選相抑制1000kV線路合閘過電壓的仿真研究

舒勝文　劉　暢（. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福州　350007；. 國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福州　350009）

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選相抑制1000kV線路合閘過電壓的仿真研究

舒勝文1劉暢2
（1. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福州350007；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福州350009）

摘要為分析選相技術(shù)抑制1000kV空載輸電線路合閘過電壓的效果，首先研究了斷路器的合閘預擊穿特性和目標合閘相位，然后利用PSCAD/EMTDC軟件的自定義模塊建立了能考慮合閘預擊穿特性及選相控制策略的合閘模型，最后對應用選相技術(shù)的1000kV空載線路統(tǒng)計合閘過電壓進行了仿真分析，并與隨機合閘、加裝合閘電阻和金屬氧化物避雷器下的統(tǒng)計過電壓倍數(shù)進行了對比。結(jié)果表明：采用選相合閘技術(shù)配合避雷器的過電壓抑制方式能將計劃合閘過電壓限制在1.6p.u.以下，將單相重合閘過電壓限制在1.7p.u.以下，滿足相關標準的要求，同時能夠降低避雷器的吸收能量，并有效改善合閘的過渡過程。

關鍵詞：1000kV輸電線路；合閘過電壓；選相；預擊穿；合閘電阻；金屬氧化物避雷器

Simulation Research on Limit of Closing Overvoltages by Phase-controlled Technology in 1000kV Transmission Lines

Shu Shengwen1Liu Chang2
（1. Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co.， Ltd， Fuzhou350007; 2. Fuzhou Power Supply Company of State Grid Fujian Electric Power Co.， Ltd， Fuzhou350009）

Abstract In order to analyze the limit effect of the phase-controlled technology on closing overvoltages of 1000kV nonloaded transmission lines， the closing pre-strike characteristics and target closing phases of circuit breakers were studied firstly. And then， using the custom module in the PSCAD/EMTDC software， a closing model considering both closing pre-strike characteristics and phase-controlled strategy was developed. Finally， the statistics closing overvoltages of 1000kV nonloaded transmission lines were simulated， the multiple of statistics overvoltages using the phase-controlled technology was compared with that of random closing， installing closing resistor and metal oxide arrester. The results show that the phase-controlled technology in coordination with metal oxide arrester can limit the planned closing and single-phase reclosure overvoltages to be below 1.6p.u. and 1.7p.u.， respectively， which meet the requirements of relevant standards， also can reduce the absorbed energy by arresters and improve the closing transient process.

Keywords：1000kV transmission line; closing overvoltage; phase-controlled; pre-strike; closing resistor; metal oxide arrester

特高壓交流電網(wǎng)具有長距離、大容量和低損耗的送電能力，是符合中國國情、適應未來電網(wǎng)發(fā)展趨勢的輸電方式[1-3]。當前，我國特高壓交流輸電工程的建設已達到高峰期。特高壓輸電技術(shù)的一個重要技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)是絕緣水平，而與絕緣水平直接相關的是操作過電壓倍數(shù)[4]。電網(wǎng)電壓等級的提高對輸電線路操作過電壓允許值提出了更加嚴格的要求[5]。1000kV線路沿線和變電站最大相對地統(tǒng)計操作過電壓分別不宜大于1.7p.u.和1.6p.u.[6]。

空載線路的合閘（重合閘）過電壓是特高壓電網(wǎng)中非常嚴重的一種過電壓，是確定特高壓電力系統(tǒng)絕緣水平的決定性因素[4]。傳統(tǒng)的抑制特高壓空載線路合閘過電壓的方法主要包括安裝金屬氧化物避雷器[7-10]和采用帶合閘電阻的斷路器[5-11]。合閘電阻的使用使斷路器機構(gòu)更加復雜，增加了斷路器的制造成本和故障發(fā)生的概率[7-12]，同時也不滿足斷路器小型化的發(fā)展要求；采用高性能金屬氧化物避雷器能夠?qū)⑦^電壓倍數(shù)控制在一定范圍內(nèi)，但是并不能從原理上抑制過電壓的發(fā)生，僅僅是一種事故后的保護措施，有時并不能提供可靠的過電壓保護[13]，同時其通流能力的大小直接關系到避雷器安全運行。

選相合閘技術(shù)通過控制斷路器在目標關合相位合閘，可從原理上抑制空載線路的合閘過電壓，從而彌補傳統(tǒng)過電壓抑制方式的不足[4-16]。國際大電網(wǎng)會議CIGRE工作組WGA3.07對選相控制斷路器的調(diào)查報告顯示[17]：1984—2001年選相控制斷路器主要分布在26.4～800kV電壓等級，在1000kV特高壓領域鮮有用例；選相控制斷路器以常規(guī)領域應用為主，尤以選相投切電容器組應用最多，占比64%，而空載架空線路合閘與自動重合閘應用甚少，僅占比2%。此外，以往針對超/特高壓空載線路的合閘過電壓計算中，鮮有文獻綜合考慮斷路器的預擊穿特性、機械和絕緣特性的分散性。

針對已有研究的不足，本文首先研究了斷路器的合閘預擊穿特性，求取了不同斷路器機械特性分散性和關合系數(shù)下的目標合閘相位；然后，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中的自定義模塊建立了能考慮合閘預擊穿特性及選相控制策略的合閘模型；最后，對應用選相技術(shù)的1000kV空載線路統(tǒng)計合閘過電壓進行了仿真分析，并與隨機合閘、加裝合閘電阻和金屬氧化物避雷器下的過電壓倍數(shù)進行了對比，以論證選相技術(shù)應用于抑制1000kV空載線路合閘過電壓的可行性。

1　斷路器的預擊穿特性和目標合閘相位

1.1斷路器的預擊穿特性

假定線路殘壓為零，斷路器合閘過程中動、靜觸頭間承受工頻電壓，當其距離小于某一值時，間隙將不能承受外施電壓而發(fā)生預擊穿，觸頭間電壓突變?yōu)榱?，導致暫態(tài)過程的產(chǎn)生。預擊穿電壓大小直接決定了過電壓的大小。圖1所示為觸頭兩端電壓與關合絕緣特性示意圖，其中，UW為關合前觸頭間滿開距時的耐受電壓強度，Um為系統(tǒng)電壓峰值。文獻[18]指出，用直線代替實際關合絕緣特性曲線對分析結(jié)果沒有本質(zhì)影響，因此，采用不同斜率的直線1、2、3表示不同的關合絕緣特性。該斜率為觸頭間絕緣強度衰減率（RDDS）。t0為斷路器合閘操作開始時刻；t1、t2、t3為在不同關合絕緣特性曲線下的預擊穿時刻；tc1、tc2、tc3為在不同關合絕緣特性曲線下觸頭接觸時刻；t1-tc1、t2-tc2、t3-tc3為不同關合絕緣特性曲線下的預擊穿時間。便于分析，對觸頭間電壓取絕對值，將負半軸電壓翻到正半軸，并用虛線表示，其中A、B、C和C′為觸頭間電壓與關合絕緣特性曲線的交點；直線3和3′為時間軸上水平移動的關合絕緣特性曲線；當斷路器的RDDS為直線3的斜率時，其預擊穿只能發(fā)生在C′點到D點之間；直線4為觸頭間電壓為零時的切線，RDDS與直線4斜率的比值稱為關合系數(shù)，記為K1。

圖1　斷路器預擊穿示意圖

經(jīng)過推導可知，當關合系數(shù)K1≤1時，斷路器的最大、最小預擊穿時間均隨關合系數(shù)的增加而迅速降低，當K1＝1時，其最小預擊穿時間為零；預擊穿區(qū)間范圍隨關合系數(shù)的增加而增大，當K1＝1時達到最大值10ms，即在任意相位均可能發(fā)生預擊穿。

當關合系數(shù)K1＞1時，其RDDS始終大于電壓零點斜率，所以其最大預擊穿電壓為1p.u.、最大預擊穿時間為3.18ms，最小預擊穿電壓和時間均為零，預擊穿在任意相位都可能發(fā)生。

1.2目標合閘相位的求取

斷路器的關合系數(shù)和操動機構(gòu)機械分散性是影響目標合閘相位準確度的主要因素。如何求取不同觸頭間電壓波形下的目標合閘相位，是實現(xiàn)選相合閘的關鍵問題。

1）關合系數(shù)K1≥1

當關合系數(shù)K1≥1時，即斷路器的RDDS始終大于外施電壓零點的變化率，如圖2所示，其目標合閘相位為td1。圖2中，關合曲線1、2、3與觸頭間電壓波形絕對值的交點A、B、C為預擊穿發(fā)生位置；與時間軸的交點A1、B1和C1為斷路器觸頭閉合位置。直線BB1兩側(cè)的虛線2和3為考慮到斷路器機械分散性的耐壓曲線邊界線；實際合閘位置應在圖中的A1到C1范圍內(nèi)，滿足標準差為σ 的正態(tài)分布。為了使A和C處電壓相等而設定B1點為目標合閘相位，這樣在合閘時間窗口內(nèi)預擊穿電壓具有最小值，且其最小預擊穿電壓為0。

圖2　K1≥1時目標合閘相位求解示意圖

推導得到目標合閘相位td1的計算表達式為

2）關合系數(shù)K1＜1

當關合系數(shù)K1＜1時，即斷路器的RDDS始終小于外施電壓零點的變化率，如圖3所示，其目標合閘相位為td2。圖3中，由于K1＜1，其關合曲線與觸頭間電壓波形可能相切于A點，此時預擊穿電壓有最小值。關合曲線1、2、3與觸頭間電壓波形的交點A1、B、C為預擊穿發(fā)生位置；與時間軸的交點A2、B1、C1為斷路器觸頭閉合位置。直線BB1兩側(cè)的虛線2和3為考慮到斷路器機械分散性的耐壓曲線邊界線；實際合閘位置應在圖中的A2到C1范圍內(nèi)，并呈標準差為σ 的正態(tài)分布。在斷路器機械分散性一定的情況下，B1點為目標合閘相位，保證斷路器合閘時間在最大變化量下的預擊穿電壓不超過預設值。

圖3　K1＜1時目標合閘相位求解示意圖

推導得到目標合閘相位td2的計算表達式為

由式（1）和（2）可計算得到斷路器在不同機械分散性（3σ）及關合系數(shù)K1下的目標合閘相位，如圖4所示。

圖4　目標合閘相位與機械分散性和關合系數(shù)的關系

從圖4可以看出，在斷路器機械分散性一定的情況下，其目標合閘相位隨關合系數(shù)的增大而減??；在關合系數(shù)一定時，目標合閘相位隨機械分散性的增大而增大。關合系數(shù)與目標合閘相位具體的表達式可以通過非線性擬合的方式獲得。

2　1000kV空載線路合閘過電壓的仿真

2.1仿真模型和參數(shù)

1）線路參數(shù)

本文中1000kV線路參考皖電東送淮安（M1側(cè)）至皖南段（M2側(cè)），采用同塔雙回架空輸電線路，線路全長為320km，線路導線垂直排列，導線型號為LGJ-630/45，八分裂，分裂間距為450mm[8]。沿線平均土壤電阻率為100Ω·m，架空地線型號分別為LBGJ-240-20AC和OPGW-24B1-254。在線路的首末兩端安裝并聯(lián)電抗器（2×720Mvar），對其工頻過電壓進行限制。

采用PSCAD/EMTDC軟件的架空線路參數(shù)計算程序計算線路經(jīng)換位后的序參數(shù)，計算結(jié)果見表1。

2）合閘電阻和避雷器參數(shù)

選擇1100kV斷路器的合閘電阻為600Ω，投入時間為10ms。額定電壓為828kV金屬氧化物避雷器的伏安特性參考文獻[8]。該避雷器最大允許比能量為15～21kJ/kV[8]。

表1　1000kV架空線路序參數(shù)

3）斷路器RDDS及其分散性

由于合閘過程中斷口間的絕緣強度具有一定的分散性，斷路器的RDDS也具有一定的分散性[19]。采用PSCAD/EMTDC中的Multiple Run組件可模擬斷路器RDDS的分散性。

2.2仿真方法

1）仿真時序

由于斷路器在合閘時具有非同期性，即斷路器的每一相在收到隨機合閘指令后具體合閘時間是有差異的。采用Multiple Run組件模擬該非同期性，使用三相觸頭的同期合閘時刻t0與各相觸頭的實際合閘時刻ti對t0的偏離Δti來表示：

式中，t0在一個周期之內(nèi)服從均勻分布，Δti在區(qū)間（－ΔT，ΔT）內(nèi)服從正態(tài)分布。對于計劃合閘，設三相同期合閘時刻t0∈[0.5，0.52]，Δti∈[－0.005，0.005]。對于故障重合閘，由于特高壓線路相間距離大，其絕大部分短路故障都是單相接地，故本文僅考慮單相接地故障的重合閘。設定單相接地故障發(fā)生時刻為0.4s，在0.5～0.52s時刻M1和M2側(cè)斷路器先后動作將故障切除。在故障發(fā)生1s后，即在1.4s對故障線路進行單相重合閘。其中故障持續(xù)分兩種情況進行考慮，第一種的故障持續(xù)時間為0.1s，即在故障被切除前已自行消除；第二種故障的持續(xù)時間為0.5s，即故障在斷路器跳閘后方才消失。

2）過電壓計算方法

對于過電壓計算方法，本文采用Multiple Run組件模擬統(tǒng)計過電壓，對操作過電壓的統(tǒng)計方法采用Case-peak法進行計算，取三相電壓幅值的最大值作為每次抽樣的過電壓值，計算次數(shù)取120次可滿足工程計算需要[20]。在絕緣配合中一般采用2%統(tǒng)計過電壓（U2%），即置信概率水平在98%內(nèi)的過電壓值。

3）選相合閘模型

基于PSCAD/EMTDC軟件中的自定義模塊功能，采用Fortran語言建立了能考慮合閘預擊穿特性及選相控制策略的合閘模型。由于相間存在耦合作用，首合相使另外兩相觸頭間電壓波形發(fā)生畸變，可能使另外兩相不能在目標相位合閘，從而導致選相失敗。故在采用選相合閘技術(shù)時需避雷器配合，降低由于選相失敗產(chǎn)生的過電壓。

2.3仿真結(jié)果

1）計劃合閘

針對前述的1000kV空載架空線路進行計劃合閘，分別仿真了隨機合閘、僅采用避雷器、合閘電阻配合避雷器等傳統(tǒng)方法的過電壓抑制效果，并將其與選相合閘技術(shù)配合避雷器抑制合閘過電壓的效果進行對比，如圖5、圖6所示。

圖5　計劃合閘時傳統(tǒng)方法過電壓抑制效果

圖6　計劃合閘時選相合閘過電壓抑制效果

由圖5可以看出，為采用過電壓抑制裝置的隨機合閘過電壓水平較高，沿線過電壓均超過1.6p.u.，線路末端的過電壓達到最大值2.4p.u.；通過在線路兩端安裝避雷器，可以將沿線過電壓控制在2.0p.u.以下，若采用合閘電阻配合避雷器的方式能夠?qū)⒃撗鼐€合閘過電壓控制1.4p.u.以下。

由圖6可以看出，若該線路采用選相合閘技術(shù)配合避雷器，當觸頭間的平均RDDS為180kV/ms，RDDS輸入標準差為5時，能將沿線過電壓控制在1.6p.u.以下；當觸頭間RDDS輸入標準差增加時，其沿線過電壓呈下降趨勢；當觸頭間平均RDDS為210kV/ms，RDDS輸入標準差為5時，能將該合閘過電壓控制在1.5p.u.以下，下降幅度比改變RDDS輸入標準差大，說明增大RDDS能有效降低該線路合閘過電壓水平。

圖7給出了采用選相合閘技術(shù)配合避雷器和僅安裝避雷器措施的情況下，M2側(cè)避雷器吸收能量的情況。結(jié)果表明：采用選相合閘技術(shù)能將避雷器吸收的能量分布的90%以上控制在0～1kJ/kV。因此，采用選相合閘技術(shù)能夠從根本上抑制過電壓的產(chǎn)生，并將避雷器吸收能量的最大值降到最低。

圖7　避雷器吸收能量對比

因此，對1000kV空載架空線路，采用選相合閘技術(shù)配合避雷器能夠?qū)⒂媱澓祥l2%統(tǒng)計過電壓控制在1.6p.u.以下，滿足標準要求，并且能夠有效改善合閘的過渡過程，降低避雷器吸收的能量。

2）單相重合閘

對1000kV空載架空線路進行單相重合閘，分別針對2.2節(jié)所述的兩種故障持續(xù)情況，仿真分析了僅采用避雷器、選相合閘技術(shù)配合避雷器抑制過電壓的效果，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，當故障持續(xù)時間分別為0.1s 和0.5s時，選相合閘技術(shù)配合避雷器分別將1000kV空載線路的單相重合閘過電壓限值在1.7p.u.和1.6p.u.以內(nèi)，滿足標準要求。

圖8　單相重合閘時選相合閘過電壓抑制效果

因此，對1000kV空載架空線路，采用選相合閘技術(shù)配合避雷器能夠?qū)蜗嘀睾祥l2%統(tǒng)計過電壓控制在1.7p.u.以下，滿足標準要求。

3　結(jié)論

1）分析了SF6斷路器在不同殘壓下的預擊穿特性，研究了不同關合系數(shù)和機械分散性下的目標合閘相位。結(jié)果表明：在斷路器機械分散性一定的情況下，其目標合閘相位隨關合系數(shù)的增大而減??；在關合系數(shù)一定時，目標合閘相位隨機械分散性的增大而增大?；赑SCAD/EMTDC軟件中的自定義模塊功能，采用Fortran語言建立了能考慮合閘預擊穿特性及選相控制策略的合閘模型。

2）在PSCAD/EMTDC軟件中建立了皖電東送淮安至皖南段1000kV同塔雙回架空線路的仿真模型，針對計劃合閘和單相重合閘兩種情況，對比分析了傳統(tǒng)過電壓抑制方法和選相合閘技術(shù)對該線路2%統(tǒng)計過電壓進行了對比分析。結(jié)果表明：采用選相合閘技術(shù)配合避雷器的過電壓抑制方式能將計劃合閘過電壓限制在1.6p.u.以下，將單相重合閘過電壓限制在1.7p.u.以下，滿足標準要求；同時能夠降低避雷器的吸收能量，并有效改善合閘的過渡過程。

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舒勝文（1987-），男，博士，在職博士后，工程師，主要從事空氣間隙放電、高壓電器、電力系統(tǒng)內(nèi)過電壓及抑制技術(shù)方面的工作。

作者簡介