500 kV輸電線路高抗和串補(bǔ)對(duì)過電壓影響分析

侯有韜，楊蕾，向川，肖燦

0前言

異步聯(lián)網(wǎng)后，云南電網(wǎng)的高電壓長(zhǎng)距離輸電線路增加了很多，而且大部分都配置了線路高抗和串補(bǔ)，高抗和串補(bǔ)的配置極大提高了輸電線路的輸電能力和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時(shí)也對(duì)電力系統(tǒng)的輸電線路的電壓特性造成了一定的影響[1-3]。這些線路大多分布在滇西北、滇北以及滇西南等地區(qū)，是西電東送的重要送端通道。線路高抗和串補(bǔ)的投退將會(huì)使過電壓水平發(fā)生變化，因此，線路在無(wú)高抗的情況下，其過電壓水平是否滿足要求，線路能否運(yùn)行，能否恢復(fù)通道送電能力就顯得尤為重要。云南電網(wǎng)曾發(fā)生過多起由于高抗漏油、裂紋、異響等缺陷，從而導(dǎo)致線路被迫長(zhǎng)期停運(yùn)的情況。

文獻(xiàn)[4]采用電磁暫態(tài)計(jì)算程序ATPEM TP，分別對(duì)含有串補(bǔ)裝置的合閘操作過電壓進(jìn)行分析，得出增加串補(bǔ)裝置，能有效的降低過電壓。文獻(xiàn)[5]搭建更精確的真空斷路器電弧模型，提出在站用變和電抗器的電纜末端安裝伏安特性曲線較低的避雷針，能有效抑制過電壓的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[6]針對(duì)遠(yuǎn)距離高壓交流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，提出串補(bǔ)方案，闡述了串補(bǔ)是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種有效方法，其關(guān)注點(diǎn)主要在于串補(bǔ)對(duì)穩(wěn)定性的提升機(jī)理，未進(jìn)行詳細(xì)的過壓、過流校核。文獻(xiàn)[7-8]通過對(duì)750 kV線路高壓電抗器進(jìn)行分析，得出需要對(duì)線路上的閉鎖回路進(jìn)行修改，以便提高電氣回路的可靠性。文獻(xiàn)[9]分析并抗在輸電線路單、雙端供電情況下對(duì)過電壓的抑制作用，提出750 kV 線路保護(hù)與并抗之間動(dòng)作配合的關(guān)系，達(dá)到了并抗抑制過電壓的作用。但文獻(xiàn)[7-9]主要從線路或相關(guān)裝置動(dòng)作邏輯配合的角度來進(jìn)行過電壓抑制分析。

綜上，目前缺少線路高抗和串補(bǔ)綜合作用對(duì)線路過電壓影響的研究。本文以500 kV 博尚-墨江線路為例，在串補(bǔ)、高抗綜合不同運(yùn)行方式下，采用電磁暫態(tài)仿真計(jì)算軟件EMTDC/PSCAD對(duì)線路工頻過電壓、操作過電壓、潛供電流進(jìn)行了仿真分析，針對(duì)空載線路充電、不同類型故障、單回線運(yùn)行還是雙回線運(yùn)行等情況給出了計(jì)算結(jié)果。本文對(duì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)高抗或串補(bǔ)的臨時(shí)投退的過電壓分析具有一定的指導(dǎo)意義。

1仿真模型

1.1系統(tǒng)等值

基于PSD-BPA 軟件，建立了2018年豐大方式的靜態(tài)等值網(wǎng)絡(luò)模型。模型保留了A-B雙線的500 kV 線路，分別在A 母線和B母線上進(jìn)行系統(tǒng)等值，等值示意圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)靜態(tài)等值示意圖

PSD-BPA 中采用的是Ward 等值，Ward 等值是一種基于Norton 定理的有源線性網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)的等值方法，它首先列出電網(wǎng)的線性化節(jié)點(diǎn)電壓方程，然后按照等值要求，消去外部系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)集合。這樣，保留系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣以及保持節(jié)點(diǎn)注入的電流不變，所消去的外部系統(tǒng)的注入電流化簡(jiǎn)后集中到邊界節(jié)點(diǎn)上，形成新的注入電流，消去部分的網(wǎng)絡(luò)也經(jīng)過化簡(jiǎn)后集中到邊界節(jié)點(diǎn)，形成代替消去網(wǎng)絡(luò)的等值網(wǎng)絡(luò)矩陣。多端等值是一種改進(jìn)的Ward 等值法[10]。先前的仿真分析表明，建立的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的三相以及單相短路容量與原始網(wǎng)絡(luò)基本一致，可以用于在RTDS和PSCAD等軟件中對(duì)A-B雙線的相關(guān)過電壓進(jìn)行仿真分析。

1.2參數(shù)確定

1）電源

在仿真計(jì)算中，基準(zhǔn)電壓為525 kV，基準(zhǔn)容量為100MVA。電源等值參數(shù)如表1所示。

表1電源等值參數(shù)

2）線路參數(shù)（正序和零序）

線路的總長(zhǎng)度為155.3687 km，采用Bergeron 模型，其中A-B線路的正序阻抗的標(biāo)幺值為0.0001+j0.0122，其中零序阻抗的標(biāo)幺值為0.001+j0.0748，對(duì)地導(dǎo)納的標(biāo)幺值為B=2.446，零序?qū)Φ貙?dǎo)納的標(biāo)幺值為為B0=1.082。

3）高壓并聯(lián)電抗器和串補(bǔ)電容器

線路兩側(cè)均有高抗，三相的高抗容量為180 M var，根據(jù)南網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]中的規(guī)定，單相的額定容量為60 M var，額定電壓為550/ √3，額定電抗為1681Ω，額定損耗為120 kW，通過計(jì)算可得單相電感值為5.35 H。

A 側(cè)中性點(diǎn)小電抗的電抗值為1213.6歐，電感值為3.86 H，中性點(diǎn)電阻為8歐姆。

A 側(cè)串補(bǔ)的容抗值為-j0.0061，計(jì)算得到電容值為189.45 uF。

4）避雷器參數(shù)

線路避雷器額定電壓設(shè)置為444 kV，避雷器的特性如圖2所示。

1.3模型搭建

在EMTDC/PSCAD電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)搭建500 kV A-B線路輸電系統(tǒng)仿真模型，線路采用分布參數(shù)模型，結(jié)果如圖3所示。

圖2無(wú)間隙金屬氧化物避雷器V-A特性曲線

圖3 500 kV A-B線路過電壓仿真模型

2仿真結(jié)果及分析

2.1工頻過電壓

電力系統(tǒng)在正?；蚬收线\(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)幅值超過最大工作相電壓，頻率為工頻或接近工頻的電壓升高，這種現(xiàn)象稱為工頻過電壓[12-13]。超高壓線路中，工頻過電壓的大小直接影響操作過電壓的幅值，決定了避雷針的額定電壓，進(jìn)而影響系統(tǒng)過電壓保護(hù)水平，還可能威脅設(shè)備以及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。工頻過電壓一般由空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)、不對(duì)稱接地故障引起的正常相電壓升高和突然甩負(fù)荷等原因引起。過電壓的倍數(shù)與電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)容量及參數(shù)、中性點(diǎn)接地方式、電網(wǎng)運(yùn)行接線等因素有關(guān)。

本文針對(duì)A-B線空載運(yùn)行時(shí)線路末端發(fā)生單相接地故障的工頻電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，基準(zhǔn)值取550/√3 kV[14]。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2單相接地下工頻過電壓計(jì)算結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，不論高抗是否投入，當(dāng)串補(bǔ)接入線路時(shí)，不對(duì)稱故障的工頻過電壓都較大，其中雙回線運(yùn)行時(shí)更容易產(chǎn)生較高的工頻過電壓；串補(bǔ)在線路末端產(chǎn)生的工頻過電壓高于串補(bǔ)在線路首端時(shí)產(chǎn)生的；當(dāng)串補(bǔ)退出時(shí)，工頻過電壓水平明顯減小。

串補(bǔ)投入情況下，高抗的投退對(duì)線路過電壓的影響較?。淮a(bǔ)退出情況下，高抗的投退對(duì)線路工頻過電壓的影響較大。

高抗投入情況下，串補(bǔ)的投退對(duì)線路過電壓的影響較大；高抗退出情況下，串補(bǔ)的投退對(duì)線路工頻過電壓的影響較小。

同時(shí)，應(yīng)注意，在實(shí)際運(yùn)行中，若高抗退出，還需考慮線路復(fù)電的過程中，為了保證線路充電時(shí)末端電壓不超過最高電壓550 kV，應(yīng)保證充電端電壓低于530 kV。

2.2潛供電流分析

線路采用單相重合閘時(shí)，單相瞬間接地隨之單相線路兩端開斷。單相斷后，另兩相基本上保持原有的相電壓和流過負(fù)載電流，通過相間電容和相間互感耦合，故障點(diǎn)弧光通道中仍有一定數(shù)值的電流通過，即稱為“潛供電流”，電弧電流（潛供電流）通過自然零點(diǎn)滅弧后，斷開相上（弧道間）就產(chǎn)生傳遞過電壓，就是“恢復(fù)電壓”。顯然，如果潛供電流和恢復(fù)電壓太大會(huì)使電弧發(fā)生重燃而延續(xù)滅弧，甚至不能最終滅弧，從而導(dǎo)致單相重合閘失敗。

為了采用快速自動(dòng)重合閘，并確定重合閘的動(dòng)作時(shí)間，需要計(jì)算線路的潛供電流和恢復(fù)電壓的大小。由于故障時(shí)串補(bǔ)首先被旁路，因此計(jì)算重合閘時(shí)間時(shí)僅考慮此情況，但此處仍然增加了串補(bǔ)投入時(shí)潛供電流和恢復(fù)電壓的分析用作對(duì)比，串補(bǔ)退出和投入時(shí)的仿真分析結(jié)果見表3和表4所示。

表3串補(bǔ)退出和投入時(shí)潛供電流仿真結(jié)果

表4串補(bǔ)退出和投入時(shí)恢復(fù)電壓仿真結(jié)果

從表3可以看出，最大的潛供電流出現(xiàn)在串補(bǔ)和高抗均退出的情況下，此時(shí)最大的潛供電流為55.03 A。

前蘇聯(lián)電力科學(xué)研究院根據(jù)在500 kV 線路上試驗(yàn)的結(jié)果，總結(jié)出一個(gè)重合閘時(shí)間與潛供電流之間的經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)所示。

根據(jù)上述公式，計(jì)算得重合閘時(shí)間約為1.63 s，大于1.0 s的重合閘整定時(shí)間，當(dāng)線路發(fā)生單相故障時(shí)可能導(dǎo)致重合閘不成功。

對(duì)比表3和表4串補(bǔ)退出和投入的數(shù)據(jù)可得，串補(bǔ)投入和退出時(shí)對(duì)潛供電流和恢復(fù)電壓影響較小。高抗投入和退出時(shí)對(duì)潛供電流和恢復(fù)電壓影響較大，這主要是高抗帶有中性點(diǎn)小電抗的作用。

2.3操作過電壓分析

操作過電壓[11]主要是指在合空線路或正常方式下重合閘時(shí)，電路的狀態(tài)發(fā)生改變，由此電力系統(tǒng)產(chǎn)生操作過電壓，而重合閘過電壓是過電壓中最嚴(yán)重的一種，原因在于這時(shí)線路上有一定殘余電荷和初始電壓，重合閘時(shí)振蕩將更加劇烈。

本文對(duì)500 kV A-B線的空載線路合閘和單相重合閘過電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于故障時(shí)串補(bǔ)首先被旁路，線路投入時(shí)待兩側(cè)斷路器合閘后串補(bǔ)才投入，這里分析操作過電壓均在串補(bǔ)退出的情況下分析，結(jié)果如表6所示，其中1 p.u.=√2×550/√3 kV[14]。

表5線路合閘及單重操作相地過電壓

線路合閘及單相重合閘相對(duì)地2%統(tǒng)計(jì)過電壓最大值分別為1.73 p.u.和1.99 p.u.，均小于限定值2.0 p.u.，滿足規(guī)程的要求[15]。

線路合閘及單相重合閘的最大相間2%統(tǒng)計(jì)的過電壓最大值分別為3.48 p.u.和3.26 p.u.，小于3.9 p.u.，滿足相間絕緣的要求[15]。

由表6可知，高抗退出時(shí)線路的操作過電壓略有增加，這主要是由于操作過電壓實(shí)際為暫態(tài)量與工頻過電壓量的疊加。

表6線路合閘及單重操作相間過電壓

3結(jié)束語(yǔ)

不論高抗是否投入，當(dāng)串補(bǔ)接入線路時(shí)，不對(duì)稱故障的工頻過電壓都較大，其中雙回線運(yùn)行時(shí)更容易產(chǎn)生較高的工頻過電壓，當(dāng)串補(bǔ)退出時(shí)，工頻過電壓水平較低。但應(yīng)注意，高抗退出后線路復(fù)電的過程中，需要調(diào)整充電端電壓，以保證線路充電時(shí)末端電壓不超過最高電壓550 kV。

當(dāng)高抗退出運(yùn)行時(shí)，不論是單回線運(yùn)行還是雙回線運(yùn)行，潛供電流最大值均為55.03 A，重合閘的時(shí)間至少為1.63 s，大于1.0 s的重合閘整定時(shí)間，當(dāng)線路發(fā)生單相故障時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致重合閘不成功。

根據(jù)計(jì)算后數(shù)據(jù)分析，可以得出，當(dāng)高抗退出運(yùn)行時(shí)，線路最高相地操作過電壓和最高相間操作過電壓均小于限定值，滿足規(guī)程的要求。

再結(jié)合A-B線等帶串補(bǔ)和高抗的線路進(jìn)行分析，可以得出以下一般性結(jié)論：

1）串補(bǔ)投入的線路產(chǎn)生相比于串補(bǔ)退出的線路會(huì)產(chǎn)生更高的工頻過電壓，串補(bǔ)在線路末端產(chǎn)生的工頻過電壓高于串補(bǔ)在線路首端時(shí)產(chǎn)生的；

2）串補(bǔ)投退對(duì)潛供電流和恢復(fù)電壓的影響很??；

3）高抗的投入均會(huì)降低線路的工頻過電壓、潛供電流、恢復(fù)電壓、操作過電壓，高抗在線路末端降低工頻過電壓效果顯著。

實(shí)際運(yùn)行中，高抗發(fā)生缺陷的概率并不低，特別是在地震多發(fā)區(qū)、重冰區(qū)、氣溫溫差極端地區(qū)。當(dāng)高抗出現(xiàn)缺陷時(shí)，如果過電壓水平滿足要求，線路可不帶高抗繼續(xù)運(yùn)行，這將會(huì)使網(wǎng)架保持完整，保證通道暢通，使輸送能力不受影響。文章為這一運(yùn)行工況提供了分析思路，并對(duì)比了串補(bǔ)和高抗投退對(duì)各種過電壓的影響。對(duì)實(shí)際帶串補(bǔ)和高抗的線路運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。