潛供電流和恢復(fù)電壓的工程計(jì)算及其限制措施分析

何盛

（擎能設(shè)計(jì)有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

潛供電流和恢復(fù)電壓的工程計(jì)算及其限制措施分析

何盛

（擎能設(shè)計(jì)有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

為使在500kV及以上超特高壓輸電線路瞬時(shí)性故障后單相自動(dòng)重合閘重合成功，必須有效限制潛供電流和恢復(fù)電壓。本文以湖南500kV湘西至永州線路為例，進(jìn)行了潛供電流和恢復(fù)電壓的理論分析計(jì)算，并提出了合理的限制措施，同時(shí)利用BPA軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算。

潛供電流；恢復(fù)電壓；工程計(jì)算；BPA

引言

超高壓輸電線路中，經(jīng)常采用單相重合閘的方式。當(dāng)輸電線路發(fā)生單相故障時(shí)，只切除線路故障相，線路轉(zhuǎn)入非全相運(yùn)行。然后進(jìn)行單相重合閘，若為瞬時(shí)性故障，重合閘成功，線路恢復(fù)三相正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)然熄弧越快對(duì)重合閘成功越有利，然而在非全相運(yùn)行期間，兩運(yùn)行相通過電容耦合在故障點(diǎn)形成電流；運(yùn)行相通過負(fù)荷電流時(shí)，因相間存在互感，在故障相線路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同樣在故障點(diǎn)形成電流。這兩部分電流之和稱為潛供電流。為了使得單相重合成功，要求潛供電流較小，并且熄弧時(shí)恢復(fù)電壓也較低。

1 潛供電流的分析

架空線輸電線路存在對(duì)地電容和線間電容，如圖1所示。線間電容CM可變換成等效星形電容，如圖2。輸電線路正序、負(fù)序電容輸電線路零序電容為C0，為輸電線路長(zhǎng)度，CM為線路線間電容。

圖1 正常運(yùn)行工況下輸電線路等值電路圖

圖2 正常運(yùn)行工況下輸電線路等值電路圖（將CM進(jìn)行角—星變換后）

當(dāng)線路A相接地兩側(cè)A相斷開后，電路化簡(jiǎn)為圖3所示。因B、C相間電容對(duì)潛供電流Iqg.c無影響，繼而電路化簡(jiǎn)為圖4，根據(jù)電路原理，可將圖4化簡(jiǎn)為一個(gè)等效有源支路，如圖5所示。

圖3 模擬A相跳閘后線路等值電路圖

圖4 模擬A相跳閘后簡(jiǎn)化線路等值電路圖1

圖5 模擬A相跳閘后簡(jiǎn)化等效有源支路圖

產(chǎn)生潛供電流的另一原因是兩個(gè)非故障相有負(fù)荷電流，通過與故障相的電感耦合引起。圖6示出了相間電感耦合形成潛供電流示意圖，為兩非故障等效負(fù)荷電流，該負(fù)荷電流通過相間電感耦合在故障線段中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)、，通過故障線對(duì)地電容在故障處建立相應(yīng)電流。顯然，電感耦合引起的潛供電流是上述兩部分電流之差。與負(fù)荷電流大小、故障點(diǎn)位置有關(guān)。總的潛供電流通常情況下，比小得多，因此，在工程理論計(jì)算中，可將忽略，一般認(rèn)為潛供電流產(chǎn)生及流向示意圖見圖6。

圖6 潛供電流產(chǎn)生及流向示意圖

2 潛供電流的限制措施

為了提高超高壓電網(wǎng)線路故障單相自動(dòng)重合閘的成功率，必須采取一定的措施，以加快潛供電弧的熄滅。在超高壓輸電系統(tǒng)中，主要有以下限制措施：

2.1 使用快速接地開關(guān)（HSGS——High Spead Ground Switch）

這種方法是在故障相線路兩側(cè)斷路器跳開后，先快速合上故障線路兩側(cè)的HSGS，將接地點(diǎn)的潛供電流轉(zhuǎn)移到電阻很小的兩側(cè)閉合的接地開關(guān)上，從而減小流經(jīng)故障接地點(diǎn)潛供電流，促使故障接地點(diǎn)潛供電弧熄滅；然后打開HSGS，利用開關(guān)的滅弧能力將其電弧強(qiáng)迫熄滅；最后，再重合故障相線路。

2.2 使用高壓并聯(lián)電抗器及中性點(diǎn)小電抗

圖7 電抗器中性點(diǎn)接小電抗等值回路圖

在裝有高壓并聯(lián)電抗器的線路上，加裝高壓并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)小電抗，該方法在我國(guó)超特高壓電網(wǎng)使用較為廣泛。本文選取實(shí)例也是采用的此種措施實(shí)現(xiàn)限制潛供電流和恢復(fù)電壓。在高壓并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)加裝小電抗后，可以補(bǔ)償相間電容，并部分補(bǔ)償互感分量，降低潛供電流的幅值。高壓并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)接小電抗等值回路圖見圖7。

根據(jù)DL/T5014-2010《330kV～750kV變電站無功補(bǔ)償裝置技術(shù)規(guī)定》及《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（電氣一次部分）》可知，超特高壓電網(wǎng)輸電線路的充電功率應(yīng)按就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t采用高、低壓并聯(lián)電抗器予以補(bǔ)償。高壓并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償度kl一般取40%～80%。80%～100%補(bǔ)償度是一相開斷或兩相開斷的諧振區(qū)，應(yīng)避免采用。

式中：QL——并聯(lián)電抗器的容量，MVA；

QC——線路的充電功率，MVA；

中性點(diǎn)小電抗值從抑制工頻傳遞諧振過電壓角度出發(fā)可按式（6）：

式中：X0——中性點(diǎn)小電抗的電抗值，Ω；

XL——并聯(lián)電抗器的正序電抗值，Ω；

X12——線路相間容抗值，Ω；

中性點(diǎn)小電抗值從補(bǔ)償相間電容角度出發(fā)可按式（7）：

式中：XL0——并聯(lián)電抗器的零序電抗值，Ω；XL=XL0對(duì)單相電抗器，XL=XL0，對(duì)三相三柱是電抗器，

3 實(shí)例計(jì)算分析

500kV湘西～永州線路是湖南湘西電力外送重要500kV線路之一，線路始于500kV湘西站，止于湘南500kV永州站。線路為單回路架設(shè)，導(dǎo)線截面2 400/50，水平排列方式，子導(dǎo)線分裂間距450mm，線路長(zhǎng)度約245.4km。地線型號(hào)一根為OPGW，另一根為GJ-80。全線采用了兩個(gè)全換位。線路序參數(shù)表見表1。

表1 500kV湘西站～永州站線路序參數(shù)表

圖8 500kV湘西～永州線路示意圖

顯然，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，500kV湘西～永州線路潛供電流幅值為47.4A,遠(yuǎn)大于電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T5222-2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中潛供電流應(yīng)小于15～20A的要求，因此為了保證單相重合閘的成功需裝設(shè)線路高抗。

又可算得500kV湘西站～永州站線路充電功率：

由于線路兩側(cè)均裝設(shè)一組高壓并聯(lián)電抗器，每組高壓并聯(lián)電抗器可按線路充電功率的一半進(jìn)行補(bǔ)償，為了避免諧振過電壓，高抗補(bǔ)償度宜取40%～80%，同時(shí)綜合考慮到高抗產(chǎn)品生產(chǎn)序列性，500kV湘西～永州線路兩側(cè)各裝設(shè)一組120MVar（由3臺(tái)單相40MVar電抗器組成）是較為合理。

根據(jù)式（5）可算得高抗補(bǔ)償度kl＝75.1%。

∵所裝設(shè)電抗器為單相電抗器

∴根據(jù)式（7）

綜上所述，為了有效限制500kV湘西～永州線路的潛供電流和恢復(fù)電壓，推薦線路兩側(cè)分別裝設(shè)有1組120MVar高抗（3臺(tái)單相40MVar電抗器），此外，依據(jù)類似500kV線路實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到中性點(diǎn)小電抗產(chǎn)品序列性，推薦中性點(diǎn)小電抗選擇900Ω。

4 BPA軟件仿真計(jì)算分析

本文利用BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序來計(jì)算潛供電流和恢復(fù)電壓。

4.1 填寫潮流數(shù)據(jù).dat文件數(shù)據(jù)

首先，以工程設(shè)計(jì)水平年網(wǎng)架和運(yùn)行方式為基礎(chǔ)，填寫潮流數(shù)據(jù).dat文件。

1）填寫定義母線節(jié)點(diǎn)B卡，主要填寫內(nèi)容包括卡片類型，節(jié)點(diǎn)名稱、基準(zhǔn)電壓。

湘西站、永州站500kV母線對(duì)應(yīng)的潮流.dat文件所填數(shù)據(jù)為：

B 湘西 500.

B 永州 500.

2）填寫線路數(shù)據(jù)卡L卡，主要填寫內(nèi)容包括線路兩側(cè)母線名稱、基準(zhǔn)電壓、正序電阻、電抗、電納表么值；500kV高抗卡L+卡，主要填寫內(nèi)容包括線路兩側(cè)母線名稱、基準(zhǔn)電壓、高抗容量。

對(duì)應(yīng)的潮流.dat文件所填數(shù)據(jù)為：

L 湘西 500.永州 500.1000178 002563 131342 246

L+湘西 500.永州 500.120.120.

4.2 填寫穩(wěn)定數(shù)據(jù).swi文件數(shù)據(jù)

對(duì)應(yīng)潮流文件中線路數(shù)據(jù)L卡，穩(wěn)定數(shù)據(jù)中需要填寫線路零序參數(shù)卡L0卡，主要填寫內(nèi)容包括線路兩側(cè)母線名稱、基準(zhǔn)電壓、零序電阻、電抗、電納表么值；高抗零序卡L0+，主要填寫內(nèi)容包括線路兩側(cè)母線名稱、基準(zhǔn)電壓、線路兩側(cè)高抗的等值零序電抗表么值。

其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定.swi文件所填數(shù)據(jù)：

LO 湘西 500.永州 500..023514.07935 .747 .747

LO+ 湘西 500.永州 500.2.088 2.088

4.3 潛供電流和恢復(fù)電壓的計(jì)算

通過使用BPA程序計(jì)算500kV湘西～永州線路線路潛供電流和恢復(fù)電壓結(jié)果見表2、表3。

表2 500kV湘西～永州線路線路潛供電流和恢復(fù)電壓結(jié)果（未裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器）

表2中未裝設(shè)高抗時(shí)，軟件計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算潛供電流結(jié)果相差約1A，主要原因是工程理論計(jì)算時(shí)，忽略了非故障相與故障相間電感耦合所提供的潛供電流電磁分量。

表3 500kV湘西～永州線路線路潛供電流和恢復(fù)電壓結(jié)果（線路兩側(cè)裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器）

由以上計(jì)算結(jié)果可知：線路兩側(cè)未裝設(shè)高抗時(shí)，軟件計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算潛供電流結(jié)果基本一致，線路兩側(cè)裝設(shè)中性點(diǎn)小電抗為900Ω的120MVar高抗后，潛供電流和恢復(fù)電壓均得到明顯下降，潛供電流限制到約12A，滿足電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T5222-2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中潛供電流應(yīng)小于15～20A的要求。顯然，加裝合適的并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)接小電抗對(duì)減小潛供電流和降低恢復(fù)電壓效果是十分理想的。

5 結(jié)論

本文在闡述潛供電流和恢復(fù)電壓產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上,以500kV湘西至永州超高壓線路為例進(jìn)行工程理論計(jì)算，得到未裝設(shè)線路高抗前，500kV湘西至永州超高壓線路的潛供電流和恢復(fù)電壓分別為47.4A和53.4kV，潛供電弧無法自熄滅。于是通過計(jì)算，推薦該條線路兩側(cè)分別裝一組中性點(diǎn)小電抗為900Ω的120MVar線路高抗，以達(dá)到限制潛供電流和恢復(fù)電壓的目的。同時(shí)為了驗(yàn)證工程理論計(jì)算的正確性，本文利用BPA仿真軟件進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明，未裝設(shè)線路高抗前，線路潛供電流和恢復(fù)電壓的仿真計(jì)算與工程理論計(jì)算結(jié)果基本一致，裝設(shè)線路高抗后，線路潛供電流和恢復(fù)電壓均可限制到電力標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的正確性。本文的分析結(jié)論可為潛供電流、恢復(fù)電壓的計(jì)算及高抗的選擇提供理論參考依據(jù)，對(duì)今后超特高壓輸電線路的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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Engineering Calculation Of Secondary Current and Recovery Voltage and Analysis of Its Restrictive Measures

HE Sheng
(Qingneng design Co.Ltd,Shaoguan 512000,Guangdong)

After the 500kV and above EHV and UHV transmission line transient fault,in order to make the single-phase automatic be reclosed successfully,the secondary current must be effectively limited and the voltage must be recovered.Taking the Hunan 500kV Xiangxi-Yongzhou route as an example,this paper carries out the theoretical analysis and calculation for the secondary arc current and recovery voltage,and puts forward the reasonable limitation measures,while using BPA software for the simulation calculation.

secondary current；recovery voltage；engineering calculation；BPA

TM7

A

1671-5004（2017）02-0017-04

2017-1-4

何盛（1986～），女，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，大學(xué)本科，韶關(guān)市擎能設(shè)計(jì)有限公司注冊(cè)電氣工程師，從事電力工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。