基于EMTP的空載線路合閘過電壓研究

摘 要：本文以關(guān)合空載線路為例，用EMTP仿真程序建立系統(tǒng)模型，模擬關(guān)合空載線路時(shí)的過電壓情況，同時(shí)模擬在系統(tǒng)模型中加裝并聯(lián)電抗器，限制操作過電壓的情況。通過仿真計(jì)算對操作過電壓及其預(yù)防性措施的效用進(jìn)行分析。本研究對實(shí)際電力系統(tǒng)操作過電壓的研究與預(yù)防具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：操作過電壓;空載線路;容升效應(yīng);并聯(lián)電抗器

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0139-03

過電壓現(xiàn)象在當(dāng)前的電力系統(tǒng)中十分常見。過電壓水平的高低威脅著設(shè)備的絕緣安全。當(dāng)設(shè)備的絕緣遭到破壞時(shí)，設(shè)備將無法安全運(yùn)行，從而威脅到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生由于設(shè)備絕緣遭到破壞而造成的短路故障，導(dǎo)致系統(tǒng)供電受損，更有甚者可能造成繼電保護(hù)切機(jī)、切負(fù)荷，給系統(tǒng)帶來較大擾動，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的安全隱患。

1 過電壓的種類

在電力系統(tǒng)中，常見的過電壓類型主要分為兩類，即外部過電壓與內(nèi)部過電壓。研究其規(guī)律并對其采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

1.1 外部過電壓

外部過電壓又稱雷電過電壓，是由于電力系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備或建筑物遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應(yīng)而引起的過電壓[1]。該類型的過電壓水平一般可達(dá)幾百千伏至幾千千伏。通過建立雷電流模型，與雷電環(huán)境下設(shè)備的波阻抗模型，可有效研究雷電過電壓的水平及危害程度。

從預(yù)防雷電過電壓的角度來看，通常采用架設(shè)避雷針、避雷線的方式來防止直擊雷;采用安裝避雷器的方式來限制雷電流經(jīng)線路傳入變電站在各設(shè)備上產(chǎn)生的過電壓。

1.2 內(nèi)部過電壓

內(nèi)部過電壓產(chǎn)生的原因在于系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化或系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)突變。由于其產(chǎn)生的原因都來自系統(tǒng)內(nèi)部，因而稱內(nèi)部過電壓。內(nèi)部過電壓的特點(diǎn)有：產(chǎn)生過電壓的能量來自于系統(tǒng)本身，過電壓的幅值通常較高。根據(jù)產(chǎn)生的原因，可將內(nèi)部過電壓分為三類，即操作過電壓、諧振過電壓和工頻過電壓[2]。電力系統(tǒng)中的開關(guān)操作、單相接地、設(shè)備投切等都有可能造成內(nèi)部過電壓。因而，對于內(nèi)部過電壓的研究，要分清種類，反復(fù)校驗(yàn)不同工況下的內(nèi)部過電壓水平，為內(nèi)部過電壓的防治提供依據(jù)。

1.2.1 操作過電壓。操作過電壓是在電力系統(tǒng)中由于操作所引起的一類過電壓。常見的操作過電壓有投切空載變壓器過電壓、投切空載長線路過電壓[3]。用斷路器切除空載變壓器是電力系統(tǒng)中的一項(xiàng)常規(guī)操作。在操作過程中，斷路器要切斷變壓器的感性電流，由于電弧可能不是在過零點(diǎn)時(shí)熄滅的，此時(shí)感性電流被切斷，變壓器感性線圈中的電磁能瞬間轉(zhuǎn)化為電場能量，在斷路器的觸頭處產(chǎn)生過電壓。

在切空載長線路過程中，長線路的容升效應(yīng)使空載線路本身具有容性負(fù)載特性，在斷路器合閘過程中，可能造成觸頭電弧重燃，從而引起局部電磁振蕩，產(chǎn)生過電壓。其他種類的操作過電壓同樣是由于運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，引起電容和電感元件電磁能量互相轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的一種振蕩性質(zhì)的過電壓[4]。

1.2.2 工頻過電壓。根據(jù)產(chǎn)生性質(zhì)得不同，可將工頻過電壓分為工頻穩(wěn)態(tài)過電壓與工頻暫態(tài)過電壓。例如，在小電流接地系統(tǒng)中，單線接地故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置只發(fā)出故障信息，并不動作與斷路器跳閘。此時(shí)，不考慮系統(tǒng)的三相不平衡狀況，兩個(gè)非故障相的相電壓升高到之前的[3]倍，此種過電壓情況即為穩(wěn)態(tài)過電壓。由于小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障容許繼續(xù)運(yùn)行2h左右，穩(wěn)態(tài)過電壓就會對設(shè)備的絕緣造成危害。

又如，在空載長線路中，因線路的容升效應(yīng)造成線路末端電壓高于始端?？蛰d長線路的末端電壓升高和線路長度、電源容量有關(guān)。線路愈長，電壓升高愈多;電源容量愈小，情況愈嚴(yán)重。為避免此種過電壓情況，通常在線路上加裝并聯(lián)電抗器，以電抗器補(bǔ)償線路的容升效應(yīng)，減小過電壓水平。在實(shí)際運(yùn)行中，通常應(yīng)先根據(jù)運(yùn)行方式的不同進(jìn)行計(jì)算，選取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償額度[5]。

暫態(tài)工頻過電壓常見的情況，如超高壓系統(tǒng)中的突然甩負(fù)荷，引起無功補(bǔ)償與系統(tǒng)無功需求的不匹配，從而引起暫態(tài)過電壓。

1.2.3 諧振過電壓。根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理不同，可將諧振過電壓分為線性諧振過電壓與鐵磁諧振過電壓。當(dāng)系統(tǒng)中的諧波頻率與某一自然頻率相等時(shí)，就會引起該頻率下的諧振過電壓。諧振是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，可根據(jù)諧振產(chǎn)生的條件，采取一定措施，避免發(fā)生耦合，產(chǎn)生諧振。電力系統(tǒng)中的諧振不屬于故障，但諧振往往能對系統(tǒng)的一些特性造成影響，從而間接引發(fā)故障[6]。

2 關(guān)合空載線路產(chǎn)生過電壓的機(jī)理

本文主要研究一種典型的操作過電壓情況。操作過電壓包括投切空載變壓器過電壓與投切空載線路過電壓，下面將從理論分析的角度分析關(guān)合空載線路產(chǎn)生過電壓的機(jī)理。

電力系統(tǒng)中經(jīng)常要進(jìn)行斷路器合閘操作，現(xiàn)以一兩端電源系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在該兩端等值電源網(wǎng)絡(luò)中，電源[Ea]、[Eb]經(jīng)輸電線路連通，線路兩端裝有斷路器QF1、QF2。當(dāng)QF2斷開時(shí)，關(guān)合QF1，此時(shí)就是一種典型的關(guān)合空載線路的操作。線路采用集中參數(shù)線路的T型等值電路來表示，如圖2所示。

3 仿真計(jì)算

本次仿真采用一雙端電源系統(tǒng)，兩端線路短路器斷開，首先計(jì)算關(guān)合一側(cè)斷路器，觀察線路對側(cè)電壓波形。線路對側(cè)加裝并聯(lián)電抗器后，再次仿真計(jì)算并聯(lián)電抗器用于限制操作過電壓的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可知，仿真模型采用一500kV輸電線路，G表示一500kV等值電源，采用∏型等值電路，QF為線路斷路器，隔離開關(guān)GW控制無功補(bǔ)償電容器的投切操作。系統(tǒng)參數(shù)采用500kV輸電系統(tǒng)的典型參數(shù)。

在研究變電站出線空載合閘情況時(shí)，母線的操作電壓為實(shí)際的母線電壓。500kV系統(tǒng)中，空載線路的合閘所產(chǎn)生的相對地電壓應(yīng)小于2.0pu。取標(biāo)幺值時(shí)，1pu=525[2]/[3]kV。仿真計(jì)算時(shí)，斷路器采用時(shí)間控制開關(guān)模型，0.1s時(shí)關(guān)合斷路器[7]。

未加裝并聯(lián)電抗器時(shí)，0.1s時(shí)關(guān)合線路斷路器，此時(shí)線路對側(cè)電壓波形如圖5所示。

由圖5可知，線路對側(cè)未加裝并聯(lián)電抗器時(shí)，關(guān)合空載線路，線路對側(cè)產(chǎn)生的過電壓水平為592kV，超出了規(guī)程規(guī)定的電壓范圍[8]。

在線路對側(cè)加裝一并聯(lián)電抗器，再進(jìn)行同樣的仿真計(jì)算，線路對側(cè)電壓波形如圖6所示。

由圖6可知，線路對側(cè)加裝并聯(lián)電抗器后，關(guān)合空載線路，線路電壓被限制在508kV，處出于安全范圍之內(nèi)，未超出規(guī)程規(guī)定的電壓范圍。

4 結(jié)論

本文介紹了幾種常見的過電壓類型，并給出了相應(yīng)的防護(hù)措施。重點(diǎn)分析了關(guān)合空載線路時(shí)引起過電壓的機(jī)理，通過在EMTP建立仿真模型，模擬了關(guān)合空載線路時(shí)產(chǎn)生過電壓的情況，并加裝并聯(lián)電抗器，研究了并聯(lián)電抗器對操作過電壓的限制能力。電力系統(tǒng)中的操作過電壓將對設(shè)備絕緣造成危害，應(yīng)合理配置并聯(lián)電抗器等措施加以限制過電壓水平，保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

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