5 串補裝置引起的次同步諧振問題
在超高壓遠距離輸電系統(tǒng)中采用串聯(lián)電容補償技術(shù)后，尤其是大型汽輪發(fā)電機組經(jīng)串補(特別是補償度較高時)線路接入系統(tǒng)時，在某種運行方式或補償度的情況下，很可能在機械與電氣系統(tǒng)之間發(fā)生諧振，其振蕩頻率低于電網(wǎng)的額定頻率，稱為次同步諧振，可通過含有串聯(lián)電容補償裝置的單機對無限大線的輸電系統(tǒng)[6>(見圖4)簡述其原因。

圖中，Ra為發(fā)電機定子電阻；XG為發(fā)電機等值電抗，XG=2πfLG，LG為發(fā)電機電感；RT為變壓器電阻；XT為變壓器電抗，XT=2πfLT，LT為變壓器電感；R1為線路電阻；Xl為線路電抗，Xl=2πfLl，Ll為線路電感；Xc為串聯(lián)電容電抗，Xc=1/2πfC，C為串聯(lián)電容器電容。
由圖4可知，串聯(lián)系統(tǒng)的總阻抗與頻率有關(guān)，即

式中 L 為發(fā)電機、變壓器及線路的電感之和。
由于輸電線路中串聯(lián)補償度一般小于1，因此回路的電氣諧振頻率fe小于系統(tǒng)的額定頻率fn ，因此稱之為次同步諧振。
裝有串聯(lián)電容補償?shù)妮旊娋€路發(fā)生電氣諧振時，同步發(fā)電機在諧振條件下相當于一感應(yīng)電動機。如任何沖擊或擾動引起的次諧波電流在同步發(fā)電機內(nèi)建立起旋轉(zhuǎn)磁場，以2π(fe－fn)的相對速度圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子將受到一頻率為(fn －fe)的交變力矩的作用。(fn －fe)等于或十分接近發(fā)電機軸系的任一自振頻率時，就可能發(fā)生電氣–機械共振現(xiàn)象。
大型多級汽輪發(fā)電機組軸系在低于額定頻率范圍內(nèi)一般有4-5個自振頻率，因此容易發(fā)生次同步諧振。次同步諧振的后果較嚴重，能在短時間內(nèi)將發(fā)電機軸扭斷，即使諧振較輕，也會顯著消耗軸的機械壽命。美國MOHAVE電廠在1970年12月和1971年10月先后發(fā)生過兩次次同步諧振，使兩臺300MW發(fā)電機組嚴重受損[6>。
河池及平果串補站建成后，南方電網(wǎng)的500kV西電東送輸電系統(tǒng)中是否存在SSR問題必須予以深入研究。通過頻率掃描法可分析距離河池及平果串補站較近的系統(tǒng)中的汽輪發(fā)電機組(安順電廠的300MW機組和盤南電廠的600MW機組)是否潛藏著發(fā)生次同步諧振的可能性[7>。
在此兩機的機端向電網(wǎng)注入三相對稱單位電流，在次同步振蕩頻率域內(nèi)改變電流頻率，計算系統(tǒng)的阻抗頻率特性Z(jw)，所得的阻抗頻率曲線[5>見圖5-7。圖中曲線1為電阻頻率特性曲線，曲線2為電抗頻率特性曲線。阻抗性質(zhì)(正負)發(fā)生突變的頻率即為電網(wǎng)的電氣串聯(lián)諧振頻率。若此頻率與發(fā)電機某一機械共振頻率之和等于工頻，則可判斷為在此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下可能發(fā)生次同步諧振。
由圖5-7可見，在100Hz以下沒有電氣串聯(lián)諧振點。據(jù)此可以判斷為安順300MW機組和盤南電廠600MW機組不會因河池和平果裝設(shè)串補站而發(fā)生次同步諧振。

6 串補裝置對斷路器暫態(tài)恢復電壓的影響
加裝串聯(lián)電容補償?shù)某邏狠旊娋€路故障時，如流過串補裝置的短路電流很大，串補站的火花間隙將很快動作，電容器被旁路，線路斷路器的恢復電壓與無串補時接近；如流過串補裝置的短路電流很小，串補站的火花間隙有可能不動作，而電容器的殘壓會使線路斷路器的恢復電壓大幅度提高，可能造成線路開關(guān)的損壞。
從對河池FSC及平果TCSC工程進行的系統(tǒng)研究來看，串聯(lián)電容補償裝置的使用普遍提高了其所在超高壓輸電線路的斷路器暫態(tài)恢復電壓水平。通過對串補所在線路單相接地故障、三相短路、兩相短路及兩相短路接地故障后斷路器TRV的研究，斷路器恢復電壓提高幅度可達15%-20%。盡管某些情況下斷路器的開斷電流和恢復電壓上升陡度不大，但仍可導致線路斷路器的TRV超標。建議采取以下措施限制TRV的超標：單相重合閘重合前先將故障相電容器旁路，再重合故障相，然后在判定為非永久性故障情況下再接入該相串補裝置；發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，采取線路斷路器和串補裝置的火花間隙及可控硅閥聯(lián)動措施，即要求線路兩側(cè)保護系統(tǒng)在啟動線路斷路器跳閘的同時，將串補的火花間隙擊穿，且使火花間隙在線路斷路器跳閘前放電。采取上述措施前后的線路斷路器各相斷口恢復電壓如圖8、圖9所示[7>。

限制TRV超標的關(guān)鍵措施是成功旁路串聯(lián)補償電容器。如在開斷故障線路前旁路短接電容器，則該線路就成為無串補的普通線路，斷路器上的恢復電壓自然就降下來。一般在線路潮流較重或距離串補較近處發(fā)生故障時，通過MOV的電流或其吸收的能耗超過電流和能量啟動值可強制觸發(fā)火花間隙，使電容器退出。但在串補所在線路的某些地方發(fā)生短路故障時，如惠水—河池線路0-70km范圍內(nèi)發(fā)生三永故障時，由于串聯(lián)電容器殘余電荷的放電，河池側(cè)線路斷路器的TRV超標，但此時MOV電流及MOV能量均未達到啟動值，不會觸發(fā)火花間隙。
建議在判斷為區(qū)內(nèi)故障時，立即強制觸發(fā)旁路間隙，退出串補電容器，這將是解決線路斷路器暫態(tài)恢復電壓超標的有效方法。但需注意，強制觸發(fā)旁路火花間隙要求間隙兩端電壓大于火花間隙的最小觸發(fā)電壓。
從確保區(qū)內(nèi)故障時成功觸發(fā)火花間隙的角度來講，串補裝置的間隙最小觸發(fā)電壓應(yīng)低一些。但此值還受到其他因素(如間隙的自放電電壓)的牽制?；鸹ㄩg隙的最小觸發(fā)電壓和間隙的自放電電壓密切相關(guān), 前者隨后者的增減而增減。為使強制觸發(fā)成功，最小觸發(fā)電壓應(yīng)低一些，但自放電電壓不能過低，既是為了減小誤放電的危險，間隙自放電電壓受氣壓、溫度、電壓波形因素的影響而有所變化；又是為了間隙在流過故障電流后迅速去游離、恢復介質(zhì)強度和縮短必需的無電壓時間。

7 結(jié)論及建議
隨著西電東送工程的逐步實施，我國電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模必將得到進一步的發(fā)展，串聯(lián)電容補償裝置可能在我國電網(wǎng)中進一步得到應(yīng)用。在串補工程規(guī)劃設(shè)計期間必須對其可能引發(fā)的過電壓、潛供電流、SSR及線路斷路器TRV等系統(tǒng)問題進行深入研究，本文以南方電網(wǎng)河池FSC及平果TCSC實際工程為例，對串補工程中可能出現(xiàn)的有關(guān)系統(tǒng)問題提出以下的解決措施及建議：
(1)由于串補裝置將影響其所在輸電線路沿線的電壓特性，因此需結(jié)合已建線路上的高抗位置校核增加串補后是否導致某些地點電壓超過運行要求。并在滿足輸送容量及系統(tǒng)穩(wěn)定水平的前提下，認真比選線路的串補度，以避免新增加的電容器容抗與已安裝的高壓并聯(lián)電抗器的感抗之間的參數(shù)配合不當而引發(fā)的工頻諧振過電壓問題。
(2)裝設(shè)并聯(lián)電容的輸電線路上發(fā)生接地故障時，在故障相兩側(cè)開關(guān)跳閘的同時(無論故障相MOV能耗或電流是否超過整定值)均要求立即將旁路斷路器閉合，以避免出現(xiàn)較大幅值的低頻放電暫態(tài)分量。
(3)串補所在輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時，故障相兩側(cè)斷路器跳閘后，立即強制觸發(fā)旁路間隙，將旁路斷路器閉合，以避免線路斷路器暫態(tài)恢復電壓超標。
(4)隨著電網(wǎng)的發(fā)展，不能排除在串補站近區(qū)出現(xiàn)新的火電機組的可能性。因此在串補工程建設(shè)初期，可考慮在串補站內(nèi)裝設(shè)抑制或監(jiān)視次同步諧振的二次裝置，或預(yù)留相應(yīng)監(jiān)控裝置的接口以使串補站對系統(tǒng)發(fā)展具有一定的適應(yīng)性