)，该串补装置由ABB公司制造并安装。由于串补平台需要对地绝缘，如何对平台上的设备供电并保证供电方式可靠成为亟待解决的问题。

1 常见串补平台设备供电模式

1.1 线路CT直接取能

目前国内保护多采取通过线路CT直接取能的供能方式，即通过CT电磁感应直接从串联电容器两端的母线上取能，为平台设备及储能设备供电。CT取能技术相对其他的供能方式更加成熟，供电可靠、成本低且无需考虑对地绝缘问题。该技术适用于各种运行方式下线路电流相对稳定或变化不大的场合，但当线路电流小于要求时取能回路将不能正常工作。

1.2 平台下方激光供能

平台下方激光供能是将能量通过光纤以光的形式从平台下方传送到平台上方，满足平台对地和平台间电气绝缘的要求；并且光纤的两端没有电气上的直接连接，也不受电磁干扰的影响，稳定可靠。现阶段光纤的工艺水平完全可以满足供能设备的需要。但激光的波长和输出功率会受到温度的影响，如果对输出能量精度有要求，就需要对光纤及设备的温度进行控制；而且激光供能受输出功率的限制，每路光纤所能传送的功率极其有限，为了达到平台设备的要求往往需要多路光纤传送。由于光电接口设备长期工作容易损坏，使用中需要对光电接口板卡的工作状态进行监视并考虑冗余配置，但光电转换板卡制造成本相对较高。

1.3 耦合电容器分压取能

耦合电容器分压取能即在线路和地面之间加入耦合电容器，用线路经过耦合电容器流向地面的工频电流作为电源，且通过电容器的参数选择控制电源电流的有效值，再通过变压器将电源传送到各个部件。这种供电方式使得电路对地电压相对于母线电流更加稳定，但需要在电气隔离、过电压防护和电磁兼容方面具有更完善的设计。

1.4 多种供能方式综合使用

各个厂家在设计串补平台取能回路时往往不局限于某一种方式，并且还会在取能回路中增加储能元件以增加运行可靠性，例如以充电电池或储能电容器作为辅助手段可避免因电源丢失而带来的一次设备拒动。现阶段大部分串补厂家采用CT取能加激光供能方式：正常时使用CT取能作为供能方式，当线路电流低于设计要求时自动切换为激光供能。这种方式有效解决了CT取能的小电流死区问题，在实际运行中较为稳定。

2 ABB公司串补平台的结构组成

沽源500 kV变电站汗沽双回线路应用ABB公司的新型技术，于2010年8月正式投运串补设备。该方案基于一种新型、密闭、快速的高功率开关—开普托(Cap Thor)。开普托由1个等离子电弧注射器和1个快速机械开关并联组成。开普托与金属氧化物变阻器(MOV)一起配合工作，以其快速的动作性能，更好地控制减少MOV的能量耗散及其对电容器组的损伤。开普托能代替常规的火花间隙，通过电流使空气电离实现动作，具有结构紧凑、低压时也可操作、去离子时间短等优点。

ABB公司串补平台结构组成如图1所示。操作和监控单元(OSU)，用于监视和控制开普托。OSU供电模块通过耦合电容器串联在线路和地之间，由分压原理从线路取能，其通讯系统通过光纤与平台下方保护室的控制装置相连接，操作与控制蓄能电容器的电压及开普托气压在OSU平台模块里进行监测。而监测信息则通过光纤传输到控制室，开普托触发、合闸、分闸指令通过光纤从控制室发往开普托，以保护串连电容器组。

图1 串补平台结构组成

耦合电容器的电容量配合线路电压可提供有效值为0.5 A的电流，供电回路由2个串联的主变压器与耦合电容器形成冗余的电源。每个主变压器的二次侧又由多个变比不同的辅助变压器串联在一起。主副变压器、整流元件和其他电子元件一起对储能电容器进行充电和监视。

每套储能电容器并联在整流元件的直流侧，由2个供电系统同时供电。当保护需要动作时，控制系统对开普托发出命令，操作命令控制储能电容器回路中晶闸管的开闭，最终控制开普托的动作。每个供电系统同时对以下设备供电：通信接口板卡PS932及为其供电的OSU24供电板卡；晶闸管控制回路及为其供电的OSU300板卡；为跳、合闸回路供电的OSU1200板卡；为快速触发回路供电的OSU2400板卡。由于以上元件需要的工作电压不同，特别是用于快速触发的回路需要2 400 V直流电源，因此需要在耦合电容器分压后再用不同型号的变压器将电压调整到需要的电压等级。

3 ABB公司串补供电方式存在问题

目前ABB公司串补的设计为每相平台只使用1个耦合电容器，双系统电源的主变压器同时串联在耦合电容器与平台500 kV小母线之间，当耦合电容器故障时双套电源系统将同时不能工作，没有完全实现电源的双重化。若不考虑耦合电容器发生故障的可能性，单个主变压器短路也可能引起另一个主变压器过电压，一旦某相平台的双系统主变压器均被烧毁或击穿，就会导致OSU中的储能电容电压、控制电压以及通讯板卡电源电压跌落，而任意双系统电压跌落都会导致保护系统保护性旁路无法正常工作。因此，回路中必须有匹配的限压设备在过电压时快速可靠击穿，以保护主变压器及其二次侧供电回路。回路中每块供电板卡中也有相应的保护回路，该保护回路由2对反向串联的二极管和1只双向可控硅组成。当充电电压过高时二极管反向导通，通过双向可控硅控制极导通晶闸管将辅助变压器的一次侧线圈短接；当充电电压降低时双向可控硅再次打开，辅助变压器恢复正常工作。双向可控硅的连续动作将形成一定的占空比以控制充电电压。

4 ABB公司串补供电模式故障及处理

4.1 主变压器绕组间及铁芯绝缘损坏

ABB公司串补供电回路的主变压器安装于平台上保护控制箱内，安装时直接用螺丝紧固在柜内金属板上，柜体用接地铜排接于500 kV低压母线上，取能变压器接地方式如图2所示。采用这种铁芯接地方式产生的问题是主变压器T12的铁芯和一次绕组之间的压差是主变压器T11的2倍，变压器T12将更容易损坏，而T12一次线圈和铁芯之间的绝缘损坏将使2个主变压器同时被短接。若将回路变更，使取能变压器接地方式如图3所示：用绝缘子将柜体与T12铁芯之间做了绝缘，再用铜线将T12变压器的铁芯接于2个变压器之间。这样可有效减小T12承受的电压降，使得线圈对铁芯放电时也只影响到单只变压器的供电回路。但因T11，T12二次绕组经二级变压器接柜体，改造后T12二次绕组与铁芯之间将存在电位差，可能导致T12二次绕组与铁芯的击穿而短接T11变压器。为此，用容量更大、绝缘性能更好的变压器替换原有的T11，T12，进而提高供电回路的可靠性。

4.2 板卡保护回路击穿

在实际运行中曾多次发生操作后OSU300板卡充电回路电压由正常的300 V降至0的情况。经过分析，确定问题出在OSU300板卡的过压旁路保护电路上。检查发现，OSU300板卡的双向可控硅、稳压二极管等元器件有不同程度的击穿，证明与变压器并联的MOV的暂态特性并不能良好地保护OSU300板卡及板卡内的保护电路。当二极管被击穿后双向可控硅会在较低的电压下提前导通，导致无法将回路中的储能电容充电到300 V。在维修损坏的OSU300板卡的过程中，为了提高双向可控硅栅极的抗涌流能力，在其栅极控制回路中串入1个限流电阻；此外还适当降低了监控交流电压用的稳压二极管的导通电压值以限制其耗散功率、提高抗冲击能力。过压旁路电路改造前、后的电路原理如图4，5所示。

图2 取能变压器接地方式1

图3 取能变压器接地方式2

图4 OSU300板卡过压旁路电路(改造前)

图5 OSU300板卡过压旁路电路(改造后)

5 结束语

汗沽线串补系统的平台电源回路采用新型的、国内外为数不多的耦合电容器分压型供电模式。在串补系统投运后的一段时间内，这种电源回路暴露出了一些问题；但随着运行经验的积累、故障的处理和回路的完善，这些问题正在逐步解决，其可靠性、稳定性进一步提高。这种供电模式也将为串补和其他高压绝缘设备的供能提供新的选择方案，以获得更好的经济效益和社会效益。

1 陈葛松，林集明，郭剑波，等.500 kV串补站过电压保护研究[J].电网技术，2001(2).

2 方晓松.平果可控串补站工程接入系统设计[R].武汉：中南电力设计院，2001.

3 王晓彤，陈葛松，林集明，等.天广输电线路天平段加装串补和可控串补工程系统电磁暂态专题研究[R].北京：中国电力科学研究院，2001.

4 牛晓民，王晓彤，施 围，等.超高压串联补偿输电线路的潜供电流和恢复电压[J].电网技术，1998(9).

5 钟 胜.河池串补站工程接入系统设计[R].武汉：中南电力设计院，2002.

6 电力规划设计总院.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998.

7 谷定燮.河池串联线路断路器恢复电压研究[R].武汉：武汉高压研究所，2002.

2014-11-17。

王宝琳(1981-)，男，工程师，主要从事电力系统微机保护与控制工作，email：2416872270@qq.com。

王宝卿(1983-)，女，工程师，主要从事电力系统微机保护与控制工作。

孟 杰(1981-)，男，工程师，主要从事电力系统自动化技术及应用工作。

王慧亮(1983-)，男，工程师，主要从事电力系统信息及其自动化控制工作。

祝 强(1983-)，男，工程师，主要从事电力系统信息及其自动化控制工作。