P基于分布參數(shù)模型的苗尾水電站送出線路潛供電流抑制研究

任洪濤 張 翔

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P基于分布參數(shù)模型的苗尾水電站送出線路潛供電流抑制研究

任洪濤 張 翔

（華東勘測設計研究院有限公司，杭州 310014）

為提高超高壓輸電線路單相自動重合閘的成功率，需限制各種運行方式下線路的潛供電流和恢復電壓。本文利用ATP-EMTP建立了苗尾500kV輸電線路的分布參數(shù)模型，通過仿真得出苗尾出線并聯(lián)中性點小電抗器的取值與出線潛供電流、恢復電壓之間的關系，為線路重合閘設置和繼電保護整定提供依據(jù)。

潛供電流；并聯(lián)電抗器中性點小電抗器；分布參數(shù)模型

超高壓線路中單相接地故障占全部故障90%以上，其中近80%的單相接地故障為瞬時性故障[1]。為了提高可靠性，超高壓輸電線路中廣泛采用單相自動重合閘技術。然而由于超高壓系統(tǒng)電壓等級較高，潛供電流較大，影響了單相自動重合閘的成功概率。尤其對于處于電力系統(tǒng)終端的大型水電站，通常只有一到兩回出線與區(qū)域電力系統(tǒng)連接，重合閘失敗將嚴重影響水電站的正常運行。目前國內外超高壓線路中抑制潛供電流的方法主要有兩種：快速接地開關（HSGS）和并聯(lián)電抗器中性點經(jīng)小電抗器接地。日本和韓國主要采用HSGS，而我國和大部分歐美國家均采用中性點加裝小電抗器來限制潛供電流。

中性點小電抗器參數(shù)主要取決于潛供電流，目前比較通用的潛供電流計算方法有集中參數(shù)法、分布參數(shù)法和二次模法3種。文獻[2]利用二次模變換得出了較為精確的潛供電流，但是未能將潛供電流靜電分量和電磁分量解耦，算法復雜。文獻[3]介紹了集中參數(shù)模型下潛供電流計算方法，物理概念清楚，適用于短距離輸電線路。文獻[4]研究了基于集中電阻和分布LC參數(shù)的Bergeron模型和基于分布RLC參數(shù)的頻率相關線路模型。本文利用ATP- EMTP仿真軟件建立了苗尾500kV出線工程的分布參數(shù)模型，定量分析了苗尾加裝中性點小電抗器對出線潛供電流的抑制，同時分析了中性點小電抗參數(shù)與潛供電弧恢復電壓、中性點小電抗器兩端電壓的關系，對類似工程有參考意義。

1 潛供電流抑制原理

1.1 潛供電流的產生

當輸電線路發(fā)生單相瞬時性接地故障時，繼電保護裝置使線路故障相兩端斷路器跳閘。由于故障相和兩個非故障相之間存在電容和電感耦合，即使故障相已與系統(tǒng)隔離，故障處仍有感應電流（即潛供電流）通過，導致單相自動重合閘不能成功[5]。

如圖1所示，潛供電流由靜電感應分量和電磁感應分量組成。靜電感應分量是正常相電壓通過相間電容12向故障點提供的電流，其與線路的電壓等級和長度有關，與故障點所在位置無關。電磁感應分量是負載電流經(jīng)相間互感在故障相上感應出電動勢，通過故障相輸電導線、接地弧道以及故障相對地電容0形成回路，向故障點提供電流。電磁感應分量與故障點密切相關，該分量在線路中央接地時為零，在線路兩端接地時達到最大值。

圖1 單相瞬時性短路時線路耦合傳遞回路

1.2 中性點小電抗抑制潛供電流原理

除超長距離輸電線路外，相間分布電容是決定線路潛供電流大小的主要因素[5]，可用高壓電抗器P接中性點小電抗器N來補償這部分電容。當中性點接小電抗器N后，通過星網(wǎng)變換可得圖2所示 電路。

圖2 加裝中性點小電抗線路等效回路

其中：

式中，LD和LM為等效對地電抗和相間電容。中性點小電抗器相當于增加了值為LM的相間電抗，而潛供電流的靜電感應分量是通過相間電容形成通道的，如果等效相間感納等于容納時，即LM=C12時，兩者將形成并聯(lián)諧振，其等效阻抗為無窮大，隔斷了相間聯(lián)系，靜電感應分量隨即被補償。在實際應用中，小電抗器參數(shù)的選取還需兩項校驗計算：小電抗器工頻過電壓計算和當斷路器一相或兩相開斷時是否會發(fā)生諧振過電壓。

2 苗尾500kV輸電線路模型

2.1 苗尾接入系統(tǒng)工程概況

苗尾水電站位于云南大理州云龍縣苗尾村，上游與大華橋水電站銜接，下游接功果橋水電站，電站裝機容量1400MW。投產初期通過單回500kV線路經(jīng)大華橋電站、新松換流站接至黃坪變電站。苗尾電站至大華橋電站線路路徑長度約56km，按單回路架設，導線型號為4×LGJ-400/35；大華橋電站至新松換流站線路路徑長度約2×93km，前20km按單回路架設，后73km按同塔雙回線架設，導線型號為4×LGJ-400/35；新松換流站至黃坪變線路路徑長度約2×43km，導線截面導線型號為4×LGJ-400/35。接入系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖3所示。架空線路多次換位以保證相間和對地分布參數(shù)對稱。苗尾出線側設有一臺210Mvar的并聯(lián)電抗器以滿足工頻過電壓要求。

圖3 苗尾電站接入系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

2.2 苗尾500kV輸電線路模型

潛供電流是由于線間互感和電容關系引起，仿真時必須涉及到線路的基本參數(shù)，主要包括輸電線路正序阻抗和零序阻抗、每相導線的對地電容和相間電容，將這些參數(shù)輸入ATP-EMTP的分布式Clarke模型中，即可得到線路的分布參數(shù)模型。

苗尾出線工程處于規(guī)劃設計階段，輸電線路分布參數(shù)是根據(jù)初步設計資料，利用ATP-EMPT支持子程序Line Constant計算獲得。根據(jù)初步設計資料，苗尾500kV輸電線單回線路桿塔采用酒杯型桿塔，導線水平布置，間距取13m，導線平均高度為28m；同塔雙回線路采用鼓型桿塔，ABC三相導線距桿塔中性線距離分別為4.5m、6m、5m，對地平均30m、24m、14m。根據(jù)以上資料可得線路分布參數(shù)分別見表1和表2。

表1 苗尾500kV單回輸電線路參數(shù)

表2 苗尾500kV同塔雙回輸電線路參數(shù)

3 苗尾出線潛供電流仿真計算

3.1 系統(tǒng)計算模型

苗尾水電站作為電源終端，采用內阻抗為2+ j12.6W的電壓源模擬，電壓相角為525∠0°kV，為滿足苗尾水電站滿發(fā)時系統(tǒng)的潮流，依據(jù)《苗尾水電站接入系統(tǒng)可研報告》潮流分析相關成果，新松變之后的電網(wǎng)由電壓源514∠20°kV模擬。由于本模型只用于計算潛供電流的大小，不考慮潛供電弧熄滅的動態(tài)過程，故根據(jù)《電力系統(tǒng)設計手冊》（1998年版），可用300W的等效電阻代替潛供電弧。

3.2 潛供電流仿真

根據(jù)以上所述條件建立了EMTP仿真模型。模型中，在0.12s時刻系統(tǒng)發(fā)生單相短路，0.17s時刻線路兩側斷路器單相跳閘，并在0.4s時斷開潛供電流回路以計算恢復電壓的幅值。單相接地故障點選取潛供電流最為嚴重的線路兩端，即苗尾水電站出線側和新松換流站進線側，并以苗尾出線側故障時進行各種工況分析。

3.3 仿真結果分析

根據(jù)電力行規(guī)DL 5222—2005《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》要求，輸電線路潛供電流應小于20A，不加裝中性點小電抗時苗尾500kV出線潛供電流約為37.5A，不滿足要求，故需加裝中性點小電抗器。

表3 故障點為苗尾出線側時潛供電流和恢復電壓

表4 故障點為黃坪進線側時潛供電流和恢復電壓

由上節(jié)仿真計算結果可得出以下結論：

1）苗尾出線側并聯(lián)電抗器中性點小電抗最佳取值在1200mH左右，線路滿載時潛供電流降至3.04A后無法在繼續(xù)降低，導致這種結果有兩個因素：①由式（1）可知，并聯(lián)電抗器容量確定后，LP不變，僅改變LN無法同時補償線路相間電容和對地電容，靜電感應分量無法完全補償；②滿載時輸電線路1.54kA的額定電流會產生一部分電磁感應電流。由圖4中線路空載和滿載時潛供電流的波形可看出，線路空載時的潛供電流即未補償?shù)撵o電感應分量，空載與滿載潛供電流之差即為電磁感應分量。

2）單相跳閘后中性點小電抗承受電壓與小電抗值成正比，而與潛供電流大小無關，因此在選擇中性點小電抗參數(shù)時通常采用欠補償。對于苗尾出線，取值在0～2000mH之間時，中性點小電抗兩端電壓均在60kV以下，處于較低水平。

3）由圖5和圖6可知，潛供電弧熄滅后，故障相電壓出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象。這是因為線路裝設并聯(lián)電抗器后，無論中性點采用何種接地方式，相間和對地電容都會與并聯(lián)電抗器形成串聯(lián)諧振回路。如圖6所示，當苗尾出線中性點小電抗取600mH時，諧振電壓幅值甚至超過額定電壓，勢必會引起潛供電弧重燃。

圖4 裝設中性點小電抗前后潛供電流對比

圖5 小電抗取1200mH線路空載和滿載潛供電流

圖6 小電抗取600mH時故障相電壓波形

潛供電流的順利自熄是自動重合閘成功的必要條件。根據(jù)1974年國際大電網(wǎng)會議結論，無電流間隙時間（s）和潛供電流（A）的關系可用下式表示：

當小電抗取1200mH時，苗尾出線側潛供電弧（3.04A）熄滅時間為0.326s。單相自動重合閘時間可據(jù)此整定。

4 結論

本文運用ATP-EMTP建立了苗尾水電站500kV輸電線路的潛供電流計算模型，結合電站投運初期的運行方式，分析了并聯(lián)電抗器中性點小電抗器參數(shù)對苗尾-黃坪線路潛供電流、恢復電壓的影響。根據(jù)仿真結果，推薦苗尾出線并聯(lián)電抗器中性點小電抗器取1200mH。

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Submersible current of Miaowei Hydropower Station’s transmission line analysis based on distributed model

Ren Hongtao Zhang Xiang

(Huadong Engineering Co., Ltd, Hangzhou 311122)

In order to improve the success rate of single-phase automatic reclosure of EHV transmission lines, the submersible current and recovery voltage under various operation modes need to be restricted. In this paper, the distribution parameter model of the 500kV transmission line of the seedling tail is established by ATP-EMTP. Through the simulation, the relationship between the value of the high resistance neutral point small reactor and the potential supply current and the recovery voltage is obtained. It provides the basis for the setting of the line reclosing and the relay protection setting.

submersible current; neutral point reactor; distribution model

2018-06-26

任洪濤（1989-），男，河南焦作人，碩士，主要從事水電站機電工程方面的研究工作。