西寧—日月山750 kV同塔雙回線路接地開關(guān)選擇研究

鐘 蓉

(湖南省送變電建設(shè)公司，湖南長沙 410007)

0 引言

西寧—日月山750 kV輸電線路工程是西寧—日月山—烏蘭—格爾木750 kV輸變電工程的一部分，也是青藏聯(lián)網(wǎng)工程的配套項(xiàng)目。本工程是為了貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院實(shí)施“西部大開發(fā)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，緩解海西電網(wǎng)近期缺電局面，滿足遠(yuǎn)期海西地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)對電力發(fā)展的要求，對于提高海西電網(wǎng)的供電可靠性，加快海西地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展，增進(jìn)民族團(tuán)結(jié)，具有重要的經(jīng)濟(jì)及政治意義。

西寧—日月山段線路位于青海省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的海東地區(qū)，線路沿線村落密集，道路縱橫交錯，為節(jié)約走廊資源，西寧—日月山段線路按同塔雙回線路設(shè)計(jì)［1］。對于同塔雙回線路中一回線運(yùn)行，另一回線停運(yùn)時，在停運(yùn)線路上將感應(yīng)產(chǎn)生較高幅值的電壓和電流。這主要是由于兩回線路的靜電耦合和電磁耦合產(chǎn)生的。該現(xiàn)象將給停運(yùn)線路的檢修工作以及兩站拉合地刀的操作帶來不利的影響，停運(yùn)線路兩端接地開關(guān)需要合理選擇，使其具有開合感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓的能力。

結(jié)合西寧—日月山750 kV輸變電工程實(shí)際，從研究模型、原理分析及仿真計(jì)算等方面對750 kV同塔雙回線路的接地開關(guān)參數(shù)進(jìn)行了研究，其相關(guān)結(jié)論對750 kV同塔雙回線路接地刀選擇有重要參考意義。

1 研究模型

近距離的兩回線路之間通過電感、電容耦合可相互感應(yīng)，這種感應(yīng)不會影響線路的正常運(yùn)行，但當(dāng)有一回線路檢修、一回正常運(yùn)行時，檢修線路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓。

對于高壓輸電線路，需要對其配置線路接地開關(guān)，配置此類接地開關(guān)的主要目的，是為了在線路停電檢修時，確保檢修人員的人身安全。所以，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求接地開關(guān)必須在主回路與大地之間提供合適可靠的電氣連接。

通常，接地開關(guān)只有在被連接的主回路隔離開關(guān)分閘后才操作。因此，在輸電線路正常情況下，它是不需要開、合電流的。

研究中考慮線路接地開關(guān)的3種工況，即線路兩端接地;線路一端接地、另一端不接地;線路兩端均不接地。

停運(yùn)線路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流和電壓的計(jì)算工況描述如下。

1)工況1

在檢修過程中，檢修線路兩端的刀閘是接地的，系統(tǒng)模型可用圖1來表示。此時Ⅱ回線因電磁感應(yīng)，將沿回路1形成感應(yīng)電流(見圖1)。當(dāng)檢修完成后，首先斷開的接地刀閘需切斷回路1的感應(yīng)電流。在該種工況下，由于電磁耦合而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電流最大。

圖1 檢修線路兩側(cè)接地刀合閘

2)工況2

當(dāng)一側(cè)接地刀閘斷開后，系統(tǒng)模型可用圖2來表示。由于同桿雙回線路間的靜電耦合作用，將沿回路2形成感應(yīng)電流;同時，Ⅱ回線由于一側(cè)斷開，由于電磁耦合作用，將在斷開端形成較高的感應(yīng)電壓。在該工況下，將感應(yīng)產(chǎn)生較大的電磁感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電流。

圖2 檢修線路一側(cè)接地刀閘打開

3)工況3

在兩側(cè)的接地刀閘均斷開后，系統(tǒng)模型可用圖3來表示。此時因同桿雙回線路間的靜電耦合作用，將在Ⅱ回線路上產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。在該工況下，因靜電耦合而產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓最大。

圖3 檢修線路兩側(cè)接地刀閘打開

一般而言，線路兩端接地時，對應(yīng)的感應(yīng)電流為感性電流(電磁感應(yīng)電流);線路一端接地，另一端不接地時，對應(yīng)的感應(yīng)電流為容性電流(靜電感應(yīng)電流)，不接地端的感應(yīng)電壓為感性電壓(電磁感應(yīng)電壓);線路兩端均不接地時，對應(yīng)的感應(yīng)電壓為容性電壓(靜電感應(yīng)電壓)。詳細(xì)定義如下。

電磁感應(yīng)電流，是當(dāng)不帶電的輸電線路的另一端接地，且通過電流的帶電線路與此接地線路平行和鄰近，接地開關(guān)在不帶電的輸電線路的一端使線路接地或不接地時，接地開關(guān)能夠開合的感性電流。

電磁感應(yīng)電壓，是當(dāng)不帶電的輸電線路的另一端接地，且通過電流的帶電線路與此接地線路平行和鄰近，接地開關(guān)在不帶電的輸電線路的一端使線路不接地時，接地開關(guān)上的電壓。

靜電感應(yīng)電流，是當(dāng)不帶電的輸電線路的另一端開路，且通過電流的帶電線路與此接地線路平行和鄰近，接地開關(guān)在不帶電的輸電線路的一端使線路接地或不接地時，接地開關(guān)能夠開合的容性電流。

靜電感應(yīng)電壓，是當(dāng)不帶電的輸電線路的兩端開路，且通過電流的帶電線路與此接地線路平行和鄰近，接地開關(guān)上的電壓。

輸電線路接地刀主要依據(jù)以上4個參數(shù)的計(jì)算值進(jìn)行選擇。

2 原理分析

從前面對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的產(chǎn)生模型分析，電磁感應(yīng)主要與停運(yùn)線路周圍的磁場有關(guān)，交變的磁場在停運(yùn)線路上感應(yīng)出電壓和電流。因?yàn)橥＿\(yùn)線路周圍的交變的磁場大小與另一回運(yùn)行線路的負(fù)荷電流(或者說傳輸功率)大小密切相關(guān)，所以停運(yùn)線路的電磁感應(yīng)電壓和電流與運(yùn)行線路的負(fù)荷電流大小有關(guān)。

靜電感應(yīng)主要與停運(yùn)線路周圍的電場有關(guān)，因?yàn)殡妶龅拇嬖?，運(yùn)行線路對地保持一定的電勢，停運(yùn)線路處于運(yùn)行線路的電場中，感應(yīng)后而獲得對地電壓。所以靜電感應(yīng)電壓與線路運(yùn)行線路電壓，線路兩端接地情況聯(lián)系密切。

根據(jù)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的形成機(jī)理，對影響感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓的主要因素歸納如下。

運(yùn)行線路的線路電壓，負(fù)荷電流，平行線路長度，相間及回路間距離、導(dǎo)線高度，線路的換位方式，線路高壓電抗器配置情況，線路兩端接地情況，導(dǎo)線的相序排列，運(yùn)行線路操作的影響等。

2.1 線路兩端接地情況

停運(yùn)線路接地線電阻大小和接地位置對感應(yīng)電壓大小影響較大。當(dāng)停電檢修的線路兩端都不接地時，帶電回路在停電回路上感應(yīng)的電壓較高;當(dāng)停電檢修的線路一端接地時，帶電回路在停電回路上感應(yīng)的最高電壓顯著降低。

停運(yùn)線路兩端懸浮時，不僅存在靜電感應(yīng)還存在電磁感應(yīng)，靜電感應(yīng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電磁感應(yīng)電壓，靜電感應(yīng)起決定因素。線路輸送功率的大小對靜電感應(yīng)電壓幾乎沒有影響。當(dāng)停電線路一端接地時，線路輸送的功率大，帶電回路在檢修回路上感應(yīng)的電壓也會增大。這是因?yàn)閮啥硕疾唤拥貢r，靜電耦合占主導(dǎo)作用，而一端接地時，則靜電耦合影響減弱，電磁耦合影響相對增強(qiáng)。

感應(yīng)電壓受潮流方向和大小影響不大，主要取決于接地狀態(tài)，雙側(cè)不接地時最大，單側(cè)接地時另一側(cè)感應(yīng)電壓明顯降低，兩側(cè)接地后接地點(diǎn)無電壓，接地點(diǎn)感應(yīng)電流隨潮流增大而增大。

2.2 相間及回路間距離、導(dǎo)線高度

電磁感應(yīng)電壓主要由運(yùn)行線路的電流產(chǎn)生，其值的大小與塔型尺寸的關(guān)系較小。但是，靜電感應(yīng)電壓的大小與塔型尺寸關(guān)系較大，這是因?yàn)楹笳呤且粋€電容分壓的效果。當(dāng)導(dǎo)線高度越高、運(yùn)行線路與停運(yùn)線路間的相間距離越小，則停運(yùn)線路對地容抗與對運(yùn)行線路容抗值的比值越大，則分壓越多，靜電感應(yīng)電壓越大。

2.3 線路長度

靜電感應(yīng)電流大小與線路長度有關(guān)，基本呈正比例關(guān)系。靜電感應(yīng)電壓大小與線路長度關(guān)系不大。電磁感應(yīng)電流大小與線路長度基本無關(guān)。電磁感應(yīng)電壓大小與另一回線路長度有關(guān)，基本呈正比例關(guān)系。

2.4 負(fù)荷電流

電磁耦合主要與電流有關(guān)，運(yùn)行線路帶載時，沿線電流較大，運(yùn)行線路空載時，沿線電流逐漸減小，末端電流為零。

當(dāng)停運(yùn)線路兩端懸浮時，靜電感應(yīng)起主要作用。由于運(yùn)行線路空載時的沿線電壓一般較負(fù)載時的沿線電壓高，因此在運(yùn)行線路空載時停運(yùn)線路沿線的感應(yīng)電壓比在運(yùn)行線路負(fù)載時停運(yùn)線路上的感應(yīng)電壓略大。

停運(yùn)線路一端接地時，電磁感應(yīng)起主要作用，因此在運(yùn)行線路空載時停運(yùn)線路上的感應(yīng)電壓比運(yùn)行線路在負(fù)載時停運(yùn)線路沿線的感應(yīng)電壓小。

靜電感應(yīng)電流大小與另一回線路輸送的功率基本無關(guān)。靜電感應(yīng)電壓大小與另一回線路輸送的功率的關(guān)系也不大。電磁感應(yīng)電流大小與另一回線路輸送的功率有關(guān)，基本呈正比例關(guān)系。電磁感應(yīng)電壓大小與另一回線路輸送的功率有關(guān)，基本呈正比例關(guān)系。

2.5 運(yùn)行線路電壓

靜電耦合主要與電壓有關(guān)。當(dāng)運(yùn)行線路的電壓水平較高，如線路空載運(yùn)行，或線路處于電網(wǎng)的送端時，對停運(yùn)線路感應(yīng)的電壓水平比較高。

2.6 高壓電抗器配置的影響

帶高壓電抗器的同桿雙回線間的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)耦合作用明顯強(qiáng)于不帶高壓電抗器的同桿雙回線路。感應(yīng)電壓和電流的大小一般隨線路高壓電抗器的補(bǔ)償度增大而增大，補(bǔ)償度高的線路感應(yīng)電壓和電流也大。當(dāng)線路高壓電抗器的小電抗選擇不合適時，停電線路甚至可能會產(chǎn)生危險的諧振過電壓。

當(dāng)同桿雙回線路帶有高壓電抗器時，線路對地的容抗增大，從靜電耦合的角度來看，停運(yùn)線路在運(yùn)行線路與地之間的分壓比增大，兩回路之間靜電感應(yīng)更為加強(qiáng)，因此有人稱帶高壓電抗器的同桿雙回線路為強(qiáng)聯(lián)系的雙回線。

2.7 導(dǎo)線排列的影響

現(xiàn)在，一般同桿雙回路架設(shè)的線路都是鼓型排列，L1、L2、L3三相垂直分布。無論是正相序排列還是逆相序排列，最高感應(yīng)電壓基本相同且均出現(xiàn)在上相，因?yàn)樯蠈訉?dǎo)線對帶電回路對稱性差，且對地電容較小，所以感應(yīng)的靜電電壓最大。線路換位，可以略微改善停運(yùn)回路上的靜電感應(yīng)電壓。

2.8 運(yùn)行線路操作的影響

當(dāng)對運(yùn)行線路進(jìn)行操作，停運(yùn)線路全線不接地時，無論從運(yùn)行線路的哪一側(cè)切運(yùn)行線路，在停運(yùn)線路上都會產(chǎn)生相當(dāng)高的衰減拍頻振蕩電壓，沿線電流也很大，而當(dāng)停運(yùn)線路一端或兩端接地時，則可大大降低感應(yīng)電壓。

3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

IEC 62271－102標(biāo)準(zhǔn)［2］接地開關(guān)額定參數(shù)限值如表1所示。其中A類開關(guān)主要為滿足一般單回線路接地需要，而B類開關(guān)則面向同塔雙回線路接地需要。事實(shí)上，根據(jù)不同系統(tǒng)條件，在同塔雙回線路設(shè)計(jì)中，相關(guān)感應(yīng)電壓、電流是有可能超過該標(biāo)準(zhǔn)限值的，因此，結(jié)合具體工程實(shí)際，通過對不同工況的仿真計(jì)算，給出相應(yīng)的接地開關(guān)限值要求是必要的。

表1 IEC標(biāo)準(zhǔn)接地開關(guān)額定參數(shù)表(有效值)

4 仿真計(jì)算

4.1 計(jì)算條件

西寧—日月山段線路位于青海省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的海東地區(qū)，地形主要為一般山地，海拔在2 420～2 960 m之間。線路沿線村落密集，道路縱橫交錯，有省道及多條鄉(xiāng)間公路可供利用，交通條件較為便利。西寧—日月山段線路按同塔雙回線路設(shè)計(jì)，線路航空距離為23 km，推薦路徑長36 km，線路曲折系數(shù)為1.57。

西寧—日月山線路段土壤電阻率約600 Ω·m，雙回路導(dǎo)線按逆相序排列。同塔雙回線路的塔頭尺寸如圖4所示。導(dǎo)線采用6分裂LGJ－500/45鋼芯鋁絞線，分裂間距400 mm，全線一根地線采用JLB20A－185鋁包鋼絞線，另一根地線采用OPGW－175(36芯)。

采用ATP仿真軟件［3］對該段線路進(jìn)行建模，并計(jì)算各種工況下系統(tǒng)可能出現(xiàn)的感應(yīng)電壓、電流。

4.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中，可能存在各種運(yùn)行工況，本報(bào)告對以下3種典型工況進(jìn)行了計(jì)算。

工況1:Ⅰ回線路空載帶電運(yùn)行，Ⅱ回線路兩端都不接地。

工況2:Ⅰ回線路運(yùn)行，Ⅱ回線路停運(yùn)，Ⅱ回線路一端接地;

圖4 典型桿塔示意圖

工況3:Ⅰ回線路運(yùn)行，Ⅱ回線路停運(yùn)，Ⅱ回線路兩端接地。

在計(jì)算中考慮以下兩種運(yùn)行方式。

方式1:線路輸送潮流按規(guī)劃可能出現(xiàn)的最大潮流2 500 MW左右考慮，帶電運(yùn)行線路西寧側(cè)母線電壓按750 kV考慮。

方式2:西寧側(cè)母線運(yùn)行電壓按780 kV考慮。

ATP仿真計(jì)算結(jié)果如表2，3所示。

綜合上述計(jì)算結(jié)果，經(jīng)整理得到西寧—日月山750 kV線路接地開關(guān)參數(shù)最低限值要求如表4所示，也即該線路所選擇的接地開關(guān)應(yīng)滿足投切以下電流和電壓的限制要求。

表2 方式1感應(yīng)電壓、電流計(jì)算結(jié)果表

表3 方式2感應(yīng)電壓、電流計(jì)算結(jié)果表

表4 接地開關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總

5 結(jié)論

(1)對于同塔雙回線路中一回線運(yùn)行，另一回線停運(yùn)時，在停運(yùn)線路上將因靜電耦合和電磁耦合感應(yīng)產(chǎn)生較高幅值的電壓和電流。線路兩端接地開關(guān)需要合理選擇，使其具有開合感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓的能力。

(2)靜電感應(yīng)電流大小與線路長度有關(guān)，基本呈正比例關(guān)系。靜電感應(yīng)電壓大小與線路長度關(guān)系不大。電磁感應(yīng)電流大小與線路長度基本無關(guān)。電磁感應(yīng)電壓大小與另一回線路長度有關(guān)，基本呈正比例關(guān)系。靜電感應(yīng)與運(yùn)行線路電壓有關(guān)，而與負(fù)載電流關(guān)系不大;電磁感應(yīng)與運(yùn)行線路負(fù)載電流有關(guān)而與運(yùn)行電壓關(guān)系不大。

(3)參照IEC標(biāo)準(zhǔn)選擇的B類接地開關(guān)參數(shù)不一定能滿足750 kV同塔雙回線路的要求，往往需要結(jié)合具體工程條件，經(jīng)仿真計(jì)算提出接地開關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)要求。

(4)根據(jù)接地開關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，建議西寧—日月山雙回750 kV線路兩端接地開關(guān)都選容性電壓大于35.1 kV的超B類接地開關(guān)。

［1］750 kV西寧—日月山—烏蘭輸電線路工程設(shè)計(jì)計(jì)劃［R］.西安:西北電力設(shè)計(jì)院，2009.

［2］IEC 62271－102 High－voltage Wwitchgear and Controlgear–Part 102:Alternating Current Disconnectors and Earthing Wwitches［S］.IEC，2001.

［3］Rule Book Alternative Transient Program.