500 kV龍城輸變電工程內(nèi)過電壓計(jì)算研究

王愛民，張 偉，陰崇智

（1.國網(wǎng)山西省電力公司,山西 太原 030001;2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001）

500 kV龍城輸變電工程內(nèi)過電壓計(jì)算研究

王愛民1，張 偉2，陰崇智2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司,山西 太原 030001;2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001）

龍城500 kV輸變電工程處于500 kV山西中部電網(wǎng)，工程投產(chǎn)對(duì)中部電網(wǎng)的運(yùn)行方式會(huì)造成一定影響，需要對(duì)調(diào)試中可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式進(jìn)行過電壓研究分析。針對(duì)工頻過電壓、操作過電壓、潛供電流和恢復(fù)電壓等進(jìn)行了計(jì)算，并作為制定試驗(yàn)方式和保護(hù)措施的依據(jù)，同時(shí)可以作為同類工程提供建設(shè)、啟動(dòng)調(diào)試及運(yùn)行的參考。

工頻過電壓；潛供電流；操作過電壓

1 投產(chǎn)設(shè)備接線及主要參數(shù)

1.1 500 kV龍城輸變電工程系統(tǒng)接線及運(yùn)行方式

500 kV龍城輸變電系統(tǒng)由500 kV龍城智能變電站、500 kV晉中變電站、500 kV云頂山變電站以及原500 kV云晉線π入龍城后新的500 kV晉龍線和云龍線組成，其中龍城變電站本期工程新建。

通過PSCAD程序建模仿真進(jìn)行過電壓計(jì)算，對(duì)龍城輸變電工程近區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行了必要等值簡化，在保留龍城輸變電工程以及與其存在較強(qiáng)聯(lián)系的500 kV變電站和線路的基礎(chǔ)上，將各變電站之間220 kV及其電壓等級(jí)以下的線路阻抗計(jì)算等值到各站之間的互阻抗中。計(jì)算潮流方式和系統(tǒng)參數(shù)以山西電網(wǎng)2015年年度運(yùn)行方式的潮流和母線電壓為基礎(chǔ)。

1.2 500 kV投產(chǎn)主要設(shè)備參數(shù)

龍城輸變電工程本期投產(chǎn)的500 kV晉龍線，500 kV云龍線全長分別為39.772 km、104.303 km，線路型號(hào)均為4×GL/JIA-400/35，線路全線經(jīng)過3次換位，完成一個(gè)全循環(huán)換位。線路單回路部分采用三相水平排列，同塔并架部分采用三相垂直排列；龍城變電站內(nèi)本期投產(chǎn)2臺(tái)1 000 MVA自耦變壓器。相關(guān)參數(shù)，如表1、表2所示。

表1 500 kV線路參數(shù)表

表2 500 kV龍城變電站主變壓器參數(shù)

2 工頻過電壓計(jì)算分析

電力系統(tǒng)工頻過電壓，主要由空載長線路的電容效應(yīng)引起的工頻電壓升高、系統(tǒng)不對(duì)稱短路引起的工頻電壓升高和甩負(fù)荷引起電壓升高單獨(dú)或組合作用產(chǎn)生。其大小與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電源容量、線路長度、參數(shù)、并聯(lián)補(bǔ)充方式、運(yùn)行方式和故障形態(tài)有關(guān)。

工頻過電壓倍數(shù)是指三相中最大相電壓與系統(tǒng)最高相電500/的比值，因此分析計(jì)算以500作為計(jì)算基值。按照國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《500 kV變電所設(shè)計(jì)暫行技術(shù)規(guī)定（電氣部分）》的規(guī)定，系統(tǒng)工頻過電壓的允許水平，在線路斷路器的變電站側(cè)標(biāo)幺值一般不宜超過1.3，在線路斷路器的線路側(cè)標(biāo)幺值一般不宜超過1.4。

在本工程的工頻過電壓計(jì)算分為試驗(yàn)方式和運(yùn)行方式兩個(gè)部分討論。

試驗(yàn)方式下工頻過電壓的討論，考慮了試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的多種充電方式，粗略分為5種，計(jì)算工頻過電壓主要是分析空充空載長線時(shí)，由于線路電容的影響而引起的線路末端工頻容升電壓是否滿足線路電壓不超過系統(tǒng)最高允許電壓550 kV（見表3）。

不同形式的充電運(yùn)行方式列舉如下。

a)FS101試驗(yàn)方式：晉龍線從晉中側(cè)充電。

b)FS102試驗(yàn)方式：晉龍線帶電，云龍線從龍城側(cè)充電。

c)FS103試驗(yàn)方式：晉龍線帶電，云龍線從云頂山側(cè)充電。

d)FS104試驗(yàn)方式：晉龍線從晉中側(cè)充電，晉中側(cè)母線高抗退出。

e)FS105試驗(yàn)方式：云龍線從云頂山側(cè)充電，云頂山側(cè)母線高抗退出。

表3 試驗(yàn)方式下工頻過電壓計(jì)算結(jié)果

在以上5種試驗(yàn)方式中，F(xiàn)S101中晉龍線工頻過電壓最高倍數(shù)線路側(cè)標(biāo)幺值為1.174，晉中側(cè)需控制母線電壓為545.3 kV；FS102中，云龍線工頻過電壓最高倍數(shù)線路側(cè)標(biāo)幺值為1.216，晉中側(cè)需控制母線電壓為542.2 kV；FS103中，云龍線工頻過電壓最高倍數(shù)線路側(cè)標(biāo)幺值為1.186，晉中側(cè)需控制母線電壓為542.6 kV；FS104中，云龍線工頻過電壓最高倍數(shù)線路側(cè)標(biāo)幺值為1.178，晉中側(cè)需控制母線電壓為544.5 kV；FS105中，云龍線工頻過電壓最高倍數(shù)線路側(cè)標(biāo)幺值為1.210，晉中側(cè)需控制母線電壓為542.2 kV。

可以看出，上述所有試驗(yàn)方式下，對(duì)晉龍線和云龍線進(jìn)行啟動(dòng)調(diào)試，在線路兩側(cè)產(chǎn)生的過電壓均低于規(guī)程中要求的線路標(biāo)幺值最高1.4的規(guī)定值。并且這幾種方式下啟動(dòng)調(diào)試側(cè)的需控制母線電壓大小都大于539 kV。采取上述任何一種試驗(yàn)方式對(duì)晉龍線和云龍線進(jìn)行啟動(dòng)調(diào)試，產(chǎn)生的過電壓都滿足規(guī)程中的大小，均無需對(duì)調(diào)試側(cè)的母線電壓進(jìn)行特別控制。

正常運(yùn)行方式下，考慮線路兩端發(fā)生無故障掉閘后的空載長線電壓升高、線路末端單相短路甩負(fù)荷的相對(duì)地過電壓。各正常運(yùn)行計(jì)算結(jié)果，晉龍線工頻過電壓最高倍數(shù)線路側(cè)標(biāo)幺值為1.177，云龍線工頻過電壓最高倍數(shù)線路側(cè)標(biāo)幺值為1.193，均低于規(guī)程中要求的線路標(biāo)幺值最高為1.4的規(guī)定值。

3 潛供電流和恢復(fù)電壓計(jì)算分析

當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障導(dǎo)致線路兩端斷路器跳閘切斷故障相后，故障相線路上由于和運(yùn)行中的健全相通過電容及互感耦合，使得故障點(diǎn)仍有一個(gè)較小的電流流過，稱為潛供電流。單相重合閘及重合閘時(shí)間的確定取決于潛供電流的熄滅時(shí)間，重合閘必須在潛供電流熄滅以后才能投入，而潛供電流的熄滅與它的大小及恢復(fù)電壓高低有直接關(guān)系。

潛供電流是線路間的互感及電容耦合的結(jié)果，由于對(duì)于確定的線路，在不同運(yùn)行方式下線路的電壓變化有限，所以電容耦合的分量是確定的。電磁耦合分量與電流即潮流有關(guān)，但在高壓系統(tǒng)中當(dāng)線路長度較短（小于250 km） 時(shí)電磁耦合分量所占比例較低，故線路的潛供電流主要是由電容耦合分量決定的，潮流的運(yùn)行方式對(duì)它的影響較小。

本文基于以上觀點(diǎn)針對(duì)檢修方式FS201晉龍線檢修和FS202云龍線檢修分別計(jì)算云龍線和晉龍線潛供電流。正常方式下的線路首端、末端及中間發(fā)生接地的潛供電流和恢復(fù)電壓（見表4、表5）。

表4 FS201方式下云龍線潛供電流與恢復(fù)電壓

表5 FS202方式下晉龍線潛供電流與恢復(fù)電壓

云龍線和晉龍線為無補(bǔ)償線路。云龍線潛供電流最大值為15.377 A，恢復(fù)電壓為36.968 3 kV。若潛供電弧弧道長度以3.7 m計(jì)，則恢復(fù)電壓梯度為9.991 4 kV/m。晉龍線潛供電流最大值為5.857 6 A，恢復(fù)電壓為37.787 1 kV。若潛供電弧弧道長度以3.7 m計(jì)，則恢復(fù)電壓梯度為10.212 7 kV/m。

根據(jù)潛供電弧的研究結(jié)果，結(jié)合規(guī)程《交流高壓斷路器參數(shù)選用導(dǎo)則》 （DL/T615—1997），對(duì)于無補(bǔ)償線路，當(dāng)恢復(fù)電壓梯度為10 kV/m，潛供電流為12 A時(shí)，潛供電弧的自滅時(shí)間推薦值為0.1～0.15 s；潛供電流為24 A時(shí)，潛供電弧的自滅時(shí)間推薦值為0.35～0.56 s。結(jié)合本次計(jì)算結(jié)果，晉龍線取0.15 s，云龍線取0.45 s；考慮潛供電弧熄滅后的弧道介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間以0.1 s計(jì)，同時(shí)考慮潛供電弧滅弧后的無電流間隙所留裕度0.1 s，則晉龍線的最小單相重合閘時(shí)間可按0.35 s考慮，而云龍線的最小單相重合閘時(shí)間可按0.65 s考慮。

4 操作過電壓計(jì)算分析

4.1 合空線操作過電壓

在空充方式下，對(duì)相關(guān)線路的合空線過電壓進(jìn)行了計(jì)算（見表6、表7、表8）。計(jì)算中開關(guān)的預(yù)期合閘時(shí)間在1個(gè)周波內(nèi)隨機(jī)均勻分布，開關(guān)三相的不同期性以正態(tài)分布考慮，最大不同期以5 ms計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了120次合閘的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出了120次計(jì)算結(jié)果的最大值U2%。表中操作過電壓標(biāo)幺值的基準(zhǔn)值為

表6 晉龍線合空線操作過電壓

表7 云龍線合空線操作過電壓

表8 晉龍線+云龍線合空線操作過電壓

計(jì)算結(jié)果表明，合空線操作過電壓試驗(yàn)中，晉龍線合空線過電壓相地標(biāo)幺值最大值為1.513，云龍線合空線過電壓相地標(biāo)幺值最大值為1.763，晉龍線+云龍線合空線過電壓相地標(biāo)幺值最大值為1.823，均滿足規(guī)程相地過電壓標(biāo)幺值不超過2.0的規(guī)定。

4.2 單相重合閘操作過電壓

在正常運(yùn)行方式下，計(jì)算相關(guān)線路的單相重合閘過電壓。計(jì)算中開關(guān)的預(yù)期合閘時(shí)間在1個(gè)周波內(nèi)隨機(jī)均勻分布，開關(guān)三相的不同期性以正態(tài)分布考慮，最大不同期以5 ms計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了120次合閘的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出了120次計(jì)算結(jié)果的最大值U2%。各線路計(jì)算結(jié)果如表9、10所示，表中操作過電壓標(biāo)幺值的基準(zhǔn)值為1.0＝

表9 云龍線單相重合閘操作過電壓

表10 晉龍線單相重合閘操作過電壓

計(jì)算結(jié)果表明，云龍線單相重合閘過電壓相地標(biāo)幺值最大值為1.264，晉龍線單相重合閘過電壓相地標(biāo)幺值最大值為1.031，滿足規(guī)程相地過電壓標(biāo)幺值不超過2.0的規(guī)定。

5 線路兩側(cè)接地刀閘選用校核計(jì)算分析

對(duì)500 kV云頂山—龍城、龍城—晉中線路的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)行方式按照同塔雙回線路中一回路檢修，另一回路運(yùn)行，且線路輸送潮流2 200 MW。

應(yīng)云頂山—龍城線路的相關(guān)接地刀閘應(yīng)滿足投切下述電流和電壓的要求：云頂山—龍城線路檢修、龍城—晉中線路運(yùn)行時(shí)，在檢修回路上產(chǎn)生的最大感性感應(yīng)電流為82.8 A（有效值），最大感性感應(yīng)電壓為3.3 kV（有效值），最大容性感應(yīng)電流為3.0 A（有效值），最大容性感應(yīng)電壓為6.5 kV（有效值）。龍城—晉中線路的相關(guān)接地刀閘應(yīng)滿足投切下述電流和電壓的要求：龍城—晉中線路檢修、云頂山—龍城線路運(yùn)行時(shí)，在檢修回路上產(chǎn)生的最大感性感應(yīng)電流為233.2 A（有效值），最大感性感應(yīng)電壓為4.2 kV（有效值），最大容性感應(yīng)電流為3.0 A（有效值），最大容性感應(yīng)電壓為19.2 kV（有效值）。

由于方式二最大感性感應(yīng)電流為233.2 A（有效值），超過B類接地刀閘200.0 A（有效值）標(biāo)準(zhǔn)，故龍城站選用超B類接地刀閘滿足開、合感應(yīng)電流的要求。

Study on the Calculation of Internal Overvoltage in Longcheng 500 kV Transmission System

WANG Aimin1,ZHANG Wei2,YIN Chongzhi2
（1.State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030001,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China）

Longcheng 500 kV intelligent substation is connected to Jinzhong Substation and Yundingshan Substation through 500 kV transmission Jinlong Line and Yunlong Line.Longcheng Substation is newly built,while Jinzhong Station and Yundingshan Station are transformed projects.Original YunjingLine was divided intoJinlongLine and YunlongLine.This transmission systemlocates in the middle of Shanxi Power Grid,which would have an impact on the operation of Shanxi Power Grid,thus,it is necessary to carry out overvoltage analysis for various operation modes that may happen during the commissioning process.Calculations have been carried out in view of power frequency overvoltage,switching over-voltage,second-arc current and recovery voltage.The results can be taken as basis to set up testingmethods and protection measures,meanwhile providingreferences for the similar projects.

power frequencyovervoltage;second-arc current;switchingover-voltage

TM63；TM862

A

1671-0320（2017）02-0039-04

2017-01-22，

2017-03-09

王愛民（1971），男，山西懷仁人，1994年畢業(yè)于大連理工大學(xué)無線電技術(shù)專業(yè)，高級(jí)工程師，從事電力工程建設(shè)工作；張 偉（1988），男，山西昔陽人，2014年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，從事電網(wǎng)試驗(yàn)工作；

陰崇智（1969），男，山西中陽人，1991年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)電力分院電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)繼電保護(hù)工作。