關(guān)于取消新疆電網(wǎng)750 kV 斷路器合閘電阻可行性的仿真研究

王圣凱，趙洪峰

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017）

0 引 言

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高，合閘過(guò)電壓已成為決定超、特超壓電網(wǎng)絕緣水平的重要因素[1]。為限制這種過(guò)電壓，我國(guó)330 kV 和500 kV 線路側(cè)斷路器均已取消合閘電阻[2]。對(duì)于750 kV 線路，近年來(lái)的研究成果表明：200 km 及以下的同塔雙回線路，理論上具有取消合閘電阻的可能，如果能進(jìn)一步降低避雷器額定電壓和殘壓，取消合閘電阻的線路長(zhǎng)度范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大[3-6]；但是，對(duì)于200 km 以上的長(zhǎng)距離線路，通常采用合閘電阻消耗能量以降低合閘過(guò)電壓。這種方法雖然行之有效，但是并聯(lián)合閘電阻的斷路器存在造價(jià)高、制造難度大等缺點(diǎn)[7-9]；其次，并聯(lián)合閘電阻使得斷路器操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜且故障率高[10-15]；再次，若合閘電阻不可靠地投切，則有可能導(dǎo)致合閘電阻爆炸[16-17]；從次，對(duì)于電壓等級(jí)更高的1 000 kV 特高壓線路，盡管取消合閘電阻相比超高壓線路難度倍增，但是小于100 km 的同塔雙回線路和小于60 km 的單回線路仍有可能[18-20]；最后，隨著金屬氧化物避雷器（下文簡(jiǎn)稱MOA）制造技術(shù)的成熟，通過(guò)改善MOA 的伏安特性使之更加平坦，能獲得更加優(yōu)良的非線性度并進(jìn)一步降低殘壓[21-27]，為沿線安裝多組MOA[28-29]替代合閘電阻深度限制[30-37]特高壓線路操作過(guò)電壓提供了理論上的可行性。綜上所述，合閘電阻自身存在著諸多弊端，加之MOA 優(yōu)異的保護(hù)性能，使得斷路器取消合閘電阻成為大勢(shì)所趨。

1 合閘過(guò)電壓的理論基礎(chǔ)

超、特高壓系統(tǒng)中，空載線路合閘過(guò)電壓是最常見(jiàn)的操作過(guò)電壓，合閘空載線路通常分為正常檢修時(shí)的計(jì)劃性合閘和故障時(shí)的自動(dòng)重合閘。通常情況下，與線路長(zhǎng)度、電源容量、合閘相位角、殘余電壓的極性和大小等因素有關(guān)。目前，我國(guó)有關(guān)規(guī)程規(guī)定了選擇絕緣時(shí)計(jì)算所用相對(duì)地操作過(guò)電壓值，如表1 所示。

表1 不同電壓等級(jí)下的相對(duì)地操作過(guò)電壓倍數(shù)

針對(duì)750 kV 長(zhǎng)距離線路，目前常用并聯(lián)合閘電阻的方法來(lái)消耗斷路器操作時(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生的能量，從而限制合閘過(guò)電壓，其運(yùn)行方式如圖1 所示。在操作時(shí)，先合輔助觸頭QF2，接入電阻R；經(jīng)過(guò)8～15 ms，再合主觸頭QF1，短接電阻R，完成斷路器的合閘動(dòng)作。開(kāi)斷線路時(shí)，則是先斷開(kāi)QF1，再斷開(kāi)QF2。合閘電阻的阻值通常為400～600 Ω。

圖1 帶有合閘電阻的斷路器運(yùn)行示意圖

根據(jù)近年來(lái)電網(wǎng)運(yùn)行部門(mén)的統(tǒng)計(jì)，750 kV 線路100%為單相接地故障，且大多為瞬時(shí)性的，故廣泛采用單相自動(dòng)重合閘裝置作為消除瞬時(shí)性故障的有效措施，其重合成功率已高達(dá)75%，正確動(dòng)作率[38]已高達(dá)100%。故針對(duì)750 kV 線路，只研究三相空載合閘過(guò)電壓和單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓作用下取消合閘電阻的可行性。

我國(guó)目前對(duì)取消合閘電阻的判據(jù)沒(méi)有成文規(guī)定，通常把最大2%操作過(guò)電壓倍數(shù)和絕緣閃絡(luò)率作為取消斷路器合閘電阻的判斷依據(jù)[4-6]。近年來(lái)研究成果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：750 kV 線路因操作過(guò)電壓引起絕緣閃絡(luò)的概率極低[6]，通常滿足不高于0.03 次/年的標(biāo)準(zhǔn)，故一般情況下只要沿線最大2%操作過(guò)電壓倍數(shù)小于1.8 p.u.就有取消合閘電阻的可能。

2 仿真分析

2.1 建模與參數(shù)選擇

2.1.1 模型建立

合閘過(guò)電壓的幅值受線路長(zhǎng)度影響，線路越長(zhǎng)，過(guò)電壓幅值越高[1]。故本文以新疆電網(wǎng)距離最長(zhǎng)的750 kV 線路（吐魯番—天山線路，下文簡(jiǎn)稱吐天線）為研究對(duì)象，利用PSCAD 搭建該線路的bergeron 模型，并用EMTDC 程序計(jì)算出取消合閘電阻后，沿線安裝不同組數(shù)的避雷器對(duì)單相重合閘過(guò)電壓、三相空載合閘過(guò)電壓的限制作用。另外，設(shè)置隨機(jī)合閘200 次，計(jì)算求得最大2%合閘過(guò)電壓倍數(shù)，從而判斷新疆電網(wǎng)全網(wǎng)范圍內(nèi)750 kV 線路側(cè)斷路器取消合閘電阻是否可行。

系統(tǒng)接線圖如圖2 所示。該線路為同塔雙回線路，每回線路長(zhǎng)度均為396 km，系統(tǒng)額定電壓為750 kV。假定吐魯番側(cè)為送電端，天山側(cè)為受電端，吐魯番側(cè)變電站有2 臺(tái)主變，每臺(tái)容量為1 500 MVA，額定電壓為220 kV/750 kV；天山側(cè)變電站有4 臺(tái)主變，每臺(tái)容量為2 100 MVA，額定電壓為750 kV/220 kV。

圖2 系統(tǒng)接線圖

2.1.2 參數(shù)選擇

750 kV 輸電線路參數(shù)如表2 所示。線路兩側(cè)裝有420 MVar并聯(lián)電抗器，補(bǔ)償度為78.84%，且不可退出運(yùn)行。

表2 750 kV 輸電線路各序參數(shù)

2.2 三相空載合閘過(guò)電壓仿真研究

2.2.1 仿真與計(jì)算條件

以750 kV 吐天線為研究對(duì)象，給出以下條件：

1）在PSACD/EMTDC 的bergeron 等效模型里，線路長(zhǎng)度近似等效成400 km，平均分為8 段。

2）三相斷路器采用不同期合閘（不同期時(shí)間小于5 ms），合閘時(shí)間為一個(gè)工頻周期內(nèi)的隨機(jī)分布時(shí)間，符合正態(tài)分布規(guī)律。

3）MOA 的額定電壓為600 kV，標(biāo)稱放電電流為20 kA，根據(jù)避雷器廠家提供的數(shù)據(jù)最大流通容量允許值為10 MJ。

4）相對(duì)地的基值電壓為：800 kV × 2 ÷ 3=653.197 kV。

5）沿線MOA 的布置方式采用以下4 種方案：

方案1：線路首、末兩端安裝MOA；

方案2：在線路首、末兩端安裝MOA 的基礎(chǔ)上，在線路中間（在全線約3 4 處）安裝1 組MOA；

方案3：在線路首、末兩端安裝MOA 的基礎(chǔ)上，在線路中間（在全線約1 2 和3 4 處）安裝2 組MOA；

方案4：在線路首、末兩端安裝MOA 的基礎(chǔ)上，沿線（在全線約1 4、1 2 和3 4 處）安裝3 組MOA。

2.2.2 三相空載合閘過(guò)電壓的沿線分布情況

沿線最大2%統(tǒng)計(jì)合閘過(guò)電壓的大小與電源容量、線路長(zhǎng)度、線路補(bǔ)償度等因素有關(guān)，隨機(jī)合閘200 次，仿真得到的最大2%過(guò)電壓倍數(shù)如表3 所示，沿線最大2%三相空載合閘過(guò)電壓倍數(shù)隨線路首端距離的變化曲線如圖3 所示。

圖3 三相空載合閘最大2%過(guò)電壓倍數(shù)變化曲線

表3 三相空載合閘最大2%過(guò)電壓倍數(shù)

2.2.3 仿真結(jié)果及分析

針對(duì)2.2.1 節(jié)提出的4 種不同方案，對(duì)三相空載合閘過(guò)電壓的限制效果進(jìn)行分析，結(jié)果如表4 所示，方案1～方案4 最大2%三相空載合閘過(guò)電壓倍數(shù)如圖4 所示。由此可知：取消合閘電阻后，沿線安裝3 組避雷器（方案2）時(shí)，最大2%三相空載合閘過(guò)電壓倍數(shù)小于1.8 p.u.；隨著沿線安裝避雷器組數(shù)的增加，最大2%三相空載合閘過(guò)電壓倍數(shù)呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，而且單相避雷器吸收的能量遠(yuǎn)不及避雷器的最大允許流通容量。

圖4 四種不同方案下的最大2%三相空載合閘過(guò)電壓倍數(shù)

表4 四種不同方案對(duì)三相空載合閘過(guò)電壓的限制效果

2.3 單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓仿真研究

2.3.1 仿真條件

與2.2.1 節(jié)中計(jì)算條件完全相同，另外設(shè)定單相重合閘的時(shí)序?yàn)椋簍=1 ms 時(shí)，線路發(fā)生單相接地故障，此時(shí)故障三相斷路器雙側(cè)跳開(kāi)，經(jīng)過(guò)0.6 s 后兩側(cè)斷路器重合閘。只允許重合一次，若重合不成功，也不再重合，跳開(kāi)雙側(cè)三相斷路器。

2.3.2 單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓的沿線分布情況

利用2.2.2 節(jié)中的原理和計(jì)算方法，仿真得到單相自動(dòng)重合閘最大2%過(guò)電壓倍數(shù)，如表5 所示。沿線最大2%單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓倍數(shù)隨線路首端距離的變化曲線如圖5 所示。

圖5 單相自動(dòng)重合閘最大2%過(guò)電壓倍數(shù)變化曲線

表5 單相自動(dòng)重合閘最大2%過(guò)電壓倍數(shù)

2.3.3 仿真結(jié)果及分析

針對(duì)2.2.1 節(jié)提出的4 種不同方案，對(duì)單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓的限制效果進(jìn)行分析，結(jié)果如表6 所示。方案1～方案4 最大2%單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓倍數(shù)如圖6所示。由此可見(jiàn)，取消合閘電阻后，沿線安裝4 組避雷器（方案3）時(shí)，最大2%單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓倍數(shù)小于1.8 p.u.；隨著沿線安裝避雷器組數(shù)的增加，最大2%單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓倍數(shù)呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，而且單相避雷器吸收的能量遠(yuǎn)小于避雷器最大允許流通容量。

圖6 四種不同方案下的最大2%單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓倍數(shù)

表6 四種不同的方案對(duì)單相自動(dòng)重合閘過(guò)電壓的限制效果

3 結(jié) 論

本文以新疆電網(wǎng)吐天線為研究對(duì)象，仿真分析了在并聯(lián)電抗器不退出運(yùn)行的前提下，取消合閘電阻后在沿線不同位置安裝不同組數(shù)的避雷器，得出以下結(jié)論：

1）帶有合閘電阻的斷路器，從電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、可靠性的角度考慮，其弊端正在日益凸顯。所以，斷路器逐步取消合閘電阻是未來(lái)超、特高壓電網(wǎng)發(fā)展所面臨的且不可回避的問(wèn)題，成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。

2）能否取消合閘電阻，關(guān)鍵就在于金屬氧化物避雷器對(duì)操作過(guò)電壓的限制能力?；诂F(xiàn)代先進(jìn)的避雷器制造技術(shù)，低殘壓、低額定電壓、高荷電率MOA 的生產(chǎn)問(wèn)世，也為超、特高壓斷路器取消合閘電阻創(chuàng)造了有利條件。

3）隨著沿線避雷器組數(shù)的增加，過(guò)電壓倍數(shù)呈下降趨勢(shì)，且遠(yuǎn)沒(méi)有超過(guò)避雷器最大允許流通容量，此方法在理論上對(duì)新疆電網(wǎng)全網(wǎng)范圍內(nèi)所有200 km 以上750 kV 長(zhǎng)距離線路取消合閘電阻是十分有利的。

4）關(guān)于取消合閘電阻的可行性研究，筆者僅限于仿真分析，沒(méi)有充分考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)不同運(yùn)行方式、電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃等一系列工程實(shí)際問(wèn)題，需要進(jìn)行更加深入的研究。

注：本文通訊作者為趙洪峰。