IEC 60143-42023 电力系统用串联电容器.第4部分晶闸管控制的串联电容器标准立项发展报告

电力系统用串联电容器第4部分：晶闸管控制的串联电容器标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SeriesCapacitorsforPowerSystems-Part4:ThyristorControlledSeriesCapacitors摘要随着全球电力系统向高电压、大容量、远距离输电方向快速发展，以及可再生能源大规模并网带来的系统稳定性挑战，晶闸管控制串联电容器（ThyristorControlledSeriesCapacitor,TCSC）作为柔性交流输电系统（FACTS）的核心装置，在提升输电能力、阻尼功率振荡、改善系统暂态稳定性等方面发挥着日益重要的作用。为确保该类设备的设计、试验与运行有统一的技术依据，国际电工委员会（IEC）于2023年12月14日正式发布IEC60143-4:2023《电力系统用串联电容器第4部分：晶闸管控制的串联电容器》标准。该标准在继承IEC60143系列标准框架的基础上，系统规定了TCSC的使用条件、额定值、设计要求、试验方法及安全防护等技术内容，填补了晶闸管控制串联电容器国际标准领域的空白。本报告就该标准的立项背景、编制过程、核心技术内容及其行业影响进行系统阐述，旨在为相关领域的科研人员、设备制造企业及电力运行单位提供全面的技术参考与实施指导。关键词：串联电容器；晶闸管控制；电力系统；国际标准；柔性交流输电；无功补偿Keywords:SeriesCapacitors;ThyristorControlled;PowerSystems;InternationalStandard;FACTS;ReactivePowerCompensation1引言1.1立项背景随着全球能源转型战略的深入推进，电力系统正经历着前所未有的结构性变革。风电、光伏等可再生能源的大规模并网使得电力系统的运行方式日趋复杂，电网对灵活调控手段的需求日益迫切。串联电容器补偿技术作为提高输电线路输送能力、改善电压质量、增强系统稳定性的有效手段，已在世界范围内得到广泛应用。传统的固定串联电容器（FSC）虽能有效补偿线路感抗，但其补偿度固定，无法根据系统运行工况动态调节，在应对系统扰动和潮流变化时存在一定局限性。晶闸管控制串联电容器（TCSC）技术的出现为解决上述问题提供了新的途径。通过在固定电容器组旁并联晶闸管控制的电抗器支路，TCSC能够实现对线路等效阻抗的连续、快速调节，具有阻尼次同步谐振（SSR）、抑制功率振荡、提高暂态稳定水平等多重功能。自20世纪90年代以来，美国、瑞典、巴西、中国等国相继建成多套TCSC示范工程和商业化应用项目，积累了丰富的工程实践经验。然而，由于缺乏统一的国际标准，各国在TCSC的设计理念、技术参数、试验方法及验收标准等方面存在较大差异，给设备的国际贸易、工程招标及跨国电网互联带来了诸多不便。在此背景下，国际电工委员会第33技术委员会（IECTC33）——电力电容器分技术委员会，于2018年正式启动IEC60143-4标准的编制工作。1.2标准定位与意义IEC60143-4:2023是IEC60143《电力系统用串联电容器》系列标准的重要组成部分。该系列标准目前已涵盖以下部分：-IEC60143-1:总则——性能、试验和额定值——安全要求——安装和运行指南；-IEC60143-2:串联电容器组用保护设备；-IEC60143-3:内部控制熔断器；-IEC60143-4:晶闸管控制的串联电容器；-IEC60143-5:串联电容器的过电压保护（正在制定中）；-IEC60143-6:串联电容器的内部熔断器（正在制定中）。作为该系列中专门针对TCSC的标准，IEC60143-4:2023的发布填补了TCSC国际标准化领域的空白，为全球范围内的TCSC设备设计、制造、试验和运行提供了统一的技术规范和指导依据。该标准的实施对于促进TCSC技术的推广应用、规范国际市场秩序、保障电力系统安全稳定运行具有重要的现实意义和深远影响。2标准编制概况2.1编制历程IEC60143-4标准的编制工作经历了严谨而漫长的过程。2018年，IECTC33在奥地利维也纳召开全体会议，正式决定成立TCSC标准编制工作组（WG），由中国、美国、瑞典、瑞士、德国、日本等国的技术专家组成。工作组先后召开了多次工作会议和网络研讨会，就TCSC的技术架构、关键参数、试验方法等核心问题进行了深入研讨和反复论证。在标准编制过程中，工作组广泛收集和分析了世界各国TCSC工程的设计资料、运行数据和研究成果，包括美国BPA的SlattTCSC工程、瑞典SvenskaKraftnät的StödeTCSC工程、巴西Furnas的SerradaMesaTCSC工程以及中国南方电网的平果TCSC工程等。同时，工作组还充分参考了IEEE1534-2002《晶闸管控制串联电容器（TCSC）设计建议》等相关技术文件，确保了标准内容的科学性和先进性。2020年，标准草案完成并提交IEC各成员国征求意见。在为期三个月的征求意见期内，共收到来自全球各国的修改意见和建议200余条。工作组对全部意见和建议进行了逐条处理和答复，对标准文本进行了多轮修改完善。2022年，标准进入最终草案（FDIS）投票阶段，以高票获得通过。2023年12月14日，IEC60143-4:2023正式发布。2.2标准性质与适用范围IEC60143-4:2023是一项国际通用标准，标准文本采用英语和法语双语出版。该标准适用于额定电压1kV以上的电力系统中使用的晶闸管控制串联电容器装置，包括由晶闸管阀、电容器组、电抗器、保护设备、控制与监测系统等组成的完整TCSC装置。标准规定了TCSC装置的使用条件、额定值、设计要求、型式试验和出厂试验方法、安全防护要求以及运行维护指导等内容，为TCSC设备的设计制造和工程应用提供了全面的技术依据。该标准既适用于串联补偿型TCSC（即与输电线路串联连接），也适用于其他应用场景下的晶闸管控制串联电容器。2.3主要参与单位IEC60143-4:2023标准的编制汇聚了全球多个国家和地区的权威技术专家，其中中国专家在标准制定过程中发挥了重要作用。来自中国电力科学研究院、南方电网公司、国网电力科学研究院等单位的专家深度参与了标准的技术讨论和文本编制工作，将中国在TCSC领域积累的丰富工程经验和技术创新成果贡献给了国际标准。其中，南方电网公司作为中国乃至全球TCSC技术应用的重要推动者，在标准编制过程中发挥了关键作用。该公司于2003年在国内率先建成500kV平果串联补偿工程，此后在TCSC技术研究、设备研制和工程应用方面持续深耕，积累了从理论研究到工程实践的完整技术链条。南方电网公司的技术专家在标准编制中重点参与了TCSC主电路参数设计、控制保护策略及试验方法等核心章节的起草工作，将中国在TCSC过电压抑制、晶闸管阀触发与监测、系统级控制策略等方面的创新成果纳入标准体系，为提升中国在电力电容器国际标准化领域的话语权作出了重要贡献。3标准核心技术内容3.1TCSC装置的构成与工作原理IEC60143-4:2023对TCSC装置的构成和运行原理进行了明确定义。标准指出，TCSC装置的基本构成包括：串联电容器组、晶闸管阀（包括晶闸管阀组件及其触发与监测单元）、串联电抗器（位于晶闸管阀支路）、金属氧化物变阻器（MOV）、旁路断路器、旁路隔离开关、阻尼电路、控制与保护系统以及辅助电源系统等。TCSC的基本工作原理是：电容器组与输电线路串联连接，晶闸管阀与电抗器串联后并联在电容器组两端。通过控制晶闸管阀的触发角，可以调节电抗器支路的等效电流，从而改变电容器组两端的等效阻抗。当晶闸管阀完全关断时，TCSC呈现固定电容补偿特性；当晶导率逐渐增大时，等效容抗在电容值至并联谐振区之间连续调节，实现对线路补偿度的灵活控制。3.2使用条件与额定值标准对TCSC装置的使用条件作出了明确规定。在环境条件方面，标准规定了TCSC设备安装地点的海拔高度、环境温度、污秽等级、风速、地震烈度等参数的限制要求。在电气条件方面，标准规定了系统额定电压、最高运行电压、额定频率、短路容量及系统故障清除时间等技术参数。关于额定值的选择，标准强调TCSC的额定电流和额定电压应根据补偿线路的最大持续运行电流、暂态过电流倍数以及各种运行工况下的过电压水平综合确定。标准还规定了TCSC在额定运行条件下的温升限值、绝缘水平（包括雷电冲击耐受电压、操作冲击耐受电压和工频耐受电压）及噪声水平等性能指标。3.3设计要求在TCSC装置的设计方面，IEC60143-4:2023提出了全面而系统的技术要求。标准将TCSC的设计分为电气设计、结构设计和控制保护设计三个方面：电气设计方面，标准规定了电容器组的容抗选择及额定电压确定方法、晶闸管阀的串联数量确定原则及电压均衡设计要求、电抗器参数的选择范围及绝缘水平要求、MOV的能量吸收容量及保护水平设定方法、旁路断路器和隔离开关的选型及操作要求、阻尼电路的参数设计原则等内容。标准特别强调，在TCSC的电气设计中应考虑各种运行工况下的电磁暂态过程，包括线路故障、操作开关及系统扰动等对设备的影响。控制保护设计方面，标准规定TCSC的控制系统应具备阻抗调节控制、功率振荡阻尼、次同步谐振抑制、线路潮流控制等功能，同时应具备完善的保护功能，包括电容器过载保护、晶闸管阀过流保护、MOV过温及过能量保护、控制保护系统自身故障检测及冗余切换等。3.4试验方法标准对TCSC装置的试验作出了系统的规定，将试验分为型式试验、出厂试验和现场试验三大类。型式试验是对TCSC关键设备或装置样机进行的全面性能验证，包括绝缘试验（雷电冲击耐压试验、操作冲击耐压试验、工频耐压试验）、温升试验、晶闸管阀的触发与关断试验、MOV的能量吸收试验以及控制保护系统的功能试验等。标准对各项试验的试验方法、试验回路、判定准则及试验报告要求作出了具体规定。出厂试验是对每一台（组）出厂设备进行的规定试验，以验证设备的制造质量和性能一致性。主要包括外观检查、电路连接检查、绝缘电阻测量、工频耐压试验、局部放电测量、控制保护系统的功能检查及信号核对等。晶闸管阀的出厂试验还包括触发试验和均压试验。现场试验是TCSC装置在安装完成后、投入运行前进行的试验，以验证整个装置在现场条件下的整体性能和功能完整性。包括完整装置的绝缘验证试验、控制保护系统的端到端测试、一次通流试验以及与系统联合调试试验等。3.5安全要求作为电力系统的重要设备，TCSC的安全防护在标准中占据突出地位。IEC60143-4:2023从设备安全、人身安全和系统安全三个维度规定了安全要求：在设备安全方面，标准规定了TCSC装置应具备完善过电压和过电流保护，包括电容器组的MOV过电压保护、晶闸管阀的过流和过温保护、保护间隙及旁路断路器的快速旁路功能等；规定了继电保护装置的配置原则，要求保护系统应具备冗余性和可靠性。在人身安全方面，标准规定了TCSC平台上的安全防护措施，包括平台接地开关的设置要求、工作人员上平台操作的安全规程、安全联锁装置及警示标识的设置等。标准特别强调，TCSC平台在运行时带有较高的对地电位，必须配备可靠的安全防护设施，确保运行和维护人员的安全。在系统安全方面，标准规定了TCSC装置与电力系统之间的协调配合要求，包括与线路保护、系统稳定控制装置的接口配合策略，以及故障时装置自动旁路和自动重投的控制逻辑等。4标准实施与行业影响4.1国际影响与应用前景IEC60143-4:2023的发布实施，是TCSC技术发展史上的一个重要里程碑。该标准的实施将从根本上改变以往TCSC设备设计制造和工程应用中无统一国际标准可依的局面，为设备的跨国贸易和技术交流扫除了障碍。在国际市场层面，该标准为全球电力设备制造商提供了统一的产品设计和试验依据，有利于降低TCSC设备的制造成本、缩短工程周期、提高设备质量和可靠性，促进TCSC技术在更多国家和地区的推广应用。对于发展中国家正在规划和建设的长距离大容量输电工程，IEC60143-4:2023将是其进行TCSC技术方案选择和设备采购的重要技术指南。在技术发展层面，IEC60143-4:2023标准的发布将进一步推动TCSC技术的创新和发展。标准所确立的试验验证方法和性能评价体系，为新技术、新材料的应用提供了清晰的验证路径，有利于加速TCSC技术向更高电压等级、更大容量规模、更高智能化水平的方向发展。4.2对我国相关标准化工作的启示IEC60143-4:2023标准的发布对我国电力电容器领域标准化工作具有重要的借鉴意义。一方面，我国作为全球最大的电力设备制造国和电力系统运营国，应当积极参与国际标准的制定工作，将我国的优势技术和工程经验融入国际标准体系，提升我国在国际标准化舞台上的话语权和影响力。另一方面，我们应当加快推动国际标准向我国标准的转化工作，适时修订和完善我国在TCSC领域的国家标准和行业标准，保持国内标准与国际标准的协调一致。目前，国内TCSC相关标准化工作尚存在一定的滞后性，亟需对标IEC60143-4:2023，结合我国电网的实际情况和工程需求，制定和完善适合我国国情的TCSC技术标准体系。这将有助于规范国内TCSC设备的研制和使用，促进我国TCSC技术的健康有序发展，同时也为我国TCSC技术和装备走向国际市场奠定标准化基础。5标准主要参与单位介绍中国南方电网有限责任公司（以下简称“南方电网公司”）是IEC60143-4:2023标准编制的重要参与单位之一。南方电网公司成立于2002年12月，是经国务院批准组建的国家授权投资机构，负责投资、建设和经营管理广东、广西、云南、贵州、海南五省（区）的电网。公司供电面积100万平方公里，供电服务人口超过2.5亿人，连续多年入选《财富》世界500强。南方电网公司运营着世界上最复杂的交直流并联运行电网，在远距离大容量输电、柔性交流输电（FACTS）、特高压直流输电等领域积累了丰富的工程经验和技术实力。在TCSC技术领域，南方电网公司是国内最早开展工程应用的企业。2003年，南方电网公司在500kV平果变电站建成投运了国内首套500kV固定串联电容器补偿装置；此后，公司持续在串联补偿和TCSC技术领域深耕细作，先后在500kV贤令山、500kV桂林等变电站建成多套不同补偿容量的串联电容补偿装置。在TCSC技术的研发和推广方面，南方电网公司依托国家863计划和南方电网公司重大科技专项，联合国内高校和制造企业，在TCSC的系统设计方法、晶闸管阀关键技术、过电压保护策略、阻尼次同步谐振控制策略等方面取得了具有自主知识产权的创新成果。在IEC60143-4标准编制工作中，南方电网公司作为IECTC33的中国国内技术对口单位核心成员，选派了多名具有丰富工程经验和技术积累的专家参与标准编制工作组。这些专家全程参与了标准技术条款的讨论、起草、修改和完善等工作，重点在标准中TCSC装置主电路参数设计、晶闸管阀技术要求、控制保护系统设计原则及现场试验方法等章节的制定过程中发挥了关键作用，将中国在TCSC过电压抑制、系统级协调控制、工程调试与运行维护等方面的创新成果和经验纳入标准体系。南方电网公司的积极参与和高水平技术贡献，不仅提升了中国在IEC/CIGRE等国际组织中的技术影响力，也为深化我国在柔性交流输电领域的国际标准化合作作出了积极贡献。6结论与展望IEC60143-4:2023《电力系统用串联电容器第4部分：晶闸管控制的串联电容器》的正式发布，标志着TCSC技术标准化工作取得了重大突破。该标准以IEC60143系列标准为框架基础，系统全面地规定了TCSC装置的使用条件、额定值、设计要求、试验方法和安全要求，为全球范围内TCSC设备的规划设计、设备制造、工程建设和运行维护提供了权威的技术依据。从技术发展趋势来看，随着全球能源互联网建设的深入推进和新型电力系统的加速构建，电力系统对灵活调控能力的需求将持续增长，TCSC作为技术成熟、性能优越的柔性交流输电装置，必将在未来的电力系统建设中获得更加广泛的应用。同时，随着电力电子技术、数字化技术和人工智能技术的快速发展，TCSC技术本身也将向更高电压等级、更大补偿容量、更高集成度和更高智能化水平方向持续演进。可以预见，在IEC60143-4: