李寶聚,周 浩,郭 雷
(1.吉林省電力有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130021;2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)
隨著輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,輸電線路走廊資源越來(lái)越緊缺。交流輸電線路與特高壓直流輸電線路平行架設(shè)會(huì)提高走廊利用率[1-3]。
交流輸電線路通過(guò)電磁耦合會(huì)在平行架設(shè)的直流輸電線路中產(chǎn)生工頻感應(yīng)電壓和電流[4-8]。而工頻電流通過(guò)直流輸電線路進(jìn)入兩端換流站后,在換流器的作用下會(huì)在換流變壓器閥側(cè)產(chǎn)生直流偏磁電流[9-13]。直流偏磁電流進(jìn)入換流變壓器后,會(huì)影響變壓器鐵心的磁化曲線,使磁化曲線產(chǎn)生偏移零坐標(biāo)軸的偏移量。若變壓器處在直流偏磁工作狀態(tài),將導(dǎo)致變壓器的損耗、溫升及噪音增大,甚至影響使用壽命[14-15]。
根據(jù)云廣±800 kV 特高壓直流線路參數(shù),采用EMTDC 程序[16]建立交/直流輸電系統(tǒng)的仿真模型。對(duì)不同平行架設(shè)長(zhǎng)度、不同接近距離(文中接近距離為線路桿塔中心之間的距離)、不同交直流線路換位方式以及交流線路單相接地故障下,特高壓直流線路上的感應(yīng)電壓、電流以及換流變閥側(cè)的直流偏磁電流進(jìn)行了仿真計(jì)算。此外,還對(duì)比分析了平行架設(shè)時(shí)單回和同塔雙回線路,超/特高壓交流線路對(duì)特高壓直流線路的電磁影響。
以圖1所示的1 000 kV 特高壓交流輸電線路和云廣±800 kV 特高壓直流輸電線路并行為例,分析特高壓交流線路對(duì)平行架設(shè)特高壓直流線路的工頻電磁感應(yīng)影響。云廣特高壓直流線路全長(zhǎng)1 446 km,雙極輸送功率為5 000 MW。特高壓交流線路的輸送功率維持在5 000 MW。交/直流線路參數(shù)和桿塔布置見(jiàn)表1、表2 和圖1。
表1 ±800 kV 直流線路導(dǎo)線和地線參數(shù)Table 1 Parameters of conductor and ground wire for ±800 kV DC line
表2 1 000 kV 交流線路導(dǎo)線和地線參數(shù)Table 2 Parameters of conductor and ground wire for 1 000 kV AC line
圖1 特高壓交直流線路平行架設(shè)的桿塔布置Fig.1 Geometry of parallel UHVDC and UHVAC lines
2.1.1 平行長(zhǎng)度
接近距離S=50 m,不同平行架設(shè)長(zhǎng)度下特高壓直流線路上感應(yīng)工頻電壓、電流和換流變閥側(cè)直流偏磁電流,如圖2、圖3。
圖2 不同平行架設(shè)長(zhǎng)度下的電磁耦合影響Fig.2 Electromagnetic coupling influence with different parallel erection lengths
圖3 不同平行架設(shè)長(zhǎng)度下的直流偏磁電流Fig.3 DC bias current with different parallel erection lengths
由圖2、圖3 可見(jiàn),特高壓交流線路在平行架設(shè)特高壓直流線路上感應(yīng)出較大的工頻電壓、電流,在特高壓直流線路換流變閥側(cè)會(huì)產(chǎn)生明顯的直流偏磁電流。
工頻感應(yīng)電壓、電流以及換流變閥側(cè)直流偏磁電流隨著交/直流線路平行架設(shè)長(zhǎng)度的增加而增大,兩者基本呈線性關(guān)系。
2.1.2 接近距離
平行架設(shè)長(zhǎng)度L=100 km,不同接近距離下特高壓直流線路上感應(yīng)工頻電壓、電流和換流變閥側(cè)直流偏磁電流,如圖4、圖5。
由圖4、圖5 可見(jiàn),工頻感應(yīng)電壓、電流隨著交直流線路接近距離的增加而減小,當(dāng)交直流線路接近距離較近時(shí),工頻感應(yīng)分量隨著距離的增大衰減地很快,但當(dāng)接近距離大于80 m 時(shí),工頻感應(yīng)分量的衰減幅度越來(lái)越小。
從圖3、圖5 可知,整流站與逆變站的換流變閥側(cè)直流偏磁電流隨著平行長(zhǎng)度的增大而基本呈線性增加,隨著接近距離的增大而越來(lái)越小。根據(jù)規(guī)程要求,換流變閥側(cè)長(zhǎng)期承受的直流偏磁電流不小于30 A。為了維護(hù)換流變的安全運(yùn)行,閥側(cè)直流偏磁電流應(yīng)盡量控制在30 A 以內(nèi)。因此,交直流線路的平行長(zhǎng)度和接近距離會(huì)受到換流變所承受的最大直流偏磁電流的制約。通過(guò)仿真計(jì)算,為了滿足規(guī)程要求,不同間距下交直流線路的最大平行長(zhǎng)度如表3 示,不同平行長(zhǎng)度下交直流線路的最小接近距離如表4所示。
圖4 不同接近距離下的電磁耦合影響Fig.4 Electromagnetic coupling influence with different adjacent distances
圖5 不同接近距離下的直流偏磁電流Fig.5 DC bias current with different adjacent distances
表3 不同間距下滿足要求的交直流線路最大平行長(zhǎng)度值Table 3 The maximum parallel erection length meeting the requirement with different adjacent distances
表4 不同平行長(zhǎng)度下滿足要求的交直流最小接近距離Table 4 The minimum adjacent distance meeting the requirement with different parallel erection length
設(shè)定交/直流輸電線路接近距離為50 m,探討平行長(zhǎng)度分別為100 km、200 km 條件下?lián)Q位方式對(duì)電磁耦合的影響。
圖6 換位方式Fig.6 Transposition forms
2.2.1 交流線路換位
分別考慮特高壓交流線路并行段不換位、等距換位一次、等距換位二次的換位方式下,計(jì)算分析平行架設(shè)的特高壓直流線路上的感應(yīng)電壓、電流以及換流變閥側(cè)直流偏磁電流,見(jiàn)表5。
可以看出,交流線路換位后,直流線路上的工頻感應(yīng)電壓、電流以及換流變閥側(cè)直流偏磁電流明顯減小。并行段交流線路等距換位一次時(shí),直流線路上的整流側(cè)和逆變側(cè)感應(yīng)電壓、電流和換流變閥側(cè)直流偏磁電流減小為未換位時(shí)的50%左右。當(dāng)交流線路在并行段內(nèi)實(shí)現(xiàn)全換位(等距離換位2 次)后,直流線路整流側(cè)感應(yīng)電壓、電流和換流變閥側(cè)直流偏磁電流減小為未換位時(shí)的5%左右,逆變側(cè)感應(yīng)電壓、電流和換流變閥側(cè)直流偏磁電流減小為未換位時(shí)的7%左右。平行段交流線路全換位后,直流線路感應(yīng)電壓、電流以及換流變直流偏磁電流明顯減小至較低水平。
表5 特高壓交流線路換位的影響Table 5 Influence of different transposition forms of UHVAC line
交流線路換位可以有效平衡交流線路三相電磁耦合作用。因此,并行段交流線路導(dǎo)線換位可以有效地減小交流線路對(duì)平行架設(shè)直流線路的電磁耦合影響,換位次數(shù)越多減小效果越明顯。
2.2.2 直流線路換位
在減小交流線路對(duì)直流線路的電磁耦合影響方面,直流線路換位的效果見(jiàn)表6。
由表6 可知,并行段直流線路換位后,直流線路正極感應(yīng)參量明顯減小,負(fù)極感應(yīng)參量明顯增加,直流線路正極與負(fù)極感應(yīng)參量之間的差距較換位前明顯減小。這是因?yàn)槠叫屑茉O(shè)段直流線路換位改變了直流線路正、負(fù)極與交流線路之間的接近距離,換位均衡電磁耦合在兩極線路中的作用,使得正、負(fù)極的電磁影響變得基本相同。
表6 特高壓直流線路換位Table 6 Influence of different transposition forms of UHVDC line
平行架設(shè)的交流線路發(fā)生單相接地故障時(shí),直流線路上的電磁感應(yīng)參量波形波動(dòng)劇烈,但持續(xù)時(shí)間很短,隨后達(dá)到另一穩(wěn)態(tài)。表7 為單相接地故障未切除情況下接地故障分別發(fā)生在平行線路始端、中間或末端時(shí),交流系統(tǒng)達(dá)到另一穩(wěn)態(tài)時(shí)交流線路在直流線路上的電磁影響。
表7 單相接地故障下的電磁影響Table 7 Electromagnetic influence under single phase earth fault
從表7 中可以看出,A、B、C 三相中,C 相接地故障時(shí),對(duì)直流系統(tǒng)的電磁影響最大。這是因?yàn)镃 相線路距離直流線路最近,發(fā)生單相短路時(shí),C相短路電流急劇增加,從而加大了對(duì)直流線路的電磁感應(yīng)影響。如圖7所示,當(dāng)故障發(fā)生在平行架設(shè)段線路首端或者末端時(shí),短路電流是單向的,不會(huì)發(fā)生抵消;而當(dāng)故障發(fā)生在平行架設(shè)段中間,兩側(cè)的短路電流在直流線路上的地磁耦合影響會(huì)削弱。因此,在平行段交流線路的兩端發(fā)生單相接地故障比線路中間發(fā)生單相接地故障時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)的電磁影響要大很多。
圖7 單相短路接地故障示意圖Fig.7 Schematic diagram of single phase earth fault
1 000 kV 交流同塔雙回線路與單回線路輸送功率均為5 000 MW。表8 為1 000 kV 交流同塔雙回線路的導(dǎo)、地線參數(shù),圖8 為同塔雙回線路桿塔導(dǎo)線布置。在平行長(zhǎng)度為100 km、接近距離為50 m時(shí),特高壓?jiǎn)位睾屯p回輸電線路在特高壓直流線路的電磁耦合影響對(duì)比見(jiàn)表9。
表8 1 000 kV 交流同塔雙回線路的導(dǎo)線和地線參數(shù)Table 8 Parameters of conductor and ground wire for 1000 kV UHVAC double-circuit line
圖8 同塔雙回線路模型Fig.8 Model of double-circuit line on same tower
表9 特高壓?jiǎn)?、雙回線路對(duì)特高壓直流線路的 電磁耦合影響Table 9 Electromagnetic influence of UHVAC single,double circuit line upon UHVDC line
由表9 可見(jiàn),在輸送功率相同的條件下,同塔雙回輸電線路(垂直排列)比單回線路(三角排列)對(duì)直流系統(tǒng)的電磁影響要小。同塔雙回線路逆向序排列比同相序排列對(duì)直流系統(tǒng)的電磁影響小。雙回逆向序線路I 回停運(yùn)時(shí)的電磁影響比雙回逆向序線路嚴(yán)重得多。II 回線路停運(yùn)時(shí)的影響要比I 回停運(yùn)小很多,主要是因?yàn)镮I 回線路更要靠近特高壓直流線路。
超高壓緊湊型線路和常規(guī)線路的導(dǎo)線布置以及導(dǎo)線參數(shù)如圖9、表10所示。超高壓常規(guī)線路的導(dǎo)線和地線參數(shù)如表11所示。
圖9 超高壓緊湊型線路及常規(guī)線路導(dǎo)線布置Fig.9 Conductor configuration of EHVAC compact and conventional line
表10 超高壓緊湊型線路的導(dǎo)線和地線參數(shù)Table 10 Parameters of conductor and ground wire for EHVAC compact line
表11 超高壓常規(guī)線路的導(dǎo)線和地線參數(shù)Table 11 Parameters of conductor and ground wire for EHVAC conventional line
特高壓輸送功率一般比超高壓線路大很多,仿真計(jì)算時(shí)將特高壓?jiǎn)位鼐€路輸送功率控制在3 000 MW,超高壓常規(guī)線路的輸送功率控制在1 000 MW。由于緊湊型線路自然功率大,將其輸送功率控制在1 500 MW。那么,直流線路上的感應(yīng)參量見(jiàn)表12。
由計(jì)算結(jié)果可知,超高壓交流線路比特高壓交流線路對(duì)特高壓直流線路的電磁耦合影響小得多。相比常規(guī)線路,由于緊湊型線路減小了交流三相線路對(duì)直流線路電磁耦合影響的不平衡,交流緊湊型線路對(duì)特高壓直流線路的電磁影響明顯減小。
表12 超/特高壓線路對(duì)平行架設(shè)的 特高壓直流線路的電磁影響Table 12 Electromagnetic influence of EHVAC/UHVAC line upon UHVDC transmission line
1) 交/直流平行架設(shè)后,特高壓直流線路電壓、電流中的工頻分量明顯增加。特高壓交流線路會(huì)在平行架設(shè)特高壓直流線路產(chǎn)生較大的工頻感應(yīng)電壓、電流。特高壓直流線路換流變閥側(cè)產(chǎn)生了明顯的直流偏磁電流。
2) 工頻感應(yīng)電壓、電流隨著交/直流線路平行架設(shè)長(zhǎng)度的增加而增大,兩者基本呈線性關(guān)系。工頻感應(yīng)電壓、電流隨著交直流線路接近距離的增加而減小。換流變閥側(cè)直流偏磁電流隨著平行長(zhǎng)度的增大而基本呈線性增加,而隨著接近距離的增大而越來(lái)越小,兩者呈非線性關(guān)系。
并行段交流線路導(dǎo)線換位可以有效地減小交流線路對(duì)平行架設(shè)直流線路的電磁耦合影響,換位次數(shù)越多減小效果越明顯。并行段直流線路換位可以均衡電磁耦合在兩極線路中的作用,使得正、負(fù)極的電磁影響變得基本相同。
平行架設(shè)交流線路A、B、C 三相中,C 相接地故障時(shí),對(duì)直流系統(tǒng)的電磁影響最大。平行段交流線路的兩端發(fā)生單相接地故障比線路中間發(fā)生單相接地故障時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)的電磁影響要大得多。
3) 在輸送功率相同的條件下,同塔雙回輸電線路(導(dǎo)線逆向序垂直排列)比單回線(三角排列)對(duì)直流系統(tǒng)的電磁影響要小。同塔雙回線路逆向序排列比同相序排列對(duì)直流系統(tǒng)的電磁影響小。雙回逆向序線路I 回停運(yùn)時(shí)的電磁影響比雙回逆向序線路嚴(yán)重得多。
超高壓交流線路比特高壓交流線路對(duì)特高壓直流線路的電磁耦合影響小得多。超高壓交流緊湊型線路要比常規(guī)線路對(duì)特高壓直流線路的電磁影響明顯減小。
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