淺析串聯(lián)補(bǔ)償對(duì)交流輸電線(xiàn)路特性的影響

王 戈

（國(guó)網(wǎng)江西省電力公司培訓(xùn)中心，江西南昌 330032）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，對(duì)電力的需求越來(lái)越大，電力系統(tǒng)正在向大容量、遠(yuǎn)距離、特高壓的方向發(fā)展。電力系統(tǒng)輸送容量、輸送距離和電壓等級(jí)的不斷增加，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題變得日益突出。

串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)是一種提高穩(wěn)定極限的有效方法。在輸電線(xiàn)中間加入串聯(lián)補(bǔ)償電容器能減小線(xiàn)路電抗，縮小線(xiàn)路兩端的相角差，從而有效地提高輸電線(xiàn)路的輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。且其在線(xiàn)路建設(shè)投資、輸電走廊獲取以及減少環(huán)境污染方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

電力系統(tǒng)中的電容和電感均為儲(chǔ)能元件，當(dāng)操作或故障使其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將有過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生。在過(guò)渡過(guò)程中，可產(chǎn)生數(shù)倍于電源電壓的操作過(guò)電壓。在特高壓交流輸電系統(tǒng)中，操作過(guò)電壓是決定其絕緣水平的最重要的依據(jù)之一，直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行性能和制造成本。操作過(guò)電壓的分析與限制是發(fā)展特高壓電網(wǎng)的主要研究課題之一。

本文擬考慮在1 000 kV交流輸電系統(tǒng)中加入串聯(lián)補(bǔ)償，以目前正在建設(shè)的國(guó)家電網(wǎng)公司某特高壓交流試驗(yàn)示范工程為背景，采用國(guó)際上廣泛使用的電磁暫態(tài)計(jì)算程序ATP-EMP，對(duì)含有串聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)? 000 kV交流輸電線(xiàn)路各種工況下的合閘操作過(guò)電壓進(jìn)行計(jì)算和分析研究，以便為以后在我國(guó)特高壓輸電系統(tǒng)中采用串聯(lián)補(bǔ)償裝置提供參考。

1 操作過(guò)電壓計(jì)算

在特高壓交流輸電系統(tǒng)中，由于空載長(zhǎng)線(xiàn)的電容效應(yīng)會(huì)引起很大的工頻電壓升高，在此基礎(chǔ)上會(huì)出現(xiàn)幅值很高的合閘過(guò)電壓。合閘過(guò)電壓是特高壓電網(wǎng)中最典型的操作過(guò)電壓．對(duì)系統(tǒng)的絕緣水平起決定作用。

線(xiàn)路合閘可分為2種類(lèi)型。一種是空載線(xiàn)路正常有計(jì)劃的合閘操作：合閘前，線(xiàn)路不存在接地故障：合閘后，線(xiàn)路各點(diǎn)電壓有零值過(guò)渡到考慮電容效應(yīng)的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值。在此過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)合閘過(guò)電壓。另一種合閘操作是運(yùn)行線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障，由繼電保護(hù)系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)一短時(shí)間后再合閘，即自動(dòng)重合閘操作。

1.1 系統(tǒng)計(jì)算條件

參考某特高壓交流試驗(yàn)示范工程，線(xiàn)路長(zhǎng)度選為600 km，線(xiàn)路參數(shù)選取與示范工程相同，如表1所示。系統(tǒng)電源母線(xiàn)電壓為1 087 kV，三相短路容量為50 000 MW。為了更清晰地看出在加裝串聯(lián)補(bǔ)償電容器后對(duì)操作過(guò)電壓的影響，在計(jì)算時(shí)暫時(shí)不采取任何限壓措施。

表1 1 000 k V輸電線(xiàn)路的主要參數(shù)

1.2 空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓計(jì)算

1.2.1 計(jì)算條件

空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓計(jì)算主要考慮2種情況：

一種是考慮串聯(lián)補(bǔ)償電容器補(bǔ)償度不同對(duì)合閘過(guò)電壓的影響，另一種是考慮串聯(lián)補(bǔ)償電容器安裝在線(xiàn)路的位置不同時(shí)對(duì)合閘過(guò)電壓的影響。

線(xiàn)路合閘操作發(fā)生時(shí)間設(shè)為1個(gè)工頻周期的均勻時(shí)間，假設(shè)線(xiàn)路三相同期合閘，并通過(guò)120次計(jì)算得到這種情況下合閘過(guò)電壓2%的統(tǒng)計(jì)值。

1.2.2 計(jì)算結(jié)果

串聯(lián)補(bǔ)償電容器安裝在線(xiàn)路正中間，串聯(lián)補(bǔ)償度不同時(shí)，空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓沿線(xiàn)分布如表2所示。串聯(lián)補(bǔ)償度為50%，串聯(lián)補(bǔ)償電容器安裝位置不同時(shí)，空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓沿線(xiàn)分布見(jiàn)表3。

表2 串聯(lián)補(bǔ)償度不同時(shí)的空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓分布

表3 電容器安裝位置不同時(shí)的空載線(xiàn)路

1.2.3 計(jì)算結(jié)論

1）在加裝串聯(lián)電容器前后，空載合閘過(guò)電壓最大值分別為3.3l p.u.和2.94 p.u.，串聯(lián)補(bǔ)償電容器具有降低空載合閘過(guò)電壓的作用，并且隨著串聯(lián)補(bǔ)償度的增加，空載合閘過(guò)電壓降低的越多。

2）電容器的安裝位置對(duì)空載合閘過(guò)電壓有較大影響，越靠近線(xiàn)路首端，限壓效果越好。

3）裝有串聯(lián)補(bǔ)償電容器的特高壓交流輸電線(xiàn)路在空載合閘之前應(yīng)該將串聯(lián)補(bǔ)償電容器投入，而不是將其旁路，并且其安裝位置應(yīng)盡量靠近線(xiàn)路首端。

1.3 自動(dòng)重合閘

在超特高壓交流輸電線(xiàn)路中，由于相間距離大，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明絕大部分故障都是單相接地短路，因此其重合閘方式一般采用單相重合閘。

單相重合閘后有成功和不成功2種情況。單相重合閘成功時(shí)由于故障已經(jīng)被清除。原故障相上無(wú)殘余電壓，其過(guò)電壓與空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓相同，因此這里只對(duì)單相重合閘不成功的情況進(jìn)行研究。

1.3.1 計(jì)算條件

1）重合閘操作的時(shí)序?yàn)椋? s發(fā)生接地故障，0.1 s故障相兩端斷路器動(dòng)作切除故障相，0.8 s兩側(cè)斷路器重合閘，0.9 s兩側(cè)斷路器跳閘再次切除故障相。

2）線(xiàn)路合閘操作發(fā)生時(shí)間設(shè)為1個(gè)工頻周期的均勻時(shí)間，假設(shè)線(xiàn)路三相同期合閘，并通過(guò)120次計(jì)算得到這種情況下合閘過(guò)電壓2%的統(tǒng)計(jì)值。

單相重合閘過(guò)電壓計(jì)算同樣考慮2種情況：串聯(lián)補(bǔ)償電容器補(bǔ)償度不同對(duì)合閘過(guò)電壓的影響以及串聯(lián)補(bǔ)償電容器安裝在線(xiàn)路的位置不同時(shí)對(duì)合閘過(guò)電壓的影響。

1.3.2 計(jì)算結(jié)果

串聯(lián)補(bǔ)償電容器安裝在線(xiàn)路正中間，串聯(lián)補(bǔ)償度不同時(shí)，單相重合閘過(guò)電壓沿線(xiàn)分布如表4所示。

串聯(lián)補(bǔ)償度為50%．串聯(lián)補(bǔ)償電容器安裝位置不同時(shí)，單相重合閘過(guò)電壓沿線(xiàn)分布見(jiàn)表5。

表4 串聯(lián)補(bǔ)償度不同時(shí)的單相重合閘過(guò)電壓分布

表5 電容器安裝位置不同時(shí)的單相重合閘過(guò)電壓分布

1.3.3 計(jì)算結(jié)論

1）在加裝串聯(lián)電容器前后，單相重合閘過(guò)電壓最大值分別為2.05 p.u.和1.98 p.u.，串聯(lián)補(bǔ)償電容器具有降低單相重合閘過(guò)電壓的作用，并且隨著串聯(lián)補(bǔ)償度的增加，單相合閘過(guò)電壓降低的越多，但是效果不是很明顯。

2）電容器的安裝位置對(duì)單相重合閘過(guò)電壓有較大影響，越靠近線(xiàn)路首端，限壓效果越好。

2 操作過(guò)電壓限制

雖然在采用串聯(lián)補(bǔ)償電容器之后操作過(guò)電壓有所降低，但仍不能滿(mǎn)足我國(guó)特高壓過(guò)電壓的參考標(biāo)準(zhǔn)，因此必須采取有效措施限制操作過(guò)電壓。目前，限制操作過(guò)電壓的措施主要有：

1）使用高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)償特高壓線(xiàn)路充電容；

2）加裝金屬氧化物避雷器MOAfMetal Oxi?dized Arrester)；

3）采用斷路器合閘電阻限制合閘過(guò)電壓；

4）考慮使用控制斷路器合閘相角方法降低合閘過(guò)電壓；

5）選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式以降低操作過(guò)電壓等。

2.1 空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓限制

空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓幅值較大，是特高壓交流輸電線(xiàn)路絕緣水平起決定作用的因素。這里考慮的限壓措施有3個(gè)。

1）在線(xiàn)路兩側(cè)加裝容量相同的并聯(lián)電抗器，總并聯(lián)補(bǔ)償度為90%。

2）采用斷路器合閘電阻，阻值為400Ω，在斷路器合閘之前10 s接入。

3）在線(xiàn)路兩側(cè)加裝MOA，MOA采用日本特高壓系統(tǒng)中C型MOA的參數(shù)，雷電流為20 kA和10 kA時(shí)的雷電沖擊殘壓分別為l 620 kV和1 550 kV。

仿真計(jì)算時(shí)在線(xiàn)路正中間加裝串聯(lián)補(bǔ)償電容器，補(bǔ)償度為50%，以降低操作過(guò)電壓。斷路器合閘發(fā)生時(shí)間設(shè)為1個(gè)工頻周期的均勻時(shí)間，假設(shè)三相同期合閘，并通過(guò)120次計(jì)算得到這種情況下合閘過(guò)電壓2%的統(tǒng)計(jì)值。測(cè)得在合閘過(guò)電壓2%的統(tǒng)計(jì)值時(shí)線(xiàn)路首端、正中間和末端的電壓(均為A相)的波形如圖1-3所示。

從圖1-3中可以看出線(xiàn)路首端、正中間和末端的空載合閘過(guò)電壓值u01、u02、u03分別為1.32 p.u.、1.34 p.u.和1.32 p.u.，符合我國(guó)特高壓過(guò)電壓的參考標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn)在加裝了串聯(lián)補(bǔ)償電容器后采用上述的限壓措施是有效的。

圖1 空載合閘過(guò)電壓線(xiàn)路首端電壓波形

圖2 空載合閘過(guò)電壓線(xiàn)路正中間電壓波形

圖3 空載合閘過(guò)電壓線(xiàn)路末端電壓波形

2.2 自動(dòng)重合閘過(guò)電壓限制

線(xiàn)路重合閘在因永久性故障而不成功時(shí)，重合閘后非故障相上的工頻穩(wěn)態(tài)電壓比接地故障已消失后重合閘的要高。對(duì)于單相重合閘而言，這里主要考慮的限壓措施是：

1）在線(xiàn)路兩側(cè)加裝容量相同的并聯(lián)電抗器，總并聯(lián)補(bǔ)償度為90%；

2）在線(xiàn)路兩側(cè)加裝MOA，MOA參數(shù)同前。

仿真計(jì)算時(shí)同樣在線(xiàn)路正中間加裝串聯(lián)補(bǔ)償電容器，補(bǔ)償度為50%，以降低操作過(guò)電壓。斷路器重合閘發(fā)生時(shí)間設(shè)為1個(gè)工頻周期的均勻時(shí)間，假設(shè)三相同期合閘，并通過(guò)120次計(jì)算得到這種情況下合閘過(guò)電壓2%的統(tǒng)計(jì)值。測(cè)得在合閘過(guò)電壓2%的統(tǒng)計(jì)值時(shí)線(xiàn)路首端、正中間和末端的電壓(均為B相)的波形如圖4-6所示。

從圖4-6中可以看出線(xiàn)路首端、正中間和末端的單相重合閘過(guò)電壓值分別為1.02 p.u.、1.33 p.u.和1.36 p.u.，也符合我國(guó)特高壓過(guò)電壓的參考標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)在加裝了串聯(lián)補(bǔ)償電容器后采用上述的限壓措施同樣是有效的。

圖4 單相重合閘過(guò)電壓線(xiàn)路首端電壓波形

圖5 單相重合閘過(guò)電壓線(xiàn)路正中間電壓波形

圖6 單相重合閘過(guò)電壓線(xiàn)路末端電壓波形

3 結(jié)論

在特高壓交流輸電線(xiàn)路中加裝串聯(lián)補(bǔ)償電容器可以降低操作過(guò)電壓，尤其是對(duì)空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓的限制有較好的效果。串聯(lián)補(bǔ)償電容器的位置越靠近線(xiàn)路首端限壓效果越好：其補(bǔ)償度越大限壓效果越好。采用相應(yīng)的限壓措施，可以將加裝了串聯(lián)補(bǔ)償電容器的特高壓輸電線(xiàn)路的空載線(xiàn)路合閘過(guò)電壓和單相重合閘過(guò)電壓分別限制在1.34 p.u.和1.36 p.u.。

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