66 kV直挂交换虚拟电路投切过电压仿真研究

徐博宇，武俊杰，赵普志

（1.国网辽宁省电力有限公司铁岭供电公司，辽宁铁岭112000;2.国网新疆电力公司疆南供电公司，新疆喀什844000; 3.国网新疆电力有限公司，新疆乌鲁木齐830002）

66 kV直挂交换虚拟电路投切过电压仿真研究

徐博宇1，武俊杰2，赵普志3

（1.国网辽宁省电力有限公司铁岭供电公司，辽宁铁岭112000;2.国网新疆电力公司疆南供电公司，新疆喀什844000; 3.国网新疆电力有限公司，新疆乌鲁木齐830002）

66 kV直挂型交换虚拟电路已经在很多变电站得到应用。针对近几年使用过程中多次发生了66 kV直挂型交换虚拟电路相控电抗器树桩击穿故障，参照东鞍山220 kV变电站的直挂66 kV交换虚拟电路系统搭建模型，利用PSCAD仿真交换虚拟电路装置投切过程，研究分析出在某些工况下相控电抗器两端出现了较大的投切过电压，可加速相控电抗器匝间绝缘层的老化，是相控电抗器损坏的原因之一。

66 kV直挂交换虚拟电路；相控电抗器；避雷器

长期以来，受到绝缘水平、器件制造工艺、技术水平等的制约，我国交换虚拟电路SVC（switching virtual circuit）装置的最高电压等级一直为35 kV。所以一般都是通过主变三次绕组或者降压变压器等设备，将SVC设备（35 kV）连接到66 kV电网的方式，如图1所示。

图1 传统SVC接入66 kV电网接线图

1 66 kV直挂式SVC装置

近些年来，用光直接照射晶闸管触发晶闸管技术LTT(light triggered thyristor)越来越成熟，使得SVC中的晶闸管导通角控制突破了传统的电—光、光—电模式，LTT采用的光—光模式使得隔离问题得到有效解决，推动了66 kV SVC直接接入方式的发展[1]，如图2所示。

图2 66 kV直挂SVC接入66 kV电网接线图

国内首套66 kV直挂式SVC装置于2009年在东鞍山220 kV变电站正式投运，随后陆续有同类型设备在66 kV线路较多的区域（例如辽宁电网）投运。实践证明，66 kV直挂式SVC较以往的接入方式有如下优点：动态响应速度更快；装置的损耗更小；直挂母线上，不需变压器，系统运行可靠性更高。

经过几年的实际运行，人们已经逐步完善66 kV直挂式SVC阀组的触发和冷却技术，并且优化了控制策略。而66 kV直挂式SVC的主要器件之一相控电抗器发生击穿故障的问题一直没有得到有效解决。如220 kV东鞍山变电站安装有一套66 kV直挂SVC系统（140 Mvar），运行期间发生过两次相控电抗器击穿故障。由于相控电抗器的更换较麻烦，因此大大降低了设备的使用效率。

经过现场考察，该变电站附近有大型矿山和烧结厂，空气的矿粉等杂质较多，这些杂质在相控电抗器表面不断累积，进入到相控电抗器匝间绝缘层的破损缝隙中，导致匝间短路。为此，变电站值守人员加强了对现场相控电抗器的清理保养工作，为其安装了伞帽和伞裙。但是这些外部措施无法解决SVC投切过电压对相控电抗器的冲击。根据相关文献，电抗器在工作过程中常常受到各类过电压的影响，高幅值的过电压会加速电抗器匝间绝缘劣化，引起事故[2]。为此，需要考虑从系统内部对其进行保护。

1.1 投切过电压

一套晶闸管控制电抗器TCR(thyristor control reactor)型SVC装置中往往包含了大容量电感器件（例如相控电抗器）和电感器件（多组滤波电容器），当进行SVC投切操作时，这些电感和电容元件之间自然会有电磁能量的相互转换，进而发生过电压。此类过电压持续时间较短，通常会有较高的幅值、较高频率的振荡以及较高的阻尼[3]。

为了简单明了地分析，将TCR型SVC简化为串联等值电路，如图3所示。

图3 SVC串联简化电路

图中的R、L、C分别表示简化电路中的总的电阻、电容和电感，R＝RS＋R0、L＝LS＋L0、C＝CS＋C0、C=C0、电源电动势e(t)=E sin(ωt+φ0)。RS、LS分别表示电源和变压器的等效电阻和等效电感，R0、L0和C0分别表示SVC的等效电阻、电感和电容。以合闸为例，当正常合闸操作前，电容C两端电压为0，当闭合开关后，相当于L和C组成串联振荡回路。该电路方程为

进一步简化，忽略电路中的电阻，即回路的衰减系数σ=0。如果合闸时的初始相角φ0=90°，那么式子可化简为

式(2)中可以看到，SVC合闸的过程其实就是电源向L、C充电振荡的过程，而分闸的过程则是一个放电振荡的过程。

由于实际的一套SVC系统所包含器件众多，通过数学公式来推导投切过电压是非常繁琐的过程。为此，采用目前比较流行的PSCAD软件对66 kV直挂SVC进行建模，仿真分析投切过电压对相控电抗器的影响。

1.2 SVC系统模型的建立

SVC系统仿真模型如图4所示。一个等效内阻为0的理想220 kV电压源，经过YNd11，150MVA和180 MVA的2个变压器（根据变电站实际参数），将220 kV降压到66 kV，SVC的TCR和固定电容器补偿装置FC(fixed capacitor)并在66 kV母线上，66 kV母线安装有母线保护避雷器。估算母线到变压器间的线路电阻约为0.6Ω，电抗为19.57 mH。

图4 东鞍山变电站SVC系统仿真模型

1.3 TCR模型的搭建

TCR部分主要由相控电抗器和晶闸管阀组成。相控电抗器模型搭建完全根据现场实际情况，对称分布在阀组的两侧，并用串联的电阻代替相控电抗器的等效电阻，阻抗两端再并联一个电容，等效其匝间电容，各参数值参考实际数据设定。阀组部分每相是由30个晶闸管组串联起来的，仿真中将每相的晶闸管组用一个晶闸管组去代替，已经证明，相同参数的一个晶闸管组去代替一串晶闸管组不会影响仿真结果。晶闸管触发角范围是120°～165°，同时为每个晶闸管组配置了相应的阻容吸收回路。由于SVC的FC部分模型搭建较简单，所以不再进行描述。

1.4 投切过电压的仿真分析

由主接线图可以知道，此套SVC的3、5、7、11次滤波器分别接有断路器，TCR分支上没有单独的断路器，在TCR和FC的总支路上接有一个断路器，故可以得知投切组合有多种。有TCR单独投切除、所有滤波支路投切、TCR与所有滤波支路投切、TCR与3、5、7次滤波考虑到投切时晶闸管导通角会影响仿真结果，所以在晶闸管导通角范围120°～165°中选择120°、135°、150°、160°时分别进行仿真和分析。通过仿真得到以下结论，如表1所示。

表1 SVC投切过电压仿真结果对比表kV

1.4.1 TCR支路单独投切

当投入SVC中的TCR时，相控电抗器两端电压并没有明显的变化，出现的过电压幅值较低，不影响电抗器的安全运行。投入后，TCR支路跳闸将引起相控电抗器瞬时过电压。相控电抗器两端电压在触发角为120°时为最大，达到520 kV，远大于相控电抗器操作冲击耐受水平峰值(140×≈198 kV)。

1.4.2 3、5、7、11次滤波支路投切

3、5、7、11次滤波支路依次投入时，会使相控电抗器两端的电压产生波动，但是幅值变化比较小，因此基本没有产生过电压。投入后，若全部滤波支路同时跳闸时，会引起相控电抗器瞬时过电压，达到350 kV，超过了相控电抗器操作冲击耐受水平峰值。

1.4.3 TCR与滤波支路组合切除

在多种组合中，TCR与所有滤波支路投切、TCR与3、5、7次滤波支路投切、TCR与3、5次滤波支路和TCR与3次滤波支路投切时，相控电抗器两端电压最大发生在触发角160°时的TCR与3次滤波支路的投入后SVC总断路器切除，幅值为190 kV，但没有超过相控电抗器操作冲击耐受水平。上述数据是因为TCR与各个滤波支路组合构成了回路，当被切断时，相控电抗器两端的过电压可以通过各个滤波通道释放，切断后电压振荡是TCR与FC形成振荡回路，由于滤波支路、电抗器和阀组都有电阻，振荡是逐渐衰减的。

1.4.4 单次滤波支路投切

3、5、7、11次滤波支路依次投入时，会使相控电抗器两端的电压产生波动，但是幅值变化比较小，基本没有产生过电压。当11、7、5、3次某一个滤波支路单独跳闸时，相控电抗器两端电压波动比较大，过电压都未超过相控电抗器的耐受电压值。

2 结论

通过仿真结果，可以认为，在某些特殊工况下（如刚刚投上TCR后又马上切除）相控电抗器两端的投切过电压值非常高，甚至达到5.2×105V，即使是瞬时发生的，也会对相控电抗器带来冲击和损害。这些损害往往在电抗器的内部，不易被发现，若遇上其他不利因素（如现场污秽等级高）很有可能导致整个相控电抗器的损坏。

为了保证66 kV直挂SVC的稳定运行，不但需要加强设备的巡视和维护工作，在投切过程时也要尽量避免这些特殊工况的发生。

[1]安万洙，王剑，王晓艳,等.66 kV直挂式SVC双冗余控制系统[J]．电气时代，2010（2）：48-51.

[2]栗时平，刘桂英.静止无功功率补偿技术[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3]谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

Simulation Research on 66 kV Vertical SVC Switching Overvoltage

XU Boyu1,WU Junjie2,ZHAO Puzhi3
（1.State Grid Tieling Power Supply Company of Liaoning Electric Power Supply Co.,Ltd.,Tieling,Liaoning 112000,China; 2.State Grid Jiangnan Power Supply Company of Xinjiang Electric Power Supply Co.,Ltd.,Kashi,Xinjiang 844000,China; 3.State Grid Xinjiang Power Supply Co.,Ltd.,Urumqi,Xinjiang 830002,China）

66 kV vertical SVC has been already put into operation in several transformer substations.In view of tree discharge or breakdown failure frequently happening in the phase-controlled reactor in the 66 kV vertical SVC,PSCAD software is used to conduct a simulation research on 66 kV vertical SVC system installed on Donganshan 220 kV transformer substation.It is concluded that SVC switching overvoltage might happen at both ends of phase-controlled reactor,which might accelerate insulation aging and damage of phase-controlled reactor.

66 kV vertical SVC;phase-controlled reactor;arrester

TM72

A

1671-0320（2017）01-0064-04

2016-08-19，

2016-10-28

徐博宇（1982），男，辽宁铁岭人，2005年毕业于沈阳农业大学农业电气化及其自动化专业，工程师，从事变电运行、检修管理工作；武俊杰（1986），男，内蒙古赤峰人，2015年毕业于华北电力大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，从事变电运行、检修管理工作；赵普志（1985），男，四川阆中人，2008年毕业于重庆大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，从事技术监督管理工作。