500 k V同塔雙回輸電線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流仿真分析

伊?xí)杂?張佳鑫,鄭雄偉,趙海濤,李彥麗

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 石家莊 050400;3.國家電投集團(tuán)東方新能源股份有限公司長安分公司,河北 石家莊 050032)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,用電需求大幅增加,線路走廊資源短缺的問題日益凸顯,近年來同塔多回線路已被廣泛采納。但同塔多回輸電線路也給線路檢修帶來了難題,當(dāng)同塔雙回線路一回線運行,另一回停運時,由于回路間存在靜電耦合和電磁耦合,將在停運線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流。對于500 k V等級的同塔雙回線路,感應(yīng)電壓會達(dá)到十幾甚至幾十k V。因此,計算分析停運線路上的感應(yīng)電壓、電流的變化規(guī)律尤為重要[1 3]。

本文利用EMTP-ATP軟件對華北地區(qū)某在運500 k V同塔雙回線路進(jìn)行了感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的仿真計算分析,探索了雙回線路間的水平間距、線路長度、輸送潮流、地線高度以及土壤電阻率等影響因素對停運線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響[4-5],并分析了不同接地電阻大小和接地方式對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響,為今后同塔線路架設(shè)、接地刀閘等設(shè)備參數(shù)確定以及停運線路檢修、試驗安全措施制定等提供參考依據(jù)。

1 感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流理論分析及線路模型

1.1 感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流理論分析

以500 k V同塔雙回輸電線路為例,為便于分析,線路參數(shù)采用集中參數(shù)(忽略運行線路的對地電容、相間電容、線路電阻和電導(dǎo)),CUu、CVv、CWw和MUu、MVv、MWw分別表示運行回路U、V、W三相與停運回路u相之間單位長度的互電容、互電感,Cu0、L分別表示停運線路u相單位長度的對地電容、電感,l表示線路長度,UU、UV、UW、IU、IV、IW分別表示運行線路各相的運行電壓和電流。

停運線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流根據(jù)產(chǎn)生原理不同分為2種分量,一種是由靜電耦合作用引起的靜電感應(yīng)分量;一種是由電磁耦合作用產(chǎn)生的電磁感應(yīng)分量。根據(jù)接地方式不同,將產(chǎn)生不同形式的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流,見圖1。

圖1 線路感應(yīng)電壓示意

(1)當(dāng)停運線路無接地時,運行線路U、V、W相通過與停運線路u相之間的互電容、u相的對地電容和大地形成回路,在u相上產(chǎn)生容性感應(yīng)電壓,靜電耦合作用在容性感應(yīng)電壓的大小上起決定性作用,靜電感應(yīng)分量的大小可近似表示為

由式(1)可見,靜電感應(yīng)電壓的大小與線路間電容和停運線路對地電容有關(guān),與運行線路電壓成正比,與運行線路輸送功率大小無關(guān)。

(2)當(dāng)停運線路存在1個接地點時,接地端承載容性電流,不接地端承載感應(yīng)電壓,電磁感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電流的大小可近似表示為

由式(2)可見,電磁分量對感性感應(yīng)電壓大小起決定性作用,電磁感應(yīng)電壓與互感和運行線路的功率成正比,與運行線路電壓無關(guān)。

由式(3)可見,靜電感應(yīng)電流與互電容、運行線路電壓成正比,與線路輸送功率無關(guān)。

(3)當(dāng)停運線路存在至少2個接地點時,u相線路與大地形成回路,由于電磁感應(yīng)作用,停運線路將產(chǎn)生感應(yīng)電流,電磁感應(yīng)分量對感應(yīng)電流的大小起決定性作用,電磁感應(yīng)電流的大小可近似表示為:

由式(4)可見,電磁感應(yīng)電流與互感、輸送功率成正比,與自感成反比。

1.2 線路模型

華北地區(qū)在運500 k V雙回輸電系統(tǒng)(GY雙回線)線路全長為56.753 k m,共有鐵塔148基。導(dǎo)線型號是4×JL/GIA-400/35的4分裂鋼芯鋁絞線,導(dǎo)線的分裂間距為450 mm,外徑為53.6 mm,直阻為0.073 9Ω/k m。雙回路避雷線均采用OPGW架空復(fù)合光纖地線。雙回線站外全線無換位,瀛易I線相序為V-U-W,II線相序為V-W-U。

利用EMTP-ATP電磁暫態(tài)仿真軟件對500 k V GY雙回線路進(jìn)行仿真建模,搭建雙回線路鐵塔塔頭選擇5C1-SZ2,呼高取36 m。同塔雙回線路導(dǎo)地線布置如圖2所示。進(jìn)而研究雙回輸電線路當(dāng)一回路運行,另一回路停運時,雙回路間的水平間距、線路長度、輸送潮流、地線高度以及接地電阻大小和接地方式等因素對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的影響及規(guī)律[68]。

圖2 同塔雙回線路導(dǎo)地線布置

2 影響因素分析

2.1 水平間距

保持線路的其他初始條件不變,只改變雙回輸電線路間的水平間距,變化量Δx取-10 m、-8 m、-6 m、-4 m、-2 m、0 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m。導(dǎo)線布置如圖3所示。

圖3 水平間距變化時的導(dǎo)線布置

當(dāng)II線正常運行,I線停運時,不同水平間距下停運線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流結(jié)果見表1所示。由表1可知,水平間距對停運線路上的靜電感應(yīng)分量和電磁感應(yīng)分量的影響較大,隨著雙回線路間的水平間距不斷增大,停運線路上的靜電感應(yīng)分量和電磁感應(yīng)分量不斷減小。這是由于隨著雙回輸電線路間的水平間距不斷增大,線路間的耦合系數(shù)會不斷減小,由式(1)～(4)可知,當(dāng)線路間的耦合系數(shù)減小時靜電感應(yīng)分量和電磁感應(yīng)分量也相應(yīng)減小。

表1 不同水平間距下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流結(jié)果

2.2 線路長度

保持線路的其他初始條件不變,只改變雙回輸電線路長度,取線路長度分別為20 k m、40 k m、60 k m、80 k m、100 k m、150 k m、200 k m,當(dāng)II線正常運行,I線停運時,其感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流結(jié)果如表2所示。

表2 不同線路長度下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流結(jié)果

由表2結(jié)果可知,線路長度對靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流影響不大,可忽略不計,對靜電感應(yīng)電流和電磁感應(yīng)電壓影響較大,隨同塔長度增加靜電感應(yīng)電流和電磁感應(yīng)電壓逐漸增加,基本成正比關(guān)系。

由式(2)、式(3)可知,互感和線間電容均與線路長度成正比,因此電磁感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電流與線路長度成正比。

由表2結(jié)果可以看出,靜電感應(yīng)電流和電磁感應(yīng)電壓與同塔線路長度成正比,表2所得規(guī)律與其一致。

2.3 輸送潮流

保持線路的其他初始條件不變,只改變雙回輸電線路輸送潮流,取輸送潮流分別為300 MW、600 MW、900 M W、1 200 M W、1 500 M W,當(dāng)II線正常運行,I線停運時,其感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流結(jié)果如表3所示。

表3 不同輸送潮流下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流結(jié)果

由表3可知,輸送潮流對電磁感應(yīng)分量影響較大,對靜電感應(yīng)分量幾乎沒有影響,電磁感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流與輸送潮流成正比例關(guān)系。由式(2)和(4)可知,電磁感應(yīng)分量與流過電流基本成正比,其他條件不變時,輸送潮流與流過電流成正比,因此電磁感應(yīng)分量與輸送潮流成正比。而由式(1)和(3)可知,靜電感應(yīng)分量與輸送潮流基本無關(guān),表3所得規(guī)律與其一致。

2.4 地線高度

保持線路的其他初始條件不變,只改變雙回輸電線路地線高度,取地線高度變化量Δh分別為-2 m、-1 m、0 m、+1 m、+2 m,當(dāng)II線正常運行,I線停運時,其感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流結(jié)果如表4所示。

表4 不同地線高度下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流結(jié)果

由表4可知,靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流受地線高度影響較大,基本與地線高度成正比關(guān)系,靜電感應(yīng)電流與電磁感應(yīng)電壓也隨地線高度的增加而不斷增加,但受地線高度的影響較小。

2.5 土壤電阻率

保持線路的其他初始條件不變,只改變雙回輸電線路土壤電阻率,取土壤電阻率分別為50Ω·m、100Ω·m、200Ω·m、400Ω·m、600 Ω·m、800Ω·m、1 000Ω·m,當(dāng)II線正常運行,I線停運時,其感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流結(jié)果如表5所示。

表5 不同土壤電阻率下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流結(jié)果

由表5可知,土壤電阻率對停運線路上的靜電感應(yīng)分量和電磁感應(yīng)分量影響均較小,因此土壤電阻率的影響可忽略不計。

3 接地方式分析

無論是對停運線路進(jìn)行試驗或檢修,對檢修線路進(jìn)行接地是最基本的安全措施,接地電阻的大小和接地方式對電磁感應(yīng)和靜電感影響較大,以下針對500 k V GY雙回線路當(dāng)II線正常運行,I線停運時,對不同接地電阻大小和接地方式進(jìn)行了仿真分析[9- 10]。

3.1 接地電阻大小

線路的其他初始條件不變,只改變線路兩端接地電阻大小,表6給出了當(dāng)線路兩端接地電阻大小分別為0.1Ω、1Ω、10Ω、50Ω、100Ω時的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流值。

表6 不同接地電阻大小下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流結(jié)果

由表6可知,接地電阻的大小對靜電感應(yīng)電流的大小幾乎沒有影響,電磁感應(yīng)分量受接地電阻大小影響較大,接地電阻增大時,電磁感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流呈減小趨勢。

3.2 接地方式

表7給出了一回不同接地方式和接地位置情況下,接地電阻為1Ω時的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流值。

表7 不同接地方式下的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流結(jié)果

由表7可知,接地方式不同對感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流產(chǎn)生很大的影響。在無接地方式下,停運線路上的感應(yīng)電壓較大在26 k V左右;當(dāng)線路存在1個接地點時,接地點處電壓與無接地方式下相比,電壓從26 k V下降到5 k V左右,不接地端電壓在1 k V左右;當(dāng)線路兩端接地時,兩端電壓相與無接地方式下相比,電壓從25 k V下降至100 V左右;當(dāng)線路兩端接地并且中點接地時,線路兩端電壓100 V左右,中間接地點處電壓僅不到1 V。

根據(jù)以上分析可知,在停運線路上掛接地線是降低停運線路沿線感應(yīng)電壓的重要措施,通過在停運線路首末端及線路中間分別掛接地點,可有效降低線路檢修點的感應(yīng)電壓。因此,線路停運檢修或試驗時在檢修點處掛接地線是尤為有效的安全措施。

4 結(jié)論

根據(jù)對華北地區(qū)某在運500 k V雙回輸電線路感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流仿真分析研究,得到以下結(jié)論。

雙回線路間的水平間距對停運線路的靜電感應(yīng)分量和電磁感應(yīng)分量的影響較大,電磁感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電流與同塔線路長度基本成正比,輸送潮流對停運線路的電磁感應(yīng)分量影響較大,對靜電感應(yīng)分量幾乎沒有影響,靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流基本與地線高度成正比關(guān)系,土壤電阻率對停運線路上的靜電感應(yīng)分量和電磁感應(yīng)分量影響均不大,基本可忽略不計。

隨著接地電阻增加,停運線路電磁感應(yīng)分量逐步減小,并且在無接地方式下,停運線路感應(yīng)電壓在26 k V左右,而當(dāng)線路兩端接地并且中點接地時,線路兩端電壓在100 V左右,中間接地點處電壓僅不到1 V。

因此,對同塔雙回輸電線路,接地方式的選擇尤為重要,通過在停運線路首末端及線路中間分別掛接地點,可有效降低線路檢修點的感應(yīng)電壓。