直流線路對同塔架設交流線路的影響

張羽翔

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局,昆明 650011)

直流線路對同塔架設交流線路的影響

張羽翔

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局,昆明 650011)

本文采用PSCAD-EMTDC電磁暫態(tài)軟件建立了交直流輸電系統(tǒng)和同塔輸電模型,研究了交直流線路在同塔輸電時直流輸電線路發(fā)生單極接地故障條件下的交直流線路過電壓水平變化及其影響。仿真并分析了交流輸電線路不同排列方式,是否換位對交直流線路過電壓的影響。經(jīng)過仿真和數(shù)據(jù)分析,得出了以上因素下交直流線路在直流故障情況下的過電壓的大小及其變化趨勢,并且分析了過電壓發(fā)生變化的原因。

直流高壓輸電；交直流同塔架設；PSCAD電磁暫態(tài)仿真

0 前言

我國現(xiàn)有輸電線路多為交流輸電,同交流輸電相比,直流輸電線路造價低,桿塔結(jié)構(gòu)簡單,線路所占走廊資源較少,輸電能耗較小,直流輸電系統(tǒng)兩端的交流系統(tǒng)不需要同步運行,因此可用以實現(xiàn)不同頻率或相同頻率交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)系。此外直流輸電線路的功率和電流的調(diào)節(jié)控制較為容易且迅速,可以良好的實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)和控制。我國的高壓直流輸電自1987年舟山直流輸電工程而起,到現(xiàn)在已有多條線路投入運行,高壓直流輸電在我國西電東送和全國聯(lián)網(wǎng)過程中將起重要作用。既然直流輸電線路在現(xiàn)今條件下有諸多優(yōu)勢,改建和架設直流線路自然可以提高線路傳輸效率。

但在一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),輸電走廊資源緊缺,新線路的架設成本越來越高,工程的實施愈加困難。提高電能供應已不能僅通過擴建電站,廣架線路來實現(xiàn)。從而提高電能傳輸水平應向提高電能傳輸科技含量的集約型方向發(fā)展。

本文運用電磁暫態(tài)軟件PSCAD-EMTDC建立交直流同塔輸電的仿真模型,運用仿真模型,模擬交直流同塔輸電線路在直流不同運行方式下的過電壓及對其同塔架設的輸電線路的影響。

利用仿真模型,實現(xiàn)交直流線路在不同導線布置方式、換位方式下的操作過電壓對同塔線路的影響。最后,對仿真數(shù)據(jù)進行分析總結(jié),對不同影響因素對同塔輸電線路過電壓影響進行評估。

1 PSCAD仿真模型

模型中規(guī)劃使用±800 kV雙極直流輸電線路和500 kV雙回交流輸電線路。其線路圖如圖1所示：

圖1 ±800 kV直流與雙回500 kV交流同塔輸電線路

1.1 交流輸電系統(tǒng)模型

500 kV交流輸電線路模型如下圖所示：

圖2 交流輸電模型

采用雙端電源模型,首端電源為525 kV,末端電源為500 kV。交流輸電線路輸送功率為1 850 MW,功率因數(shù)為0.95,線路平均電壓為525 kV,首端電壓取電網(wǎng)電壓的105%,短路電流以10～60 kA考慮。交流輸電線路使用4分裂導線,分裂間距為450 mm,500 kV線路避雷器選擇額定電壓為444 kV。

1.2 直流輸電系統(tǒng)模型

直流系統(tǒng)電壓為800 kV采用雙極運行方式,其線路長度為1 100～1 800 km,整流側(cè)直流電壓為816 kV,雙極正常輸送功率為6 400 MW,單極最高連續(xù)過負荷運行功率為3 200×1.1 MW。交流輸電線路采用6分裂導線,分裂間距同為450 mm。其線路相關參數(shù)如表1所示：

表1 ±800 kV直流輸電線路導地線參數(shù)

高壓直流輸電因其整流與逆變的復雜性,仿真模型建立在CIGRE標準直流模型基礎上。為實現(xiàn)800 kV輸電,串聯(lián)兩個CIGRE標準直流模型。PSCAD中整流部分模型如圖5所示：

圖3 換流閥

圖4 直流濾波器

圖5 直流換流閥模型

如圖6中,采用雙極兩端中性點接地運行方式,所示部分為整流側(cè),中性點用0.5 Ω電阻接地。雙極直流的出線端加裝了平波電抗器,使用150 mH的電感。圖3所示即為CIGRE標準直流模型的換流閥模塊,圖5中每極串聯(lián)兩個此模塊。在圖5的出線上除了加裝平波電抗器,還裝有直流濾波器以及避雷器。直流濾波器使用了12/24和12/36雙調(diào)諧波濾波器,濾波器的相關參數(shù)如圖4所示。經(jīng)過查閱資料 [1],設定了圖4中線路避雷器的額定電壓為920 kV。

以下附上直流系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)的整體仿真模型：

圖6 整流站模型

圖7 逆變站模型

直流輸電線路采用雙極輸電,輸電線路僅有兩條,其桿塔布置相對交流簡單。在非同塔段,直流桿塔采用羊角塔,其導線布置方式如圖8所示。

圖8 直流線路塔型

1.3 同塔段輸電模型

PSCAD中考慮線路頻率參數(shù)的頻率相關模型可以在相位范圍內(nèi)直接求解換位問題?？梢詼蚀_模擬傳輸線路的各個結(jié)構(gòu),以及不平衡的幾何結(jié)構(gòu)。從而在多數(shù)仿真中,頻率相關模型為輸電線路時域分析首選。本文中的同塔段仿真即使用了頻率相關模型。

同塔輸電段的模型設定即將交流與直流輸電系統(tǒng)模擬于同一段輸電線路上,由兩個PSCAD輸電線路模型實現(xiàn),中間部分加裝電流與電壓監(jiān)測模塊以及直流故障模擬點,由于交流線路和直流線路在同一輸電線路模型上,線路頻率根據(jù)文獻 [2]設定為0.000 1 Hz,其PSCAD模型如下圖所示：

圖9 同塔輸電模型

2 交流塔型變化和換位仿真結(jié)果

2.1 交流塔型變化及其仿真情況

2.1.1 交流線路仿真用塔型

在整個仿真模型中,交流桿塔使用了兩種塔型：一種為三相交流線路三角形排列,另一種為豎直排列。在單獨的交流輸電段,桿塔使用了豎直排列,其形狀大致為鼓型,其排列方式如圖3所示。但在同塔段,預定為兩種塔型進行仿真分析,即豎直排列和三角形排列。同塔段三角形排列如圖10所示,同塔豎直排列如圖11所示。

圖10 同塔輸電交流三角排列塔型

圖11 同塔輸電交流豎直排列塔型

2.1.2 交流線路豎直塔型仿真數(shù)據(jù)分析

在交流線路同塔段使用豎直塔型進行仿真時,同樣設置的參數(shù)為交流線路長度150 km,直流線路全長為1 600 km,在其線路長度的90%即1 440 km處為同塔段架設段,交流同塔段始于60 km處。同塔架設段總長為90 km,在正極直流線路同塔架設的中點模擬了單極接地故障,由仿真所得相關電壓波形圖如以下所示。

在圖12中,可以看出交流線路過電壓水平與直流線路故障時交流各相所處相位有關,本例中將故障時刻設置為B相電壓峰值時刻。雖然A相離直流線路較近,但B相的過電壓水平最高,其過電壓水平達到1.69 p.u.。A相過電壓水平第二,為1.15 p.u.,C相其次,為1.23 p.u.。A相與C相的過電壓波動過程時間較長,而B相的過電壓峰值較高,但振蕩相對較小。

圖13所示為同一時刻的直流電壓波形圖。由圖可以看出,圖中所示正極直流線路模擬單極接地故障,由于整流側(cè)換流閥觸發(fā)角迅速移相至逆變方式運行,故障極線上的電荷從線路兩側(cè)換流站交流側(cè)泄放,其電壓在一個時期內(nèi)降為零。負極直流輸電線路由于受到故障相的影響,產(chǎn)生了較大的過電壓,其過電壓達到1.38 p.u.的水平。波動結(jié)束后趨于平穩(wěn),和初始電壓等級相差不大,但還是有微小的紋波。

圖12 同塔段雙回交流導線豎直排列交流電壓波形圖

圖13 同塔段雙回交流導線豎直排列直流電壓波形圖

2.1.3 交流線路三角形塔型數(shù)據(jù)分析

在交流線路同塔段使用三角形塔型進行仿真時,設定交流線路全長150 km,直流線路全長1 600 km,在直流1 440 km處開始同塔架設,交流則始于60 km。同塔段總長度為90 km,在直流正極線路上模擬單相接地故障,所得電壓波形如圖所示。

圖14中,過電壓水平最高相同樣為B相,達到1.65 p.u.。其余A相和C相也有所波動,但過電壓水平較低,A相為1.10 p.u.,C相為0.56p.u.。B相的波動在一個時間點產(chǎn)生較大的峰值,然后在三個周期內(nèi)波動趨于緩和,最大過電壓相的持續(xù)時間較短。A相和C相過電壓等級較低,但持續(xù)了一定的時間,而且在一定的時間內(nèi),其過電壓水平緩慢變化。

圖14 交流桿塔三角形架設交流電壓波形

圖15為雙極直流線路電壓波形圖,其波形大致與豎直架設時類似。還是在正極直流輸電線路模擬了單相接地故障,正極電壓先降至零值。其后由于線路間的耦合作用,故障線路亦產(chǎn)生耦合電壓。其耦合電壓的產(chǎn)生經(jīng)過了一定的波動,但其波動峰值不超過最終的穩(wěn)態(tài)值。正常運行極過電壓情況與豎直架設時類似,過電壓最大達到1.39 p.u.。

圖15 交流桿塔三角形架設直流電壓波形

2.1.4 交流線路不同塔型數(shù)據(jù)對比

對比交流線路塔型變化后的過電壓數(shù)據(jù),直流線路健全極過電壓等級受塔型變化影響較小,但交流線路過電壓受塔型變化影響較大。比較各相的過電壓等級,三角形架設時 B相為 1.65 p.u.,A相位1.10 p.u.,C相為0.56 p.u.。豎直形架設時B相為1.69 p.u.,A相和C相為1.15 p.u.和1.23 p.u.。各相過電壓水平皆高于三角形架設,尤其是C相高了一倍多。原因在于三角形架設時,三相電流的磁場容易相互抵消,可以降低線路間的相互影響。

2.2 交流輸電線路換位及其仿真情況

交流輸電線路在進行長距離輸電時會造成三相參數(shù)的不平衡,三相參數(shù)的不平衡會引發(fā)不對稱電流,線路不對稱電流會影響到桿塔間的電磁耦合情況。尤其是交直流線路同塔架設時,交流線路由于參數(shù)不平衡引發(fā)的不對稱電流會對交直流線路的過電壓水平造成影響。從而交直流線路在同塔架設時應考慮到交流線路換位的問題。

在交流輸電線路輸電時,其進行一次整換位循環(huán)和不換位相比引發(fā)的不對稱電流前后差距達到十分之一[3]。進行換位對消除不平衡參數(shù)的好處是十分明顯的,但換位布線較為復雜,進行換位跳線、絕緣子串和橫擔的需求數(shù)量較多,從而增加了線路建設成本。隨著輸電線路電壓等級的提高,高壓線路由于換位困難較大,500 kV以上的高壓輸電線路有時只能采取不換位的架設方案,這樣的不換位架設就需要面對三相參數(shù)不平衡而帶來的各種問題。

交直流線路在進行同塔架設時其線路間的電磁耦合和電磁感應問題較為嚴重,同塔段如果不進行換位,其不對稱電流對交直流線路造成的不良影響同單獨架設交流線路相比要大很多。故同塔架設時應充分考慮交流線路是否換位。

2.2.1 交流線路換位仿真模型

在進行仿真時,保持同塔段長度為90 km不變,直流線路全長1 600 km,在90%處即1 440 km處開始同塔段架設,交流線路采用三角形排列。在同塔段初始處模擬直流線路單極接地故障。設置交流線路在同塔段進行了一次逆相序全換位,其具體換位方式如圖16所示：

圖16 交流線路同塔段換位方式

2.2.2 換位仿真數(shù)據(jù)分析

為了便于進行數(shù)據(jù)對比分析,換位仿真前,先進行了在直流線路長度為1 600 km,同塔段長度90 km,在同塔段初始處模擬直流單極接地故障的仿真,其所得交直流線路數(shù)據(jù)如下圖所示：

圖17 未換位交流電壓波形

圖18 未換位直流電壓波形

如圖17和圖18所示,交流線路未進行換位,其交流過電壓最大相位B相,達到1.46 p.u.,直流負極線過電壓水平達到1.43 p.u.。

交流線路進行換位時,將同塔段90 km線路分為三部分,每段30 km,如圖17所示進行三次換位,所得仿真數(shù)據(jù)如下：

圖19 換位交流電壓波形

圖20 換位直流電壓波形

經(jīng)過換位后的交直流線路電壓波形并未發(fā)生太大變化,但交流最大過電壓相B相過電壓水平為1.39 p.u.,直流負極線過電壓為1.42 p.u.。比較換為前后的數(shù)據(jù),交流線路過電壓水平明顯降低,從1.46 p.u.降到了1.39 p.u.；而直流線路過電壓水平基本未變。從而可以看出,在交流線路換位對降低交流過電壓水平有顯著的作用。其原因在于換位后交流線路的不對稱電流減少,從而對降低交流過電壓起到了一定作用。

3 結(jié)束語

本文通過電磁暫態(tài)仿真軟件建立模型,經(jīng)過設置仿真變量模擬了雙回500 kV交流和±800 kV直流同塔架設線路,仿真了直流線路因操作引起的過電壓以及同塔架設交流線路的感應過電壓,并分析了各類因素對過電壓水平的影響,得出以下結(jié)論：

I交流線路采用三角形排列時,B相過電壓為1.65 p.u.,A相位1.10 p.u.,C相為0.56 p.u.,當改為豎直排列時,B相過電壓提升為 1.69 p.u.,A相和C相為1.15 p.u.和1.23 p.u.。在同塔段進行全換位后,交流線路最大相過電壓從1.46 p.u.降為1.39 p.u.。從而可以判斷交流輸電線路在同塔段采用三角形架設和換位時可以降低交流線路在直流故障情況下的過電壓等級。

II交直流線路同塔架設時,雙極直流線路的雙極接地故障比單極接地故障造成的交流和直流過電壓等級皆低,因為直流線路對稱故障磁場相互抵消從而顯著降低過電壓等級。直流線路故障點位于同塔段中點時故障過電壓等級最高,離故障極較近的交流線路過電壓等級較高。

[1] 趙婉君.高壓直流輸電工程技術 [M].北京：中國電力出版社,2004.

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Research on Influence of DC Transmission Line on AC Transmission Line on Same Tower

ZHANG Yuxiang
(Kunming Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid,Kunming 650011,China)

This article use the PSCAD-EMTDC software to build a model of AC and DC transmission system which make the AC and DC transmission line on the same tower.Analysis the hybrid line’s overvoltage level and its trends when the DC transmission line under the single-pole ground fault.Design different arrangement modes of AC transmission line,whether the AC transmission line exchange the transposition to simulate the overvoltage of same tower system.Also make the DC transmission line on the different fault condition,different operation modes and different length to simulate the overvoltage of the single-pole ground fault of the DC transmission line.Through the model simulation and data analysis,it should draw the size and trend of transmission line’s overvoltage,and analyze the reason of the change of overvoltage.

high-voltage DC transmission；AC＆DC transmission line on the same tower；PSCAD simulation

TM75

B

1006-7345(2015)01-0124-05

2014-10-24

張羽翔 (1989),男,云南電網(wǎng)公司昆明供電局,主要從事變電運行工作 (e-mail)yuxiang_z＠yeah..net。