220 kV线路并联电抗器工程应用研究

孙健杰,袁明哲,殷攀程,张 治,陈 翔

(1. 国网四川省电力公司成都供电公司,四川 成都 610041;2. 国家电网有限公司西南分部,四川 成都 610041)

0 引 言

中国500 kV及以上的超(特)高压输电线路,距离一般长达数百公里甚至上千公里,线路容性充电功率较大,通常采取在线路首末端装设并联电抗器以解决无功平衡和过电压问题[1-2]。

现阶段城市供电逐渐向电缆化方向发展,由于电缆対地电容较大且迁改线路较长,也会导致线路充电功率过大的情况[3]。因此,目前有较多220 kV变电站同样需要设置并联电抗器对容性充电功率进行就地消纳,防止无功串行和影响电网的正常运行[4-6]。

目前,220 kV线路加装并联电抗器工程在国内的实例较少,工程实践应用缺乏典型经验可循。一方面,在220 kV及以下电网中,因容性无功功率相对较少,未在高压侧配置感性无功补偿装置,因此,220 kV并联电抗器目前并无通用设计和典型设计参考;另一方面,虽然500 kV高压电抗器应用已然成熟,但由于其接线方式和一、二次设备配置与220 kV差别甚大,经验不具备借鉴性[7]。

基于上述现状,下面将以工程实践应用为切入点,详细介绍了220 kV线路高压电抗器扩建过程中的工程设计原则、技术要点及运行典型经验等,并对工程技术难点进行分析研究。

1 工程设计原则

现国内220 kV及以下变电站加装高压并联电抗器多参照330 kV及以上高压并联电抗器加装方式,具体设计原则应结合现场实地勘察和变电站实际情况确定[8-9]。

1.1 电气主接线方式

高压电抗器加装于线路侧,一般采用引下线“T”接方式并入,与间隔共用出线侧避雷器,不改变电气主接线方式,其主接线如图1所示。

图1 线路并联高压电抗器主接线

1.2 主要设备选择

220 kV及以上电压等级的并联电抗器绝大多数采用油浸式铁芯电抗器。为了避免与线路电容形成并联谐振,合理选择电抗器的容量十分重要。

在设计并联电抗器的容量时,除了要考虑限制工频过电压外,还涉及到系统的稳定、无功功率平衡、自激电压和谐振等问题。因此电抗器的容量选择与安装方式要根据系统的结构、参数及运行情况等因素确定方案。

表1所示为单位线路长度下,电抗器容量在不同充电功率下的合理选择范围。其中,220 kV电压等级电抗器一般按三相设计,330 kV及以上电压等级电抗器由于容量较大,大多数按单相设计[9]。

表1 单位线路长度容性充电功率和合理容量

1.3 二次系统配置

220 kV并联电抗器配置双重化的主、后备保护一体电抗器电气量保护和一套非电量保护。相应220 kV线路两侧断路器的双套线路保护均应配置集成过电压保护功能的装置,具体配置情况见表2。

表2 220 kV高压电抗器保护及相应线路保护配置

2 技术要点

2.1 相关保护配置不合理

2.1.1 存在问题

在某220 kV线路高压电抗器扩建工程前期,高压电抗器的电量保护及非电量保护采用通过启动对应线路保护的远跳回路实现跳对侧断路器的设计方案。

当高压电抗器保护发远跳命令跳对侧断路器时,需经对侧断路器就地判据,满足就地判据后方可跳闸。就地判据就是保护装置启动即可跳闸,装置启动的判据是零序电流和电流变化量达到整定定值。在现有保护配置下,此方案存在以下问题:

1)在高压电抗器发生轻微故障或者高阻接地时,对侧就地判据并不能可靠启动或对侧断路器拒动,导致高压电抗器故障时不能快速脱离电源点,可能造成电网故障扩大或者设备损坏;

2)高压电抗器电量保护启动采用启动线路保护远跳方式跳对侧断路器时,不能区分是否启动对侧母线失灵回路,将造成对侧母线保护拒动或者误动的风险。

2.1.2 解决方案

220 kV线路两侧断路器的双套线路保护均改造为集成过电压保护功能的装置。

集成过电压功能的线路保护远方跳闸就地判据一般有7个判据,即电流变化量、零负序电流、零负序电压、低电流、低功率因数、低有功功率等。各个判据均可由整定方式字决定其是否投入,任何一个判据满足时均可启动跳闸出口,更好地保证对侧断路器不会拒动[11]。

2.2 完善高压电抗器保护解母线保护复压功能

2.2.1 存在问题

常规220 kV线路保护不需要接入母线保护的失灵解复压回路。通常认为线路故障即使可能经高阻接地,母线电压依然会有较明显的变化,完全可以达到失灵保护的复压开放条件。当线路并接高压电抗器后,情况则有所不同。

高压电抗器作为一种特殊变压器,属于高阻元件,其铁芯绕组阻抗极高。当电抗器末端故障时,首端的线路电压及母线电压可能变化不明显,不足以达到失灵保护电压开放的条件。同理于变压器低压侧故障时高压侧电压变化不明显的情况[12]。

在这种情况下,高压电抗器故障且断路器失灵时可能出现失灵保护拒动的情况,进而造成事故扩大或者设备损坏。

2.2.2 解决方案

将高压电抗器保护的一组启动失灵备用接点开出至母线保护的线路失灵解闭锁开入中,增加高压电抗器保护至母线失灵保护的解复压回路,实现高压电抗器保护动作同时启动失灵、解复压的一并开出。图2为某220 kV线路高压电抗器保护解复压回路。

图2 某220 kV线路高压电抗器保护解复压回路

2.3 线路保护

2.3.1 存在问题

在线路轻载运行时,可能因为长线路的电容效应导致线路末端产生过电压,此时需要线路保护的过电压保护功能切除线路两侧断路器。

1)当线路正常运行时,线路电压与母线电压相同,故保护取母线或线路二次电压均不影响过电压保护正常动作。

2)当线路本侧断路器热备用或冷备用,同时对侧断路器向线路充电时,线路电压与母线电压则存在差异。一旦线路出现过电压的情况,母线电压依然稳定不变,导致线路过电压时线路保护拒动的可能。

2.3.2 解决方案

线路过电压保护功能须采集线路侧电压才能正确判断出线路过电压状态,继而切除线路两侧断路器。

2.4 高压电抗器保护远跳功能实现方式

2.4.1 存在问题

220 kV线路保护通过远方跳闸功能实现跳线路对侧断路器[13]。对于配置过电压及远方跳闸功能的线路保护而言,当线路对端的母线保护、电抗器保护等动作时均可通过光纤通道发远跳信号。其中,启动远跳功能可通过3种开入实现,分别是远跳(远方其他保护动作)、远传1、远传2。

远传1开入经远传收信逻辑和相应的就地判据实现远跳功能,与远跳命令逻辑相同;但是远传1经过的就地判据条件更为多样,增加了低电流、低功率因数、低有功功率等判据可供选择,因此能够更为准确、快速地判断故障情况,有效防止断路器拒动。

远传2开入则不经就地判据,即本端光纤通道收到对端“远传2”命令时,不经故障判据直接三相跳闸。所以远传2一般不用来远跳对侧断路器,可用作如启动对侧故障录波等信息传输功能。

在线路加装并联电抗器后,高压电抗器电量保护及非电量保护动作后如何配合线路保护实现跳线路两侧断路器是工程设计的一个关键问题。

2.4.2 解决方案

1)高压电抗器电量保护启动远方跳闸接入相对应线路保护的远传1开入(要求启对侧母线保护失灵),对应线路保护自身远跳开入不变;对侧220 kV线路保护收远传1接点接入操作箱TJR跳对应断路器,并利用保护动作节点启动母线保护的该线路间隔三相失灵。电量保护启动远传回路如图3所示。

图3 220 kV线路高压电抗器电量保护启动远传回路

2)高压电抗器非电量保护通过电缆接本侧线路保护装置实现非电量跳闸信号关联对应的1、2号线路保护的远传1开入(虽然规范要求不启动对侧母线保护失灵,但目前实际设备难以满足条件)。非电量保护启动远传回路如图4所示。

图4 220 kV线路高压电抗器非电量保护启动远传回路

3)在进行线路高压电抗器保护检修时,电量保护和非电量保护均可通过退出启动远方跳闸出口软/硬压板,实现防止误跳对侧断路器及误启动对侧母线失灵开入。

2.5 母线保护模型

2.5.1 存在问题

高压电抗器电量保护启动失灵回路应关联至相应220 kV母线保护的本线路间隔三相启动失灵,而线路保护则关联为本线路间隔分相启动失灵[14-15]。

此种情况下,可能存在母线保护硬件配置或软件模型不支持一个支路接收不同保护各自的启动失灵开入。对于常规站而言,母线保护的装置硬件可能缺少相应接口回路;对于智能站而言,母线保护模型则可能要求同一个间隔的A、B、C分相及三相启动失灵开入必须要求关联来自同一保护装置GOOSE控制块。

2.5.2 解决方案

根据工程实际情况,对母线保护硬件配置或程序版本和模型进行升级,以实现每个支路支持接收两组失灵开入的能力,并且分相和三相两组启动失灵需经过独立接收软压板控制,如图5所示。

图5 220 kV线路间隔启动失灵回路

若更改整个母线保护模型,则与之对应的所有间隔必须全部进行传动试验;若只针对失灵开入功能模块进行程序和模型升级,保持母线保护输出控制块模型不变,则无须重复进行传动试验,升级完成后与升级前出口报文比对无误后便可投入运行。

3 运行注意事项

3.1 定值中的注意事项

220 kV高压电抗器保护定值与其他保护的定值有很大的差异,具体体现在两个方面。

1)各类保护装置的定值均需要人为进行整定,但高压电抗器保护仅需要整定系统参数,各种保护定值项均由装置自动生成,部分厂家通过“自动整定定值”控制字进行控制。建议采用人工整定方式以便于根据实际运行情况进行调整。

2)220 kV电抗器与500 kV电抗器结构虽然相同,但其铭牌参数所代表的含义可能不尽相同。如500 kV电抗器铭牌容量表示分相容量[16],而220 kV电抗器铭牌容量可能表示三相容量,导致在定值整定时容易出现重大错误。

3.2 送电时光纤差动保护投退注意事项

当对侧站或本侧站对电抗器进行空载充电时,电抗器产生的感性电流与线路产生的容性电流相互补偿,线路保护感受到的电流和差流基本为0。当线路并联电抗器时,保护逻辑有相应的考虑措施,通过合理整定线路保护的定值,可完全避免高压电抗器对光纤差动保护的影响,故不用退出线路保护的光纤差动保护。

3.3 电抗器对220 kV备自投装置功能的影响

220 kV变电站的220 kV备自投多采用进线备自投方式,在某一进线加装高压电抗器后,可能会对备自投功能造成一定影响。

在对某变电站220 kV备自投进行传动试验时,通过比对备自投动作报告发现当加装高压电抗器的A线路主供时,拉开该线路对侧断路器,其跟跳断路器动作时间相对其他传动方式晚78 ms,具体情况见表3。

两种情况的故障录波波形如图6—图7所示。对比分析可以得出由于A线路有非线性元件电抗器,当拉开A线路对侧断路器时,因本侧220 kV母线无负载,电压不会快速下降,存在电压下降过程。两种情况下,从主供电源电压消失至备自投动作成功,所用时间分别为6455 ms(A线路)和2172 ms(B线路)。

图6 A线路(图中265)主供时220 kV备自投动作波形

图7 B线路(图中263)主供时220 kV备自投动作波形

由此可得A线路并联电抗器运行作主供电源时,由于储能元器件的存在[17],在220 kV母线空载运行时将导致220 kV备自投动作时间延长,系统恢复正常时间迟滞。

4 结 论

上面结合国内实际工程实例,对220 kV线路加装并联电抗器的技术难点进行了研究分析,并针对现行规程规范中无明确要求或相关要求难以实际落实的关键问题提出了较为合理、明确的处理思路和解决方案,以期解决现场设计和施工人员的相关疑惑和困扰。