亚洲首个500kV 可控串补(TCSC)工程天广交流输变电平果变电站可控串补

• MOV 过电流：MOV 强电流保护被用来瞬时发 出触发放电间隙的信号，使间隙导通（≤ 1ms），以减少在严重内部故障时 MOV 的能 量吸收。是否触发火花间隙和合上旁路断路器 仅根据流经 MOV 电流的大小作判断。
(A) 固定串补线路电流保护功能（LCU）
• 间隙延长导通：如果一段时间后，间隙电流超 过预设值，视为间隙延长导通。
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TCSC 段和 FSC 段都可以通过一个单独的旁
可以在各种负荷情况下都能正常工作。
路断路器分别投入和退出。通过人机操作系统 HMI 测量原理见图 2：
可进行单相或三相自动投入和退出操作。 隔离开关（DS1/DS2）和接地开关（ES1 和
图 2：光电测量原理
ES2）以及主旁路开关（MBS）都可以就地操作或
电容器组由使用瓷外套金属氧化物避雷器 MOV 保护，避免承受过电压。每相 MOV 的容量 为 37MJ。
此外，还用到双室火花间隙保护方案，在出现 线路区内故障时，这个火花间隙会在 1ms 之内被 保护系统触发，它可以承受高达 40kA 的短路电 流，持续时间为 1 秒。在外部的线路保护发出触发 指令时，间隙也可以按要求在一毫秒内完成选相触 发，并发出临时旁路串补的操作指令。
入），平台故障保护，阀监视 • MOV：MOV 过负荷保护，MOV 过电流保
护 • CAP：电容器不平衡，电容器过负荷保
护，断路器失灵监控
（A） TCSC 线路电流保护功能（LCU）
• 阀过流：出现故障时如果由于旁路断路器 出现内部故障无法合上，则故障电流将持 续通过阀。为了保护阀不至于过热，保护 系统将发出线路跳闸命令。
（C）固定串补电容器的保护功能（CAP）：
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• CAP 不平衡报警：如果不平衡电流超过低定 值，2 秒后（默认值）会有报警。
• CAP 不平衡旁路（低定值）：若不平衡电流大 于低定值，7200 秒之后（默认值）将串补永久 性旁路。
• CAP 不平衡旁路（高定值）：若不平衡电流大 于高定值，在 20 毫秒后将串补永久性旁路。
亚洲首个 500kV 可控串补（TCSC）工程 天广交流输变电平果变电站可控串补控制与保护系统设计方案
K Braun, H Spachtholz, M Beck, 周彦 （西门子公司，德国，爱尔兰根）
彭饱书，龚天森 （中国南方电网公司，广州）
摘要
串联补偿装置广泛应用于增加高电压、长距离 和大负荷送电系统的稳定性。电力电子技术的使用 使串联补偿具有更大的灵活性与实用性，其中的好 处可以从分两段布置的电容器组中看出来，其中可 控串补 TCSC 和固定串补 FSC 设备均放在同一平 台上。每段都使用一个独立的旁路断路器来分别将 电容器组投入或退出（旁路）。
光信号传输
光能传输
数字
接收器
信号处理器
地面
激光二级 管
能量
电流无关。这样有利于在很低的负载电流情况下也 可以检测到损坏的电容器单元。
2
• 间隙自触发：在没有触发指令的情况下，间隙
不平衡电流
25% I_rated = 500A
1,8A
I_rated = 2000A
Bypass = 1.71A 20 msec delay
通过远方 HMI 来操作。
光能
III．保护系统特点概述
冗余设置 光信号 每个串补段（FSC 段和 TCSC 段）的保护系
统都包括两个完全相同的、并且互相独立工作的保 护系统。它们与控制系统硬件也是相互隔离的，即
标准硬件模块构成 保护系统使用数字逻辑技术，其保护功能通过
型式试验和现场调试进行了验证。专用的硬件模块 实现特定的保护功能，硬件模块内都使用标准快速 数字信号处理器（DSP）。
保护功能被分解成多个功能块，每一个功能块 都是由相同的硬件但不同功能的软件来实现。
使在失去控制系统和 HMI 系统时，也能保证可靠
IV．FSC 段的保护设计
地清除保护系统的故障。 自诊断功能
自监诊断系统对硬件和软件模块进行不断的例 行检测，不需要定期的人工检查测试。 便于更新和高稳定性
所有的保护功能都是用数字逻辑回路实现的。 光电测量系统
平台已隔离，线路跳闸命令就会失效。逻辑原理图 如下：
Capacitor Current >200A (per Phase) 电容器电流
Bypass Breaker Current <180A (per Phase) 旁路断路器电流
&
Bypass Breaker Close Command (per Phase) 旁路断路器合闸命令
Definite Closed = Feedback Closed AND NOT Open 确定合闸=反馈合闸以及未打开
LIN 线路跳闸 TERI
图 4：旁路断路器失灵逻辑原理图
V．TCSC 段保护概念
除了典型的串补具备的保护功能以外，此 系统还具备专门的晶闸管点火和监控功能。除 了每相容量 6MJ 的标准 MOV 过电压保护外， 还有一个起保护作用的是晶闸管阀保护装置 （运行在 TPSC 模式），而不是采用火花间隙 保护方案。
按照设计，整组电容器组是可以在 2.2kA 的电 流情况下长期运行的，最大电流可以达到 3.96kA，允许通流 10 秒钟，用于抑制系统功率振 荡。
图 1：天广 TCSC 单线图 串补 TCSC 和 FSC 的保护系统包括以下四个 部分： - 保护 1 和 2，用于保护 TCSC 段 - 保护 3 和 4，用于保护 FSC 段
MBS Definite Closed (per Phase) MBS 确定合闸 NO T
ON time delay 时间延迟
T0
200
LINE TRIP
DS1 Definite Closed (3-Phase) DS1 确定合闸
1
DS2 Definite Closed (3-Phase) DS1 确定合闸
为了确保在任何相位时，闸流管阀都能可 靠导通，触发脉冲以 10µs 宽的信号发出，间 歇 30µs 然后发出下一次脉冲信号。这个脉冲 将在故障排除后持续至少 250 毫秒。
TPSC 模式是在出现线路区内故障后 1 毫 秒之内，晶闸管阀点火导通将电容器快速旁路 承受故障电流，直至旁路断路器合上为止。这 种情况下，闸晶管阀能承载 40kA 的短路电 流。
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• 阀拒绝触发：在阀触发命令发出之后，阀 电流必须在一定时间之内超过预设电流 值，否则阀被视为拒绝触发。
• 不同步触发：TCSC 系统中晶闸管为双向 反并联连接以保证电流双向导通。 通过测量比较阀导通期间正半周和负半周 中电流平均值来判别是否发生不同步触 发，如果发生阀不同步触发，旁路断路器 将被锁定在合闸状态。
• MOV 不平衡保护：MOV 不平衡保护通过检测 各 MOV 分支电流的差值来判别，如果 MOV 柱 中有 MO 阀片故障会产生电流差值。
• 间隙拒绝触发：接收到一个触发指令之后，间 隙无法导通。
• 外部间隙触发：接收来自于线路保护系统的外 部间隙触发指令。
• 间隙延迟触发：接收到一个触发指令之后，流 过间隙的电流滞后。
• 平台故障：功能同 FSC 平台故障保护。 • 三相不一致：三相不一致保护通过监视
• 电容器过负荷保护：避免电容器承受高于限压 设备如 MOV 的保护电压。串补电容上的允许 承受的过电压是一个反时限的电压有效值。
• 断路器失灵监控：在一个旁路指令（永久性的 或暂时性的）发出之后， 电容器电流必须降到 设定值以下而旁路断路器电流则要升到设定值 以上。否则，旁路断路器将被视为失灵，这种 情况下，将跳开线路断路器。 一旦主旁路开关 MBS 反馈显示已确定合闸或
保护系统是一个在高压平台上进行测量的地面 系统。 所有的信号都通过位于平台上的常规低压 电流互感器或电压分压器测量。测量到的数据被转 换成光信号通过光纤传送到地面。位于地面的激光 二极管以激光的形式给位于平台上的光电传感器供 电。测量系统不需在平台上通过线路电流获得电 源，也不需要在平台上放置蓄电池，这个设计可以 实现保护系统在线路电流为零，以及电流反转时也 具有完整的保护功能。这样不必在线路负荷电流很 小时进行操作退出串补装置，从而保证了串补装置
II. 系统单线图和主参数
天—广平果可控串补站位于 500kV 天生桥至 广东一回和二回线路中的平果变电站。系统单线图 见图 1。
在额定电流为 2kA 时 FSC 段的三相额定容量 是 350Mvar。TCSC 段的三相额定容量是 55Mvar。TCSC 段的阻抗为 4.15 欧姆，可以通过 控制晶闸管的触发导通角度使其阻抗提高到 12.45 欧姆（3.0pu）。通常情况下，TCSC 段在 4.57 欧 姆（1.1 pu）的状态下长期运行。
• MOV 过热：根据测量到的 MOV 电流，能用一 个温度模型来连续地计算出整个 MOV 的温
• LCU：线路电流监控（允许或防止重新投
度。
入），平台故障保护，放电间隙监控 • MOV：MOV 过负荷保护，大电流保护 • CAP：电容器不平衡保护，电容器过负荷保
护，断路器失灵监视。 每一个保护功能的整定值和延时设定都可以通 过使用人机操作系统 HMI 很方便地调整。这使得
Platfor Disconne 平台断开
NO
d
T
CM DLIN TERI P
DS1 or DS2 closed = Platform Energized DS1 或 DS2 合闸=平台充电
DS1 and DS2 not closed = Platform Disconnected DS1 和 DS2 合闸=平台断开
导通。 • 平台故障：大电流时的瞬时过电流保护以及一
1,4A
1,0A
0,6A 0.43A
Bypass = 0.8550E-3 * I_CAP 2h delay