《Electric Power Systems Research》：Research on transient characteristics of TRV under double faults of hybrid reactive power compensation line
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特高压线路混合无功补偿装置双故障下暂态恢复电压特性分析与抑制方案研究。通过建立双故障等效模型分析TRV变化规律，提出高速接地开关抑制方案，仿真验证可有效降低TRV峰值和上升速率，提升断路器可靠性与系统稳定性。
作者名单：何蓓娜、刘晨旭、孟 fantao、韩东豪、董彦晨、高磊、李祖源、戴伟汉、刘烨、金宝、孟磊、丁嘉瑞
山东理工大学电气与电子工程学院，中国淄博市255000
摘要
随着现代电力系统电压等级和输电容量的不断提高，传统的混合式无功功率补偿（HRPC）已无法完全满足特高压（UHV）输电的稳定性要求。在短路故障期间，可控式HRPC会在故障电流中引入高幅度、低频率的振荡，加剧瞬态恢复电压（TRV），对系统绝缘构成严重威胁。为了解决这一问题，本研究基于HRPC的补偿原理建立了UHV HRPC线路的等效双故障模型，推导了不同故障位置和启动时间下的TRV机制，并分析了补偿程度对TRV峰值和上升率的影响。研究揭示了双故障条件下TRV的恶化特性，并提出了一种高速接地开关（HSGS）抑制方案。仿真结果表明，HRPC线路上的双故障可能导致TRV超过标准限值，妨碍断路器的可靠切断；而配置合适的HSGS可以有效降低TRV峰值和RRRV（上升率），从而提高断路器的可靠性和整个系统的稳定性。
引言
随着对电力资源需求的增加，加快UHV项目的建设变得至关重要。然而，随着电力系统电压等级和输电功率的提高，无功功率的变化也更加频繁[1,2]。为了确保系统的稳定运行，国内外学者对输电线路的各种无功功率补偿方法进行了深入研究[[3], [4], [5]]。其中，混合式无功功率补偿（HRPC）不仅可以限制系统电压的升高和运行过电压水平，还可以调节输电线路的无功功率变化，在UHVAC输电项目中具有广阔的发展前景[6,7]。
随着中国电力系统规模的不断扩大和系统复杂性的增加，系统中两点或多点故障的发生频率显著增加，给系统的安全运行和稳定性带来了突出问题。电力系统的发展也增加了大规模停电的可能性[8,9]。作为中国输电线路中最复杂的设备之一，断路器的瞬态特性对电网的绝缘性能和稳定运行有着重要影响[10]。由于电力系统中的多点故障，断路器两端的瞬态恢复电压（TRV）变得更加严重，断路器的绝缘性能受到严重损害。因此，研究复杂故障条件下断路器两端TRV的变化规律尤为重要。
近年来，国内外因电力系统连锁故障导致的大规模停电事件屡见不鲜。例如，2006年德国关闭了一条380 kV的双回路特高压线路，引发多条线路过载跳闸和负荷切除，导致西欧地区发生严重停电[11]；2008年湖南电网因冰雪灾害发生大规模停电；2016年澳大利亚受极端天气影响，风力发电机组大规模故障，引发系统连锁反应，导致长达50小时的严重停电[12]；2019年美国纽约发生大规模停电；2021年春季重庆变电站未能及时跳闸，导致大规模停电；2022年台湾兴达电厂故障导致549万户用户停电[13]。随着中国电力系统复杂性的增加，在气象条件等因素的影响下，输电线路发生短路故障时很容易引发系统连锁反应，导致多条线路同时故障和大规模停电[14]。随着HRPC设备在柔性交流输电系统中的广泛应用和发展，电力传输网络的稳定性和运行效率得到了显著提升，为电力系统的未来发展提供了新的方向。在这些设备中，串联补偿单元通过与交流输电线路串联连接，有效提升了系统的输电能力。该装置主要由电容器组、保护电路和控制系统模块组成[15]。研究HRPC线路的瞬态特性，分析复杂故障条件下断路器的开断特性具有重要的工程价值。在复杂故障中，双故障最有可能发生，因此本文讨论了双故障对HRPC线路TRV瞬态特性的影响。研究中，断路器采用由理想开关与分段线性弧电阻串联组成的简化等效模型进行表示；接触分离顺序为发送端断路器35毫秒、接收端断路器50毫秒，以模拟实际断开时间。研究遵循相关国际标准，重点关注两个决定性TRV指标——峰值和恢复电压上升率（RRRV）。
本文以荆东南-南阳-荆门UHV线路为例。首先分析了HRPC的功能结构和工作原理；其次建立了UHV HRPC线路双单相接地故障的等效模型，并理论推导了双故障下TRV的变化规律；第三使用PSCAD软件建立了UHV HRPC输电线路的仿真模型，研究了双故障对TRV的影响并验证了该方法的有效性；最后提出了一种基于高速接地开关（HSGS）的抑制方案，评估其在降低HRPC线路TRV和增强输电系统稳定性方面的效果。
UHV HRPC
HRPC由晶闸管控制串联补偿（TCSC）和分层可控高压电抗器组成[16]。TCSC通过闭环阻抗控制改变晶闸管阀的触发脉冲信号，实现晶闸管触发角控制，从而改变系统的等效阻抗，并控制系统的无功功率变化[17]；分层可控电抗器通过控制晶闸管阀的数量来改变电抗器的接入数量。
HRPC线路TRV机制的双故障分析
本文考虑了输电线路的双故障情况。基于系统等效拓扑建立了输电线路的单相等效模型。假设在t=0时发生第一次故障，在
时发生第二次故障。分析了双故障下HRPC线路的TRV变化情况。单次故障等效模型如图3所示，第二次故障等效模型如图4所示。
当线路发生第一次故障时，接地支路电流...
单相接地故障对HRPC线路TRV的影响
基于1000 kV、645公里的荆东南-南阳-荆门UHV示范线路，建立了装有HRPC的UHV输电线路仿真模型。假设HRPC安装在南阳站，补偿度为40%，并在1.0秒时发生单相接地故障。根据断路器开断时间标准，1.035秒时前端断路器跳闸，1.050秒时后端断路器跳闸。基于不同的故障位置，分析了单相故障对...
故障位置对TRV的影响
为了分析双故障对HRPC线路TRV的影响，本文以1000 kV、645公里的荆东南-南阳-荆门UHV示范线路为例。假设HRPC安装在南阳站，补偿度为40%。根据输电线路中双故障的位置，分析了双故障对HRPC线路TRV的影响，如图6所示。根据图7中的TRV波形和电压恢复趋势...
HSGS对HRPC线路TRV的抑制效果
根据国家标准GB/T 24838–2018《1100 kV高压交流断路器》，合成测试将短路开断试验分为四种类型，分别对应于T100、T60、T30、T10和OP1–OP2[20,21]，这些试验基于断路器的额定短路电流以及发电机失步故障进行分类。
为了减少TRV瞬态特性对断路器的影响，本文提出使用HSGS来抑制HRPC的TRV...
结论
基于1000 kV、645公里的荆东南-荆门-南阳UHV示范线路，建立了装有可控HRPC的UHV交流输电线路等效模型。分析了双故障对UHV HRPC断路器开断特性的影响，并提出了相应的抑制措施。系统量化了故障类型、网络参数以及HRPC元件（尤其是TCSC电容器中残留电荷）的影响...
CRediT作者贡献声明
何蓓娜：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论设计、调查研究、资金筹集、数据分析、概念构思。
刘晨旭：可视化处理、验证、软件开发、数据分析、项目管理、方法论设计。
孟 fantao：初稿撰写、可视化处理、验证、软件开发、项目管理、方法论设计。
韩东豪：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。
