半波長(zhǎng)輸電線路調(diào)諧電路接線形式及零序回路補(bǔ)償

曹璞璘,束洪春,董 俊

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,云南省昆明市 650500;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江省哈爾濱市 150001)

半波長(zhǎng)輸電線路調(diào)諧電路接線形式及零序回路補(bǔ)償

曹璞璘1,束洪春1,董 俊2

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,云南省昆明市 650500;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江省哈爾濱市 150001)

通過(guò)研究不同的補(bǔ)償方式對(duì)半波長(zhǎng)沿線電壓分布的影響,以期獲得理論上較為理想的半波長(zhǎng)補(bǔ)償方式。通過(guò)電路模型推導(dǎo)指出要完整模擬三相輸電線路的傳輸,需要同時(shí)考慮線間回路與零序回路的補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上提出了帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧電路簡(jiǎn)化模型。通過(guò)比較自然半波長(zhǎng)線路、帶零序補(bǔ)償與不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧半波長(zhǎng)線路在帶載、空載與非全相運(yùn)行等狀態(tài)下的沿線電壓幅值分布,指出線路正常運(yùn)行時(shí),不帶零序補(bǔ)償?shù)木€路沿線電壓分布呈現(xiàn)零序回路與線間回路的疊加,與自然半波長(zhǎng)有明顯的差異。因此,帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧回路能夠更好地模擬自然半波長(zhǎng)線路特性。

半波長(zhǎng);零序回路;電氣距離;調(diào)諧電路;沿線電壓

0 引言

中國(guó)能源分布極不均勻,西部的風(fēng)、光、水等清潔能源較為豐富,但是消納能力有限,而作為負(fù)荷中心的沿海城市缺乏必要的發(fā)電手段,自身產(chǎn)能難以滿足發(fā)展需求,因此遠(yuǎn)距離、大容量的輸電方式對(duì)電能的有效分配具有重要意義。與常規(guī)交流輸電相比,半波長(zhǎng)輸電線路具有無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、輸送能力強(qiáng)、全線無(wú)需開(kāi)關(guān)站等優(yōu)點(diǎn)[1],與直流輸電相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)低、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)較為突出[2],但是受到實(shí)際需求與相關(guān)技術(shù)條件的限制,半波長(zhǎng)輸電的概念在提出一段時(shí)間后僅局限于理論探討,未能取得進(jìn)一步突破[3-4]。

受到國(guó)內(nèi)能源資源分布不均的影響,在中國(guó)的電力發(fā)展戰(zhàn)略中,遠(yuǎn)距離、大容量的輸電方式不可避免,國(guó)內(nèi)外學(xué)者近年來(lái)對(duì)半波長(zhǎng)線路傳輸特性、過(guò)電壓、電壓分布特點(diǎn)、潛供電弧等問(wèn)題進(jìn)行了大量研究[5-10],國(guó)內(nèi)實(shí)際的半波長(zhǎng)輸電線路初步試驗(yàn)方案已經(jīng)在2016年初提出[11]。

受到客觀條件的限制,實(shí)際線路傳輸距離難以恰好滿足半波長(zhǎng)的條件,甚至可能遠(yuǎn)低于半波長(zhǎng)距離,故使用調(diào)諧電路進(jìn)行電氣長(zhǎng)度補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)電氣距離滿足半波長(zhǎng)特性要求的方案也曾作為備用方案提出[4]。對(duì)電氣長(zhǎng)度補(bǔ)償調(diào)諧電路的研究自上世紀(jì)60年代已有文獻(xiàn)報(bào)道[12],時(shí)至今日依然有大量研究探索調(diào)諧電路對(duì)半波長(zhǎng)線路的影響。文獻(xiàn)[13]對(duì)單回線與雙回線調(diào)諧電路構(gòu)成進(jìn)行了敘述,在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[14]研究了調(diào)諧電路數(shù)量、安裝位置對(duì)電能輸送與補(bǔ)償效果的影響,指出了調(diào)諧電路應(yīng)與線路具有相同的轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣,但是未能從電路推導(dǎo)上指出三相系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移參數(shù)特點(diǎn)。文獻(xiàn)[15-17]對(duì)調(diào)諧半波長(zhǎng)線路在工頻暫態(tài)過(guò)電壓、恢復(fù)電壓、潛供電弧等方面的特點(diǎn)進(jìn)行了研究,但是僅針對(duì)線間回路進(jìn)行了補(bǔ)償。

半波長(zhǎng)輸電技術(shù)的概念最初來(lái)源于通信工程[12,18-19],但是運(yùn)用于電力系統(tǒng)時(shí),需要考慮電力系統(tǒng)本身是三相傳輸系統(tǒng),而且存在三相平衡被破壞時(shí)接入系統(tǒng)的零序回路?，F(xiàn)有針對(duì)半波長(zhǎng)線路電氣長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)难芯课磳?duì)零序回路的補(bǔ)償必要性進(jìn)行過(guò)具體的研究,本文利用電路等效變換,對(duì)考慮零序補(bǔ)償情況下的調(diào)諧電路接線方式進(jìn)行了分析,并通過(guò)仿真分析,對(duì)帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧電路與不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧電路在線路正常運(yùn)行、單相接地故障、非全相運(yùn)行等狀態(tài)下的沿線電壓幅值分布進(jìn)行模擬,對(duì)零序回路補(bǔ)償?shù)谋匾赃M(jìn)行分析研究。

1 傳輸線的集總參數(shù)模擬

帶調(diào)諧電路的半波長(zhǎng)輸電線路主要是通過(guò)調(diào)諧電路對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行集總參數(shù)模擬,由于平行導(dǎo)線之間存在電磁耦合,輸電線路阻抗Z、導(dǎo)納矩陣Y均為滿矩陣,正弦波在任意一條相導(dǎo)線上的傳播都會(huì)導(dǎo)致其他相導(dǎo)線上出現(xiàn)電磁波動(dòng),對(duì)線路的集總參數(shù)模擬,理論上應(yīng)該滿足對(duì)傳輸線阻抗與導(dǎo)納矩陣的模擬。以Γ形集總參數(shù)電路模型作為模擬輸電線路的調(diào)諧電路模型,設(shè)電路模型中三相參數(shù)相同,模型如附錄A圖A1所示。

將調(diào)諧電路視為長(zhǎng)度為dx的三相傳輸線中的一部分,其中,dx為三相傳輸線的微分段,x為線路長(zhǎng)度,C和C0分別為集總參數(shù)模型相間電容和對(duì)地電容,G和G0分別為相間電導(dǎo)和導(dǎo)線對(duì)地電導(dǎo),R和L分別為集總參數(shù)模型等效電阻和電感,M為相間互電感,且三相集總參數(shù)模型電路與傳輸線參數(shù)滿足集總參數(shù)為傳輸線單位長(zhǎng)度參數(shù)的n倍關(guān)系,即

(1)

式中:Rl,Ll,Ml,Cl,C0l,Gl,G0l分別為傳輸線單位長(zhǎng)度電阻、電感、線間互感、線間電容、對(duì)地電容、線間電導(dǎo)、對(duì)地電導(dǎo)。

設(shè)iφ和uφ(φ=A,B,C)分別為三相電流與電壓,根據(jù)附錄A圖A1可列出偏微分方程為:

(2)

(3)

將式(3)的時(shí)域方程代入頻域求解,設(shè)

(4)

(5)

(6)

(7)

設(shè)該調(diào)諧電路的三相始端邊界條件為P(0)=[UA0(s),UB0(s),UC0(s),IA0(s),IB0(s),IC0(s)]T,其中,UA0(s),UB0(s),UC0(s)為三相始端電壓幅值;IA0(s),IB0(s),IC0(s)為三相始端電流幅值。根據(jù)式(1)至式(7),模擬n倍導(dǎo)線長(zhǎng)度的調(diào)諧電路,其輸出端A相電壓表達(dá)式為:

UAx(s)=A1UA0(s)+A2UB0(s)+A3UC0(s)+

A4IA0(s)+A5IB0(s)+A6IC0(s)

(8)

(9)

由式(8)和式(9)可知,調(diào)諧電路對(duì)傳輸線的模擬可以視為對(duì)傳輸線電氣距離的延長(zhǎng),式(4)至式(7)可視為調(diào)諧電路在導(dǎo)線—大地回路與導(dǎo)線—導(dǎo)線回路的傳播系數(shù)與特征阻抗,其數(shù)學(xué)表達(dá)形式與傳輸線的特征阻抗、傳播系數(shù)類(lèi)似。但電磁波在導(dǎo)線上的傳播既包含導(dǎo)線間的傳播分量,也包含導(dǎo)線與大地間的傳播分量,導(dǎo)致特征阻抗與傳播系數(shù)至少存在如式(4)至式(7)的兩種形式,而過(guò)去對(duì)半波長(zhǎng)線路電氣長(zhǎng)度人工補(bǔ)充的研究主要針對(duì)正序網(wǎng)絡(luò),所謂“半波長(zhǎng)”都是考慮輸電系統(tǒng)在正序網(wǎng)絡(luò)中電能的傳輸,零序網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償并未引起足夠重視。

2 不同運(yùn)行狀態(tài)對(duì)零序補(bǔ)償?shù)男枨?/h2>

為降低對(duì)平行多導(dǎo)體波過(guò)程的分析難度,往往通過(guò)對(duì)方程解耦實(shí)現(xiàn)阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣對(duì)角化,將電磁波在平行多導(dǎo)體上的傳播簡(jiǎn)化為在多組獨(dú)立雙導(dǎo)體傳輸線系統(tǒng)的線性組合,而此類(lèi)獨(dú)立雙導(dǎo)體傳輸線系統(tǒng)的特征阻抗與導(dǎo)線間互感、電容等原參數(shù)有關(guān)。

由于對(duì)地電容與大地集膚效應(yīng)的存在,解耦生成的多組獨(dú)立雙導(dǎo)體傳輸線系統(tǒng)可以分為導(dǎo)線—大地和導(dǎo)線—導(dǎo)線兩類(lèi)回路,即零序回路與線間回路[20]。當(dāng)輸電線路完全換位時(shí),Z和Y為平衡矩陣,不同的導(dǎo)線—導(dǎo)線回路具有相同大小的特征阻抗,而導(dǎo)線—大地回路由于傳播路徑不同,其特征參數(shù)異于導(dǎo)線—導(dǎo)線回路[21]。

理論上,對(duì)半波長(zhǎng)輸電線路進(jìn)行集總參數(shù)的簡(jiǎn)化模擬應(yīng)該滿足所有回路的特征阻抗,在工頻頻帶下,輸電線路正序與零序的特征參數(shù)相差較大,且該差異性已經(jīng)足以影響到不同回路中工頻電磁波波長(zhǎng)的大小。當(dāng)線路發(fā)生接地故障、非全相運(yùn)行等導(dǎo)致三相平衡狀態(tài)被打破的事件時(shí),電磁波在零序回路上的傳播有可能導(dǎo)致沿線電壓幅值重新分布,甚至導(dǎo)致線路過(guò)電壓,故有必要對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行、接地故障與非全相運(yùn)行時(shí)零序回路所造成的影響進(jìn)行分析。

1)三相系統(tǒng)正常運(yùn)行

三相輸電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),若三相參數(shù)保持平衡,導(dǎo)線—大地回路無(wú)激勵(lì)源輸入,電能僅通過(guò)導(dǎo)線—導(dǎo)線回路進(jìn)行傳輸,對(duì)線路的電氣長(zhǎng)度補(bǔ)償僅需考慮對(duì)線間回路的補(bǔ)償,理論上無(wú)需對(duì)零序回路進(jìn)行集總參數(shù)模擬輸電線路也能正常實(shí)現(xiàn)半波長(zhǎng)輸電的特性。

2)接地故障

在發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí),三相傳輸系統(tǒng)的平衡性被破壞,部分電能通過(guò)零序回路向短路點(diǎn)傳輸,理論上在對(duì)輸電線路進(jìn)行電氣長(zhǎng)度補(bǔ)償時(shí)需要計(jì)及零序回路的影響,以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)補(bǔ)償半波長(zhǎng)輸電線路的特性模擬。

3)非全相運(yùn)行

當(dāng)半波長(zhǎng)輸電線路采取單相自動(dòng)重合閘策略時(shí),在單相接地故障發(fā)生后,故障相將被切除,線路在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入非全相運(yùn)行的狀態(tài),由于三相平衡被打破,零序回路受到健全相電壓激勵(lì),部分電能將在零序回路內(nèi)傳播。加之半波長(zhǎng)線路的線間電容、互感總大小遠(yuǎn)大于普通線路,被切除相恢復(fù)電壓較高,所需熄弧時(shí)間可能更長(zhǎng),線路可能需要經(jīng)歷時(shí)間更長(zhǎng)的非全相運(yùn)行過(guò)程,而非全相運(yùn)行過(guò)程中沿線電壓幅值將影響到故障點(diǎn)二次電弧能否順利熄滅,故有必要研究零序回路補(bǔ)償對(duì)被切除相沿線過(guò)電壓的影響。

3 帶零序補(bǔ)償?shù)碾姎忾L(zhǎng)度補(bǔ)償裝置接線形式

建立如附錄A圖A2所示的自然半波長(zhǎng)輸電線路仿真模型。以晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓桿塔作為特高壓半波長(zhǎng)輸電線路桿塔[22-23],設(shè)線路均勻換位,在50 Hz工頻下,正序電感L1=8.404×10-7H/m,正序電阻R1=1.032×10-5Ω/m,正序電容C1=1.375×10-11F/m,零序電感L0=2.692×10-6H/m,零序電阻R0=2.513×10-4Ω/m,零序電容C0=8.804×10-12F/m,設(shè)電導(dǎo)為0,則正序波長(zhǎng)λ1與零序波長(zhǎng)λ0分別為:

5.882×106m

(10)

4.065×106m

(11)

式中:ω為角頻率;β1和β0分別為正序與零序相位常數(shù)。

由上式可知,工頻零序波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于正序波長(zhǎng),相差超過(guò)1 800 km,故當(dāng)三相平衡遭到破壞,零序回路受到激勵(lì)源作用時(shí),可能引起沿線電壓幅值不均勻分布。

對(duì)于沿線安裝電容器的補(bǔ)償方式,由于涉及沿線安裝一次設(shè)備,維護(hù)相對(duì)困難,在此不做考慮。帶電氣長(zhǎng)度補(bǔ)償元件的調(diào)諧半波長(zhǎng)線路仿真模型如附錄A圖A3所示,帶零序補(bǔ)償?shù)腡形和π形調(diào)諧電路模型如圖1(a)和(b)所示,調(diào)諧電路設(shè)置于電路兩端,總補(bǔ)償長(zhǎng)度為500 km,兩端調(diào)諧電路各補(bǔ)償250 km,根據(jù)星網(wǎng)變化原則,可以將圖1(a)和(b)所示調(diào)諧電路簡(jiǎn)化為圖1(c)和(d)所示模型。調(diào)諧電路數(shù)量對(duì)補(bǔ)償程度的影響已在文獻(xiàn)[14]中進(jìn)行過(guò)相應(yīng)分析,本文為研究沿線電壓分布,選取工況較為惡劣的條件,以線路兩側(cè)都僅有一組調(diào)諧電路進(jìn)行分析。

圖1中,CP,CN,C1和C0滿足:

(12)

即

(13)

圖1 調(diào)諧電路模型Fig.1 Models of tuned circuit

4 仿真分析

4.1 線路空載

半波長(zhǎng)輸電線路空載運(yùn)行時(shí),因輸電線路長(zhǎng)度為半個(gè)工頻波長(zhǎng),滿足形成駐波的條件。導(dǎo)線上任一點(diǎn)的電壓幅值都小于首端和末端電壓幅值,故當(dāng)半波長(zhǎng)輸電線路空載時(shí),不存在因電容效應(yīng)引起的工頻過(guò)電壓。

當(dāng)附錄A圖A2和圖A3所示半波長(zhǎng)輸電線路空載時(shí),沿線電壓幅值分布如圖2所示,帶調(diào)諧電路的半波長(zhǎng)線路以電氣距離代替實(shí)際線路距離以方便與自然半波長(zhǎng)線路沿線電壓進(jìn)行比較。以線路首端相電壓幅值作為基準(zhǔn)值,則基準(zhǔn)值Ubase=898 kV,下文中使用的標(biāo)幺值均以Ubase作為基準(zhǔn)值。

圖2 線路空載情況的沿線電壓分布Fig.2 Voltage distribution along line with line unloaded

由圖2可知,帶零序補(bǔ)償?shù)腡形與π形調(diào)諧半波長(zhǎng)線路在沿線電壓幅值分布方面幾乎完全相同,若以電氣距離代替實(shí)際距離進(jìn)行量度,則兩種補(bǔ)償模式與自然半波長(zhǎng)的沿線電壓分布基本相同。僅補(bǔ)償正序線路部分亦能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似自然半波長(zhǎng)線路空載運(yùn)行時(shí)的電壓幅值分布特性。無(wú)論是否帶零序補(bǔ)償,調(diào)諧半波長(zhǎng)線路在相位沿線分布方面的整體變化趨勢(shì)基本一致,在線路中點(diǎn)附近都會(huì)發(fā)生相位的快速變化。

4.2 線路帶載運(yùn)行

設(shè)附錄A圖A2與圖A3所示半波長(zhǎng)線路模型帶自然功率運(yùn)行,線路首端功率曲線如附錄A圖A4所示。

在線路帶自然功率負(fù)載正常運(yùn)行時(shí),三相保持平衡,無(wú)論是否補(bǔ)償零序網(wǎng)絡(luò),π形與T形調(diào)諧電路都能夠保證近似于自然半波長(zhǎng)線路的功率特性,輸出無(wú)功功率趨近于0,輸出的有功功率與自然半波長(zhǎng)線路基本相同。以電氣距離作為長(zhǎng)度量度,則沿線電壓幅值與相位分布如圖3所示。

圖3 帶自然功率運(yùn)行情況的沿線電壓分布Fig.3 Voltage distribution along line while transmitting natural power

由于輸電線路并非無(wú)損線路,故線路上存在一定壓降與損耗,自然半波長(zhǎng)線路沿線電壓呈現(xiàn)自首端逐漸下降的趨勢(shì),而帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧半波長(zhǎng)線路沿線電壓分布與自然半波長(zhǎng)線路基本一致,僅在線路中點(diǎn)附近的電壓幅值略低,π形帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路電壓幅值最低點(diǎn)約為0.93(標(biāo)幺值),而T形帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路電壓幅值最低點(diǎn)位于實(shí)際線路末端,約為0.95(標(biāo)幺值),沿線電壓均未超過(guò)1(標(biāo)幺值)。

由于實(shí)際線路很難做到完全均勻換位,難以實(shí)現(xiàn)三相線路參數(shù)的完全平衡,故即使在線路正常運(yùn)行過(guò)程中,線路零序回路也會(huì)流過(guò)非常微弱的電流,導(dǎo)致線路沿線電壓分布不僅體現(xiàn)了導(dǎo)線—導(dǎo)線回路的特性,也在一定程度上受到了導(dǎo)線—大地回路的影響。由于未對(duì)零序回路進(jìn)行補(bǔ)償,不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧半波長(zhǎng)線路的電壓幅值分布規(guī)律與自然半波長(zhǎng)線路存在一定差異,沿線分布特性類(lèi)似于因沿線電阻壓降引起的線性變化與因零序回路參數(shù)特征引起的正弦變化之疊加,沿線電壓幅值最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的線路距離約為1 750 km,接近于零序回路半波長(zhǎng)距離。

無(wú)論是否帶零序補(bǔ)償,調(diào)諧線路與自然半波長(zhǎng)線路的相位分布基本相同,自然半波長(zhǎng)與帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路的相位變化趨近于線性變化,而不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路在相位上呈現(xiàn)出類(lèi)似于沿線電壓分布的正弦變化特征,沿線變化情況趨近于正弦與直線的疊加。

4.3 單相接地故障

實(shí)際輸電線路故障主要以單相接地故障為主,故本文對(duì)不對(duì)稱性接地故障的研究主要以單相接地故障為主。設(shè)附錄A圖A2、圖A3所示半波長(zhǎng)線路發(fā)生C相金屬性接地故障,故障初始角為60°,自然半波長(zhǎng)線路故障距離線路首端250 km,帶調(diào)諧電路半波長(zhǎng)線路故障發(fā)生于電氣距離250 km處,即實(shí)際線路起始位置。故障相與健全相的沿線電壓幅值分布如圖4所示。

對(duì)于故障相,由于半波長(zhǎng)線路距離長(zhǎng)度已經(jīng)具備與波長(zhǎng)的可比性,沿線電壓幅值可能出現(xiàn)較大差異。在發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí),接地點(diǎn)故障相電壓幅值趨近于0,而沿線電壓幅值可能超過(guò)2(標(biāo)幺值)。無(wú)論是否帶零序補(bǔ)償,調(diào)諧半波長(zhǎng)線路的沿線電壓分布與自然半波長(zhǎng)基本相同,在故障情況下對(duì)半波長(zhǎng)線路的模擬也基本符合自然半波長(zhǎng)沿線電壓分布特征。

帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路在沿線電壓幅值方面低于自然半波長(zhǎng),T形補(bǔ)償線路的沿線電壓幅值最高點(diǎn)約為1.95(標(biāo)幺值),與自然半波長(zhǎng)線路差距很小,而π形補(bǔ)償線路沿線電壓幅值最高點(diǎn)約為1.8(標(biāo)幺值),與自然半波長(zhǎng)線路有一定差距。不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧半波長(zhǎng)線路的沿線電壓幅值最高點(diǎn)約為1.65(標(biāo)幺值),T形補(bǔ)償線路與π形補(bǔ)償線路相差不大。

圖4 故障相與健全相沿線電壓分布Fig.4 Voltage distribution along line in fault phase and sound phase

對(duì)于健全相,由于單相接地故障導(dǎo)致了三相平衡破壞,激勵(lì)源接入零序回路中,半波長(zhǎng)線路沿線電壓幅值分布受到零序回路參數(shù)特性的影響而呈現(xiàn)明顯的正弦形態(tài)。無(wú)論是否帶補(bǔ)償,電壓幅值最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的線路距離都約為1 750 km,接近于零序回路半波長(zhǎng)距離,沿線電壓的相角分布也基本相同。

自然半波長(zhǎng)沿線電壓幅值可達(dá)1.7(標(biāo)幺值),電壓幅值最小點(diǎn)僅為0.5(標(biāo)幺值)。帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路沿線電壓幅值最高點(diǎn)約為1.65(標(biāo)幺值),電壓幅值最小點(diǎn)約為0.6(標(biāo)幺值),沿線電壓變化幅度略小于自然半波長(zhǎng)線路,且T形補(bǔ)償?shù)难鼐€分布電壓始終略低于π形補(bǔ)償。不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧半波長(zhǎng)沿線電壓幅值約為1.6(標(biāo)幺值),電壓幅值最小點(diǎn)約為0.5(標(biāo)幺值),沿線電壓幅值較之自然半波長(zhǎng)與帶零序補(bǔ)償?shù)那闆r更低。

沿線電壓較低在一定程度上降低了對(duì)線路絕緣的要求,亦有利于故障點(diǎn)電弧熄滅,從單相故障產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值角度出發(fā),不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路產(chǎn)生的過(guò)電壓更低,在一定程度上對(duì)絕緣更為有利。

4.4 非全相運(yùn)行

若線路采取“單跳單重”的重合閘策略,則在單相故障發(fā)生后斷路器切除故障相,線路進(jìn)入非全相運(yùn)行狀態(tài),部分電能會(huì)通過(guò)零序回路進(jìn)行傳播。超高壓線路的自動(dòng)重合閘時(shí)間大概在故障后1 s左右,考慮到半波長(zhǎng)輸電線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)導(dǎo)致相間電容、耦合電感較大,所需熄弧時(shí)間較長(zhǎng),半波長(zhǎng)線路單相跳閘后非全相運(yùn)行的時(shí)間可能更長(zhǎng),故非全相運(yùn)行期間的線路過(guò)電壓需要給予更多重視。

設(shè)附錄A圖A2和圖A3所示半波長(zhǎng)線路C相線路被切除,進(jìn)入非全相運(yùn)行狀態(tài),健全相與被切除相沿線電壓幅值與相角如圖5所示,帶補(bǔ)償線路以電氣距離進(jìn)行量度。

圖5 被切除相與健全相沿線電壓Fig.5 Voltage distribution of removed phase and sound phase

由圖5可知,無(wú)論是否帶補(bǔ)償,半波長(zhǎng)線路被切除相沿線電壓幅值分布均為線路兩端最高,隨著與電氣距離中點(diǎn)之間長(zhǎng)度的減小而逐漸降低。當(dāng)自然半波長(zhǎng)線路非全相運(yùn)行時(shí),被切除相上電壓較低,幅值最高點(diǎn)位于線路兩端,約為0.49(標(biāo)幺值)。π形帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路沿線電壓幅值與自然半波長(zhǎng)線路最為接近,幅值最高點(diǎn)位于實(shí)際線路末端,約為0.52(標(biāo)幺值),而T形帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路沿線電壓幅值較高,最高點(diǎn)位于實(shí)際線路末端,約為0.74(標(biāo)幺值)。不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路在被切除相上產(chǎn)生的恢復(fù)電壓較高,靠近實(shí)際線路兩端的恢復(fù)電壓幅值可達(dá)1.4(標(biāo)幺值),從恢復(fù)電壓的角度出發(fā),靠近線路兩端發(fā)生近端故障可能會(huì)因過(guò)高的恢復(fù)電壓而導(dǎo)致故障點(diǎn)電弧重燃,帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧回路對(duì)防止故障點(diǎn)電弧重燃更為有利。

對(duì)于自然半波長(zhǎng)線路,在故障相被切除后,由于零序回路電氣距離已經(jīng)超過(guò)半波長(zhǎng),線路容抗大于感抗,可將線路零序等效模型視為一種容性負(fù)載,被切除相相位將呈現(xiàn)末端超前于首端的現(xiàn)象。對(duì)于帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路,其相位變化與自然半波長(zhǎng)類(lèi)似,而對(duì)于不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路,線路零序模型是否能夠視為容性負(fù)載與線路實(shí)際長(zhǎng)度有關(guān),故被切除相沿線相位分布趨勢(shì)可能與自然半波長(zhǎng)線路完全不同甚至相反。

對(duì)于健全相,自然半波長(zhǎng)線路沿線電壓分布呈現(xiàn)一定的正弦特征,幅值最高點(diǎn)約為1.14(標(biāo)幺值)。帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路與自然半波長(zhǎng)線路的沿線電壓分布趨勢(shì)較為相似,幅值最高點(diǎn)約為1.1(標(biāo)幺值)。而不帶零序補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧線路受到零序回路的影響,沿線電壓的幅值明顯小于自然半波長(zhǎng)線路,幅值最高點(diǎn)僅為0.92(標(biāo)幺值),低于正常運(yùn)行電壓,可能會(huì)在一定程度上加劇非全相運(yùn)行線路的功率輸送難度。

5 結(jié)論

1)三相傳輸系統(tǒng)包含不同的傳播回路,半波長(zhǎng)僅是針對(duì)導(dǎo)線—導(dǎo)線回路而言,零序回路參數(shù)與線間回路存在較大的差異,若要實(shí)現(xiàn)對(duì)自然半波長(zhǎng)線路的模擬,應(yīng)同時(shí)考慮對(duì)線間回路與零序回路的補(bǔ)償。

2)線間回路與零序回路的工頻波長(zhǎng)有較大差異,在調(diào)諧線路上,若不對(duì)零序回路進(jìn)行補(bǔ)償,沿線電壓幅值分布可能會(huì)體現(xiàn)出零序回路非半波長(zhǎng)特性。

電氣距離補(bǔ)償是半波長(zhǎng)輸電技術(shù)的難點(diǎn)之一,對(duì)其進(jìn)行更為完善的研究是半波長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。對(duì)線間回路與零序回路同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償能夠更為準(zhǔn)確地模擬自然半波長(zhǎng)線路,但是對(duì)自然半波長(zhǎng)線路更為精確的模擬是否對(duì)調(diào)諧半波長(zhǎng)線路更為有利,抑或不同電氣距離補(bǔ)償需求對(duì)零序回路的補(bǔ)償是否有不同要求等問(wèn)題尚待進(jìn)一步的研究。

本文在完成過(guò)程中,受到云南省人培基金(KKSY201604015)資助,謹(jǐn)此致謝。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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ConnectionFormofHalf-wavelengthTransmissionLineTunedCircuitandCompensationNecessityforZero-sequenceCircuit

CAOPulin1,SHUHongchun1,DONGJun2

(1.Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

By an analysis of the influence of different compensating schemes on voltage distribution along half-wavelength line,it is hoped that an ideal half-wavelength compensating scheme can be obtained.A conclusion is derived by mathematical derivation process that the line to line circuit and zero-sequence circuit should both be considered in the compensation scheme for complete simulation of the transmission of the three-phase transmission line.The simplified tuned circuit model with zero-sequence compensating is proposed and voltage distribution along the line of natural half-wavelength,tuned half-wavelength with and without zero-sequence compensating is simulated under conditions such as on load,no-load and open-phase running.The voltage distribution along the line without zero-sequence compensating exhibits superposition of line to line circuit and zero-sequence circuit,which is much different from natural half-wavelength.As a result,the tuned circuit with zero-sequence compensating is better able to simulate the characteristics of natural half-wavelength line.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51667010).

half-wavelength;zero-sequence circuit;electrical distance;tuned circuit;voltage along line

2017-06-15;

2017-06-23。

上網(wǎng)日期:2017-08-01。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51667010)。

曹璞璘(1986—),男,通信作者，博士,主要研究方向:線路過(guò)電壓、故障測(cè)距與新型繼電保護(hù)。E-mail： 200530181060@sina.com

束洪春(1961—),男,博士,主要研究方向:故障測(cè)距與新型繼電保護(hù)。E-mail:kmshc@sina.com

董 俊(1977—),男,碩士,主要研究方向:配電網(wǎng)保護(hù)與自愈。E-mail:dongjun_kust@sina.com

(編輯萬(wàn)志超)

( continuedonpage101)( continuedfrompage39)