某水電廠不同黑啟動(dòng)路徑下操作過(guò)電壓仿真計(jì)算

鄧瑋琪

（大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530000）

1 引言

當(dāng)電網(wǎng)失電后，黑啟動(dòng)是恢復(fù)重建電網(wǎng)的主要手段，而在電網(wǎng)恢復(fù)過(guò)程中需要對(duì)長(zhǎng)距離空載線路進(jìn)行合閘送電操作，由于系統(tǒng)中存在大量的電感元件、電容元件及非線性元件，瞬間的合閘操作易引起系統(tǒng)電磁振蕩，此時(shí)將產(chǎn)生高于正常工作電壓的操作過(guò)電壓。操作過(guò)電壓過(guò)高將引起回路中電器元件的絕緣擊穿，造成短路、爆炸等惡性事故[1-3]，因此，在制定黑啟動(dòng)方案時(shí)對(duì)恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的操作過(guò)電壓進(jìn)行研究是十分必要的。

操作過(guò)電壓的產(chǎn)生與諸多因素有關(guān)，文獻(xiàn)[4]研究了恢復(fù)空載長(zhǎng)距離架空線路內(nèi)部過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理，表明線路末端電壓的大小與線路的電容、電感、有無(wú)并聯(lián)電抗器以及線路的長(zhǎng)度等因素有關(guān)。文獻(xiàn)[5]研究了550 kV 變電站罐式斷路器在投入空載輸電線路時(shí)引起的斷路器合閘電阻損壞問(wèn)題，研究表明電抗器及合閘相角均影響合閘過(guò)電壓的幅值。文獻(xiàn)[6]對(duì)超高壓線路操作過(guò)電壓公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并通過(guò)仿真表明線路殘余電壓將影響合閘過(guò)電壓的大小與持續(xù)時(shí)間。文獻(xiàn)[7]研究了輸電線路的貝瑞龍模型和避雷器的分段線性化數(shù)學(xué)模型，仿真驗(yàn)證了避雷器降低過(guò)電壓的有效性。可見(jiàn)，空載合閘操作過(guò)電壓與黑啟動(dòng)路徑中的系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)備參數(shù)及操作過(guò)程等因素密切相關(guān)，選擇合適的恢復(fù)路徑，將能有效避免操作過(guò)電壓對(duì)黑啟動(dòng)的影響。

本文以某水電廠為實(shí)例，分別對(duì)黑啟動(dòng)方案中提出的兩條不同路徑進(jìn)行仿真計(jì)算，模擬其在不同恢復(fù)路徑下三相不同期合閘空充線路時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，以驗(yàn)證是否滿足過(guò)電壓規(guī)程要求，所得結(jié)果將為該電廠黑啟動(dòng)路徑的選擇提供參考依據(jù)。

2 黑啟動(dòng)路徑方案

本次擬定的黑啟動(dòng)方案是以某水電廠（A 電廠）2 號(hào)機(jī)組為電源點(diǎn)遠(yuǎn)程輸電至待啟動(dòng)電廠（B 電廠）的機(jī)組啟備變，A 電廠2 號(hào)機(jī)組、2 號(hào)主變以及B 電廠啟備變主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 A、B 廠站主要設(shè)備參數(shù)表

啟動(dòng)路徑擬采用兩套方案，具體路徑信息如下。

方案1：A 電廠—220 kV 樂(lè)溯Ⅰ線—溯河站—220 kV 溯磨Ⅱ線—新磨東站—110 kV 磨電線—B電廠，其中220 kV 線路長(zhǎng)度66.676 km，110 kV 線路長(zhǎng)度40.667 km，線路總長(zhǎng)度合計(jì)107.343 km。方案1 的啟動(dòng)路徑上線路設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 方案1 線路主要設(shè)備參數(shù)表

方案2：A 電廠—220 kV 樂(lè)溯Ⅰ線—溯河站—220 kV 溯貢Ⅰ線—貢磨站—110 kV 貢合Ⅱ線—B電廠，其中220 kV 線路長(zhǎng)度46.929 km，110 kV 線路長(zhǎng)度10.271 km，線路總長(zhǎng)度合計(jì)57.146 km。方案2 的啟動(dòng)路徑上線路設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 方案2 線路主要設(shè)備參數(shù)表

以上兩個(gè)方案主要區(qū)別在于線路長(zhǎng)度以及途徑換流站的變壓器參數(shù)不同，仿真時(shí)可設(shè)置變量對(duì)比線路長(zhǎng)度及變壓器參數(shù)對(duì)操作過(guò)電壓的影響。此外，以上所列線路的電阻、電感、電容等未列出詳細(xì)參數(shù)可根據(jù)線路電纜型號(hào)的公開(kāi)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 PSCAD/EMTDC 簡(jiǎn)介

PSCAD/EMTDC 是廣泛用于電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)分析軟件，EMTDC 是核心計(jì)算器，PSCAD 則作為其圖形化操作的顯示界面，PSCAD 中含有豐富的元件庫(kù)，包括無(wú)源元件庫(kù)、電源庫(kù)、I/O 設(shè)備庫(kù)、斷路器庫(kù)、輸電線路庫(kù)、控制器庫(kù)、變壓器庫(kù)等，其交互式的圖形編輯操作便利了系統(tǒng)模型的組建，同時(shí)還可靈活改變?cè)O(shè)置參數(shù)，即時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果和圖像曲線。

PSCAD/EMTDC 可應(yīng)用于絕大部分電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域，如線路、電纜、負(fù)荷模型研究；繼電保護(hù)配合研究；雷擊、故障以及開(kāi)關(guān)切換仿真；電路、控制回路的效果測(cè)試等。利用其作為黑啟動(dòng)操作過(guò)電壓仿真工具，可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬，方便了復(fù)雜系統(tǒng)的建模，能有效提升工作效率。

4 仿真計(jì)算及結(jié)果

4.1 仿真設(shè)置

利用PSCAD 建立仿真模型，分別設(shè)置并連接發(fā)電機(jī)、主變、輸電線路、斷路器及母線，線路設(shè)置采用Bergeron 模型，手動(dòng)輸入各電壓等級(jí)線路的典型參數(shù)，在線路末端分別設(shè)置電壓表測(cè)量三相電壓并將波形輸出到示波器。仿真條件設(shè)置為斷路器一次合閘空充整條線路，仿真總時(shí)長(zhǎng)1 s，計(jì)算步長(zhǎng)50 μs。

由于三相合閘的不同期性會(huì)對(duì)操作過(guò)電壓的結(jié)果產(chǎn)生影響，且理論上不同期合閘所產(chǎn)生的最大暫態(tài)沖擊電壓高于同期合閘時(shí)所產(chǎn)生的最大暫態(tài)沖擊電壓[8]，為接近實(shí)際且考慮最大過(guò)電壓影響，在模擬斷路器合閘操作時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行三相不同期合閘條件進(jìn)行設(shè)置。在本文的仿真算例中利用Multiple Run 組件來(lái)模擬三相合閘的不同期性，具體為將斷路器的合閘時(shí)間設(shè)置一個(gè)0.46～0.48 s 均勻分布的時(shí)間序列，再利用求和連接器（Summing Junction）對(duì)斷路器各相合閘時(shí)間單獨(dú)加入一個(gè)±1.5 ms 的小范圍內(nèi)服從正態(tài)分布的時(shí)間序列，以此來(lái)模擬斷路器在0.46～0.48 s 時(shí)隨機(jī)合閘，并且斷路器三相在±1.5 ms 的范圍內(nèi)不同期合閘產(chǎn)生的影響，模型重復(fù)計(jì)算200 次，每次均記錄各線路末端的三相電壓值，同時(shí)利用求最值功能（Maximum/Minimum Functions）記錄三相電壓值中的最大值。

在同一計(jì)算模型下，由于仿真結(jié)果因三相合閘時(shí)間的隨機(jī)性變化較大，還需要對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)正態(tài)分布的“3σ規(guī)則”，在絕緣配合中使用2%統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓（U2%），其概率定義是P（U＞U2%），即置信概率水平在98%內(nèi)的過(guò)電壓值，其中U2%可用下式計(jì)算[9]：

式中：Umean是過(guò)電壓平均值，σ是過(guò)電壓分布標(biāo)準(zhǔn)差。

Multiple Run 組件可根據(jù)重復(fù)運(yùn)行200 次的仿真數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓結(jié)果，其結(jié)果在mrunout.out 文件中輸出。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)仿真設(shè)置條件，分別對(duì)兩個(gè)方案路徑進(jìn)行建模仿真，得到全段空載合閘充電狀態(tài)下220 kV及110 kV 充電線路某時(shí)刻的末端電壓波形（均取a 相電壓），見(jiàn)圖1～圖4。由圖中可見(jiàn)，當(dāng)斷路器在0.46～0.48 s 內(nèi)隨機(jī)合閘瞬間，線路末端電壓波形將產(chǎn)生突變，且突變幅值超過(guò)其線路的正常工頻相電壓峰值，在經(jīng)過(guò)約0.2 s 的短暫波動(dòng)后，線路末端的電壓波形回歸正常的正弦波形，幅值也保持在合理相電壓范圍內(nèi)，與實(shí)際情況相吻合。

圖1 方案1：220 kV 溯磨II 線末端電壓波形

圖2 方案1：110 kV 磨電線末端電壓波形

圖3 方案2：220 kV 溯貢I 線末端電壓波形

圖4 方案2：110 kV 貢合II 線末端電壓波形

110 kV 及220 kV 電壓等級(jí)線路的正常相電壓峰值（1.0 p.u.）分別為[10]：

根據(jù)GB/T 50064《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于范圍I：7.2 kV≤Um≤252 kV 系統(tǒng)（Um為系統(tǒng)最高電壓有效值）絕緣配合的規(guī)定，范圍I 系統(tǒng)計(jì)算用相對(duì)地最大操作過(guò)電壓的標(biāo)幺值應(yīng)按表4 的規(guī)定選取。

表4 系統(tǒng)計(jì)算用相對(duì)地最大操作過(guò)電壓標(biāo)幺值

對(duì)線路進(jìn)行全段空載合閘充電仿真校驗(yàn)時(shí)，重復(fù)200 次合閘操作的線路末端統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓的峰值及操作過(guò)電壓倍數(shù)計(jì)算值可參見(jiàn)表5。

表5 空載合閘操作過(guò)電壓仿真計(jì)算結(jié)果

由表5 可見(jiàn)，仿真模擬A 電廠對(duì)線路空載合閘輸電至B 電廠的過(guò)程，方案1 中溯磨II 線、磨電線末端過(guò)電壓統(tǒng)計(jì)值分別為398.177 kV、198.990 kV，方案2 中溯貢I 線、貢合II 線末端過(guò)電壓統(tǒng)計(jì)值分別為389.739 kV、203.642 kV，兩個(gè)方案中線路末端過(guò)電壓值與正常相電壓峰值之比均滿足過(guò)電壓保護(hù)規(guī)程的要求。此外，方案1 中溯磨II 線末端電壓較之方案2 中溯貢I 線末端電壓要高，符合線路越長(zhǎng)，空載合閘造成的線路末端電壓越高的理論[3]；而方案1 中磨電線末端電壓較之方案2 中貢合II 線末端電壓要低，則主要是由于路徑途經(jīng)的換流站主變參數(shù)不相同而導(dǎo)致的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD 對(duì)某水電廠黑啟動(dòng)方案中的兩條路徑分別進(jìn)行空載合閘過(guò)電壓建模仿真，所測(cè)得的各等級(jí)線路末端操作過(guò)電壓統(tǒng)計(jì)值均未超出過(guò)電壓保護(hù)規(guī)程規(guī)定的倍數(shù)限值，滿足過(guò)電壓保護(hù)規(guī)程的要求，表明該兩條黑啟動(dòng)路徑均可作為黑啟動(dòng)方案的理論恢復(fù)路徑。此外，仿真結(jié)果還顯示合閘過(guò)電壓與線路長(zhǎng)度呈正比，且受到途經(jīng)變壓器參數(shù)的影響。本文結(jié)果可以為該水電廠黑啟動(dòng)方案路徑選擇提供參考依據(jù)。