潛供電流影響因素的研究

欒鵬飛 李含善

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

據(jù)統(tǒng)計(jì),超高壓輸電線路的故障90%以上是單相接地故障[1],而單相接地故障中有大部分是瞬時(shí)性故障.研究表明,單相自動(dòng)重合閘是否成功在很大程度上取決于故障點(diǎn)的潛供電流大小和恢復(fù)電壓幅值及其上升速度.由于特高壓輸電線路電壓高,線路長,相間電容和互感數(shù)值大,導(dǎo)致潛供電弧燃燒時(shí)間較長,使單相自動(dòng)重合閘的成功率大幅降低,對(duì)系統(tǒng)危害大.

1 潛供電流

在超高和特高壓電網(wǎng)中,為了限制空載線路重合閘過電壓,常采用單相重合閘操作.當(dāng)系統(tǒng)的一相因單相接地故障而被切除后,由于相間互感和相間電容的耦合作用,被切除的故障相在故障點(diǎn)仍流過一定數(shù)值的接地電流,即潛供電流.潛供電流由容性和感性兩個(gè)分量組成.對(duì)于潛供電流,我國大多采用并聯(lián)電抗器加中性點(diǎn)小電抗的方法進(jìn)行抑制.設(shè)LM、LN為并聯(lián)電抗器及中性點(diǎn)小電抗的電感.

2 潛供電流的分量

2.1 潛供電流容性分量表達(dá)式

本文從線路兩端裝設(shè)并聯(lián)電抗器加中性點(diǎn)小電抗入手,從而推出潛供電流容性分量表達(dá)式.潛供電流容性分量的計(jì)算電路如圖1所示.其中,L1、L2分別為線路首、末兩端補(bǔ)償時(shí)的等效相間電感(H);C0為線路單位長度相間電容(F/km);l是線路的長度.

圖1 無補(bǔ)償時(shí)潛供電流容性分量計(jì)算電路

由潛供電流容性分量的定義知,其計(jì)算公式為

式中,l3為首、末端補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)等效相間電感,表示為

當(dāng)線路首端補(bǔ)償時(shí),L3=L1;當(dāng)線路末端補(bǔ)償時(shí)L3=L2;當(dāng)線路兩端無補(bǔ)償時(shí),L1=L2=∞,則L3=∞.

2.2 潛供電流感性分量表達(dá)式

線路兩端補(bǔ)償時(shí)潛供電流感性分量計(jì)算電路圖如圖2所示.假設(shè)故障發(fā)生在距離首端x處.C1為故障相對(duì)地的電容(F/km);L0為線路單位長度自感(H/km),L1和L2分別為線路首、末端補(bǔ)償?shù)刃?duì)地電感(H);is L1和is L2為以故障點(diǎn)為界前后兩端故障相線路上的感性分量(kA);eM1和eM2分別以故障點(diǎn)為界前后兩端非故障相線路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(kV).潛供電流的感性分量為isL=isL1-isL2.

圖2 兩端補(bǔ)償時(shí)潛供電流感性分量

根據(jù)電路中的霍爾電流定律和疊加原理,從圖中可推導(dǎo)出潛供電流感性分量的計(jì)算公式如下:

式中,M為線路單位長度互感(H/km);X1和 X2為中間變量,分別為

對(duì)于不同的補(bǔ)償方式,X1和X2的表達(dá)式各不相同,具體為:

線路末端補(bǔ)償時(shí)

線路首端補(bǔ)償時(shí)

則線路中潛供電流的總公式為:

3 加速潛供電流熄滅的措施

從國內(nèi)外的輸電線路運(yùn)行記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,超高壓、特高壓輸電線路的故障90%以上是單相接地故障,而單相接地故障中有70%～80%為“瞬時(shí)性”故障.為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,現(xiàn)在的工程往往使用單相重合閘.為了使單相重合閘能夠成功地動(dòng)作,就要使?jié)摴╇娏饕约盎謴?fù)電壓要小.

目前用于熄滅潛供電弧的方法主要有使用快速接地開關(guān)(HSGS)和并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)接小電抗2種.所有用于熄滅潛供電弧的方法均可歸結(jié)為降低潛供電流的幅值,進(jìn)而減少電弧燃燒的時(shí)間[2].本文只介紹一下用并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)接小電抗的方法來抑制潛供電流.

3.1 并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)加小電抗

由上述所知,故障相單相斷開后,健全相與故障相之間的靜電耦合在故障相的接地弧產(chǎn)生潛供電流的橫分量,而接地磁耦合在接地弧道上形成潛供電流的縱分量.潛供電流主要取決于橫分量的大小.顯然,當(dāng)線路上并聯(lián)電抗器補(bǔ)償不帶中性點(diǎn)小電抗時(shí),并聯(lián)電抗器對(duì)相間電容不能達(dá)到近似全補(bǔ)償效果,即不能有效地達(dá)到加速潛供電流熄滅的目的.而且電抗器與線路對(duì)地電容可能發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致斷開相出現(xiàn)諧振過電壓.并聯(lián)電抗器帶中性點(diǎn)小電抗的補(bǔ)償方式可以有效解決以上矛盾.并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)帶小電抗接在線路中如圖3所示.

3.2 并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)小電抗的公式

圖3 并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)帶小電抗接線圖

為了抑制潛供電流,在線路上增設(shè)了中性點(diǎn)帶小電抗的并聯(lián)電抗器.在線路上增設(shè)中性點(diǎn)小電抗的目的有兩個(gè):①控制潛供電流;②抑制線路諧振過電壓.因此,小電抗的值一定要取恰當(dāng)值,否則會(huì)引起線路發(fā)生諧振,從而影響線路的正常運(yùn)行.因此,本文簡單介紹中性點(diǎn)小電抗的取值.

設(shè)LM、LN為并聯(lián)電抗器及中性點(diǎn)小電抗的電感,其等效到輸電線路側(cè)的相間電感L12和對(duì)地電感L11分別為[2].

為了完全抑制潛供電流,本文使相間電感L12和相間電容C發(fā)生并聯(lián)諧振,根據(jù)電路知識(shí)求得:

式中:X12=wL12,XC=1/wC.

在實(shí)際工程中,為了避免產(chǎn)生并聯(lián)諧振,通常使實(shí)際值略小于上述所求的值.

4 影響潛供電流容性分量的因素

影響潛供電流的因素很多,如風(fēng)力及風(fēng)速、空氣的溫度和濕度、線路換位方式及補(bǔ)償方式、線路相間的距離等.本文利用仿真軟件Matlab仿真分析了線間距離對(duì)潛供電流的影響.

4.1 線間距離對(duì)潛供電流容性分量的影響

本文以已經(jīng)投運(yùn)的海南聯(lián)網(wǎng)工程為例,分析了不同的補(bǔ)償方式以及線間距離對(duì)潛供電流的影響.海南聯(lián)網(wǎng)工程采用500 kV交流架空線路與海底電纜混合輸電方式,其中海底電纜長31 km,架空線路分為兩段,長度分別為14.5km和127km[5].海南聯(lián)網(wǎng)工程示意圖如圖4所示.

由于海底電纜三相距離較遠(yuǎn),相間基本不存在互感,以及海底電纜基本上無相間電容耦合,所以潛供電流很小.因此,本文不再考慮海底電纜這部分的潛供電流,只考慮架空線上的潛供電流.本文以港城-南嶺這段的架空線為例,來介紹線間距離對(duì)潛供電流容性分量的影響.

在無補(bǔ)償?shù)那闆r下,根據(jù)公式(8)和(9)可知,潛供電流容性分量的有效值隨線間距離變化的曲線如圖5所示.從圖5計(jì)算結(jié)果中可知,線間距離與潛供電流容性分量成相反變化規(guī)律,線間距離越遠(yuǎn)則潛供電流的容性分量就越小.

圖4 海南聯(lián)網(wǎng)工程示意圖

圖5 無補(bǔ)償時(shí)線間距離對(duì)潛供電流容性分量的影響

4.2 補(bǔ)償方式對(duì)潛供電流容性分量的影響

潛供電流容性分量不僅受到線間距離的影響,也與補(bǔ)償方式有關(guān).不同的補(bǔ)償方式對(duì)抑制潛供電流的效果是不一樣的.但不同的補(bǔ)償方式卻對(duì)潛供電流容性分量的抑制效果差不多.潛供電流容性分量在不同補(bǔ)償方式下的的變化曲線如圖6～8所示.

圖6 首端補(bǔ)償時(shí)線間距離對(duì)潛供電流容性分量的影響

4.3 仿真結(jié)果分析

圖5給出了線路無補(bǔ)償時(shí)潛供電流容性分量的大小.在線間距離為10 m時(shí),且在線路無補(bǔ)償時(shí),潛供電流的容性分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于感性分量,起主要作用.所以,潛供電流的大小約為容性分量,這樣大的潛供電流使得潛供電弧燃燒時(shí)間很長,如果不及時(shí)熄滅,將造成單相自動(dòng)重合閘失敗,從而影響供電安全以及系統(tǒng)穩(wěn)定.

從圖6和圖7知,線路單端補(bǔ)償(首端補(bǔ)償或末端補(bǔ)償)潛供電流容性分量的大小是一樣的,這是因?yàn)楫?dāng)線路單端補(bǔ)償時(shí),只影響潛供電流的感性分量,而不影響潛供電流的容性分量.也就是說在線路有補(bǔ)償(兩端、末端和首端補(bǔ)償)時(shí),潛供電流的容性分量數(shù)值很小,這是因?yàn)樵诓⒙?lián)電抗器補(bǔ)償度小于1時(shí),一般按相間全補(bǔ)償原則,選擇小電抗使得容性分量沒有回路.所以,在線路有補(bǔ)償時(shí),由于容性分量很小,線路中的潛供電流主要受感性分量的影響.

5 結(jié) 論

研究表明,單相重合閘是否成功在很大程度上取決于故障點(diǎn)的潛供電流大小和恢復(fù)電壓[3-4].因此,當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí),線路中的潛供電流是不容忽視的.

(1)在無補(bǔ)償?shù)那闆r下,潛供電流的大小主要取決于潛供電流的容性分量.但當(dāng)線路處于兩端補(bǔ)償、首端補(bǔ)償以及末端補(bǔ)償時(shí),線路中的潛供電流容性分量幾乎為零.所以,這時(shí)潛供電流的感性分量起主要作用.

(2)當(dāng)線路處于首端補(bǔ)償和末端補(bǔ)償時(shí),它們對(duì)抑制潛供電流容性分量的效果是一樣的.這是因?yàn)?潛供電流的容性分量與并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償位置無關(guān).

(3)線路中潛供電流的感性分量與并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償方式有關(guān),而且也與線路對(duì)地距離成反比.

[1］陳 政,康 義,馬怡情.廣東-海南交流聯(lián)網(wǎng)工程無功補(bǔ)償及電磁暫態(tài)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2009(19):20-38.

[2］Mallat S.A Theory for Multire solution Signal Decomposition:The Wavelet Representation[J].IEEE T rans.on Pattern Anal and Machine Intell,1989,11(7):674-693.

[3］Anderson J G.超高壓輸電線路[M].北京:水利電力出版社,1979.

[4］商立群,施 圍.快速接地開關(guān)熄滅同桿雙回輸電線路潛供電弧的研究[J].電工電能新技術(shù),2005,24(2):5-6.

[5］廣東-海南500 kV交流跨海聯(lián)網(wǎng)工程無功補(bǔ)償及電磁暫態(tài)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(19):1-3.