張 華，李 旻，丁理杰

(四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引言

隨著西部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，西部地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展也穩(wěn)步前行。四川電網(wǎng)的主網(wǎng)架逐步向經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后的偏遠(yuǎn)地區(qū)延伸，如甘孜、阿壩、梁山地區(qū)等。在這些地區(qū)建設(shè)高電壓等級(jí)的聯(lián)絡(luò)線，把地方電網(wǎng)與四川主網(wǎng)連接起來(lái)，解決當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期存在的缺電少電問(wèn)題，有利于改善當(dāng)?shù)孛裆?，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民族團(tuán)結(jié)。

然而由于當(dāng)?shù)厝丝诜植枷∈瑁?fù)荷需求有限，且由于自然條件惡劣，不具備建設(shè)密集電網(wǎng)的條件。這些地區(qū)聯(lián)網(wǎng)后將形成眾多弱聯(lián)系末端電網(wǎng)。同時(shí)為了利用當(dāng)?shù)刭Y源，網(wǎng)內(nèi)常常含有小型水電機(jī)組，其典型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。但網(wǎng)內(nèi)的水電機(jī)組不足以支撐當(dāng)?shù)刎?fù)荷，因此仍需要通過(guò)聯(lián)絡(luò)線獲得電力供應(yīng)。

圖1 小電廠接入地方電網(wǎng)典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

這類(lèi)電網(wǎng)的特點(diǎn)決定了其必然存在一些安全穩(wěn)定問(wèn)題，其中典型的問(wèn)題有:小型發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁、長(zhǎng)線路工頻過(guò)電壓等。這兩個(gè)問(wèn)題的根源都來(lái)自于長(zhǎng)線路的充電無(wú)功。目前長(zhǎng)線路充電無(wú)功補(bǔ)償策略的制定是將自勵(lì)磁和工頻過(guò)電壓分別考慮的，這里將闡述這種方法的缺陷，并提出一種綜合考慮自勵(lì)磁和工頻過(guò)電壓的弱聯(lián)系小電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化策略。

1 聯(lián)絡(luò)線無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊话悴呗?/h2>

按照補(bǔ)償對(duì)象的不同，高壓電抗器的結(jié)構(gòu)有許多種，但實(shí)際應(yīng)用最多的是如圖1 所示的結(jié)構(gòu)［1］。其中Xa=Xb=Xc=Xp是高壓電抗器的值，N 為高壓電抗器中性點(diǎn)，XN為中性點(diǎn)小電抗的值。正常運(yùn)行時(shí)，若三相絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，N 點(diǎn)電壓為零，XN上沒(méi)有電流流過(guò)。中性點(diǎn)小電抗只在暫態(tài)過(guò)程中發(fā)揮作用。

輸電線路上安裝并聯(lián)高壓電抗器通常有兩個(gè)目的:其一是根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t，對(duì)輸電線路充電無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，其目的是防止系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓過(guò)高，以及防止線路操作過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)高的工頻過(guò)電壓。其二是采用中性點(diǎn)小電抗與高壓電抗器配合，降低三相線路之間的耦合作用，從而降低單相重合閘操作過(guò)程中產(chǎn)生的潛供電流和恢復(fù)電壓，促進(jìn)電弧的快速熄滅且不重燃弧，保證單相重合閘成功［2、3］。

圖2 線路高壓電抗器結(jié)構(gòu)

表1 線路充電無(wú)功經(jīng)驗(yàn)值

上述兩個(gè)目的也同時(shí)成為確定高壓電抗器參數(shù)的約束。第一個(gè)目的將對(duì)高壓電抗器容量的大小，以及高壓電抗器安裝的位置構(gòu)成約束。單位長(zhǎng)度的某電壓等級(jí)輸電線路空載充電無(wú)功通常可以通過(guò)表1 中的經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算。一般高壓電抗器的補(bǔ)償度約為60%～70%。而線路的工頻過(guò)電壓水平則需要采用系統(tǒng)仿真的方式獲得。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)該校核輸電線路無(wú)故障甩負(fù)荷、單相重合閘甩負(fù)荷兩種工況下的工頻過(guò)電壓水平，并采取措施保證其在規(guī)定數(shù)值以下。工頻過(guò)電壓的限定值如表2 所示［4，5］。通過(guò)仿真分析可以確定線路哪一側(cè)的工頻過(guò)電壓超標(biāo)，從而確定高壓電抗器的安裝位置。

表2 線路工頻過(guò)電壓允許上限

第二個(gè)目的將對(duì)高壓電抗器中性點(diǎn)小電抗的數(shù)值構(gòu)成約束。在高壓電抗器容量已定的前提下，采用仿真的方法可以?xún)?yōu)化中性點(diǎn)小電抗的數(shù)值［2、3］，使線路的潛供電流最小。對(duì)高壓電抗器中性點(diǎn)小電抗的優(yōu)化不在這里討論范圍內(nèi)。

2 一般補(bǔ)償策略帶來(lái)的問(wèn)題

2.1 地方小電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的特點(diǎn)

通常輸電線路單相接地甩負(fù)荷工頻過(guò)電壓高于無(wú)故障甩負(fù)荷，而單相接地甩負(fù)荷工頻過(guò)電壓的大小與該故障點(diǎn)X0/X1的大小有關(guān)［2］，其中X0、X1分別為該點(diǎn)的零序綜合電抗和正序綜合電抗。將比值定義為kX，其值越大，過(guò)電壓越大。

如圖3 所示，假設(shè)系統(tǒng)的零序電抗為Xs10，正序電抗為Xs11，地方小電網(wǎng)的零序電抗為Xs20，正序電抗為Xs21。聯(lián)絡(luò)線本身的零序電抗為Xl0，正序電抗為Xτ。則聯(lián)絡(luò)兩端發(fā)生接地故障，接地點(diǎn)的Kx值的大小如式(1)和式(2)。

圖3 地方電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線示意

通常，輸電線路的Xl0是Xl1的2.5～3 倍［6］，而由于發(fā)電機(jī)和變壓器的存在，系統(tǒng)的零序電抗和正序電抗的比值卻小得多。因此有式(3)。

其中，Xs0、Xs1分別為系統(tǒng)零序和正序電抗。也就是說(shuō)系統(tǒng)阻抗會(huì)拉低故障點(diǎn)的kX值。系統(tǒng)越強(qiáng)，系統(tǒng)阻抗越小，拉低效果越弱，kX值越大，相應(yīng)的工頻過(guò)電壓也越大。

圖3 所示系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)就是線路兩端的兩個(gè)系統(tǒng)強(qiáng)弱程度差別巨大。主網(wǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地方電網(wǎng)，因此線路的地方電網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相故障甩負(fù)荷產(chǎn)生的工頻過(guò)電壓通常比另一端大。因此線路高壓電抗器應(yīng)該安裝在地方電網(wǎng)一側(cè)。

2.2 抑制地方電網(wǎng)自勵(lì)磁對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?/h3>

若地方電網(wǎng)內(nèi)含有小型同步發(fā)電機(jī)，則為了避免發(fā)生自勵(lì)磁，需要對(duì)線路充電無(wú)功進(jìn)行充分補(bǔ)償。根據(jù)普遍接受的自勵(lì)磁容量判據(jù)，系統(tǒng)不發(fā)生自勵(lì)磁需滿(mǎn)足式(4)的條件［7，8］。而考慮到地方電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組容量太小，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)敏感度太高，以及系統(tǒng)頻率升高對(duì)自勵(lì)磁的影響，建議采用更為嚴(yán)格的判據(jù)，如式(5)。其含義是當(dāng)系統(tǒng)頻率上升到1.1 p.u.時(shí)，仍能保證對(duì)線路充電無(wú)功的過(guò)補(bǔ)償，沒(méi)有富裕無(wú)功注入發(fā)電機(jī)。

其中，Sn是發(fā)電機(jī)容量;X*d是計(jì)及變壓器、線路電抗的發(fā)電機(jī)綜合同步電抗的標(biāo)幺值;Ql是感性無(wú)功補(bǔ)償容量;Qc是線路充電無(wú)功。

2.3 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓?jiǎn)栴}

如前所述，為了防范自勵(lì)磁，感性無(wú)功補(bǔ)償量應(yīng)為聯(lián)絡(luò)線充電功率的1.21 倍，而線路高壓電抗器的補(bǔ)償度通常為60%～70%，剩余的部分將通過(guò)在地方電網(wǎng)變壓器低壓側(cè)配置低壓電抗器的方式實(shí)現(xiàn)。

圖4 地方電網(wǎng)感性無(wú)功集中配置圖

如圖4，若線路高壓電抗器也安裝在地方電網(wǎng)一側(cè)，將造成感性無(wú)功設(shè)備集中布置的局面。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于地方小電網(wǎng)發(fā)電機(jī)容量太小，無(wú)功發(fā)電能力有限，發(fā)出的無(wú)功無(wú)法與上述感性無(wú)功相平衡，因此需要通過(guò)聯(lián)絡(luò)線從系統(tǒng)側(cè)引入大量無(wú)功。從而導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線兩端產(chǎn)生很大的電壓損耗。

根據(jù)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論，輸電線路兩端的電壓損耗可以用式(6)描述［6］。

其中，P2、Q2、U2分別為線路同一側(cè)的功率和電壓，R、X 為線路阻抗。

為了使讀者有感性認(rèn)識(shí)，給出范例如下:長(zhǎng)度為250 km 的220 kV 線路，導(dǎo)線型號(hào)為單400 mm。X≈75，R≈9.5，QC＞＞48 Mvar，按照上述理論Ql需大于58 Mvar。當(dāng)線路傳輸最大熱穩(wěn)定允許功率(約為27 MW)時(shí)，線路的電壓損耗可達(dá)13 kV。當(dāng)線路送端電壓為230 kV 時(shí)，受端電壓低至217 kV，不滿(mǎn)足220 kV 系統(tǒng)的最低運(yùn)行電壓限制。且電壓等級(jí)越低，線路電壓損耗越嚴(yán)重。

3 聯(lián)絡(luò)線補(bǔ)償策略?xún)?yōu)化

首先研究抑制線路工頻過(guò)電壓需要投入的高壓電抗器的大小。構(gòu)建如圖5 所示仿真系統(tǒng)，線路參數(shù)和傳輸功率大小同2.3 節(jié)范例。在聯(lián)絡(luò)線的地方小電網(wǎng)側(cè)設(shè)置單相接地故障，故障0.12 s 后斷路器B2 跳三相。故障持續(xù)0.2 s 消失。改變高壓電抗器的補(bǔ)償度，線路末端的工頻過(guò)電壓水平如圖6 所示。

由圖6 可見(jiàn)，沒(méi)有高壓電抗器時(shí)，工頻過(guò)電壓為1.38 p.u.。逐步增大高壓電抗器補(bǔ)償度至20%，線路的工頻過(guò)電壓即可被限制在1.3 p.u.以?xún)?nèi)。從圖中還可以看出，工頻過(guò)電壓和高壓電抗器補(bǔ)償度基本成線性關(guān)系。

圖5 仿真模型結(jié)構(gòu)圖

圖6 不同高壓電抗器補(bǔ)償度時(shí)工頻過(guò)電壓的波形

因此從限制工頻過(guò)電壓的角度來(lái)看，根本不需要高壓電抗器容量達(dá)到線路充電功率的60%～70%。因此可采用線路兩端均配置高壓電抗器的做法使感性無(wú)功布置分散，如圖7。

圖7 線路兩端配置高壓電抗器的策略

需要說(shuō)明的是，大量文獻(xiàn)均提出了線路兩端裝設(shè)高壓電抗器的補(bǔ)償方法。但是這些文獻(xiàn)的依據(jù)，仍然是線路的工頻過(guò)電壓水平。當(dāng)線路兩側(cè)的工頻過(guò)電壓水平均超標(biāo)時(shí)，才會(huì)在兩側(cè)都布置高壓電抗器。而方法是綜合考慮自勵(lì)磁和穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性的需要提出來(lái)的，與線路另一側(cè)的工頻過(guò)電壓無(wú)關(guān)。

顯然，提出上述方法后的下一個(gè)任務(wù)就是確定這兩個(gè)高壓電抗器的容量配合。如上所述，高壓電抗器2 的容量需要通過(guò)系統(tǒng)仿真來(lái)確定。逐步增大高壓電抗器2 的補(bǔ)償度直至線路的工頻過(guò)電壓下降到1.3 p.u.以下即可。如圖6，建議取高壓電抗器2的補(bǔ)償度為20%，此時(shí)的工頻過(guò)電壓約為1.29 p.u.。高壓電抗器1 的大小由線路的總補(bǔ)償容量與高壓電抗器2 的容量之差決定。為了達(dá)到更好的分散無(wú)功的效果，建議將線路的總補(bǔ)償度設(shè)為70%。

4 仿真實(shí)例

本節(jié)給出一個(gè)仿真實(shí)例來(lái)證明上述優(yōu)化配置的效果。仍采用上述典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，即220 kV線路長(zhǎng)250 km，導(dǎo)線型號(hào)為單400 mm，輸送潮流27 MW。優(yōu)化前和優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖8 所示。優(yōu)化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓如表3 所示。可見(jiàn)優(yōu)化方案大幅提高了受端電網(wǎng)的電壓，使其可滿(mǎn)足電壓運(yùn)行曲線的要求。

圖8 優(yōu)化前后方案

表3 線路工頻過(guò)電壓允許上限

5 結(jié)論

針對(duì)一種普遍存在于西部地區(qū)的弱聯(lián)系地方受端電網(wǎng)，研究其聯(lián)絡(luò)線高壓電抗器補(bǔ)償策略。揭示了常規(guī)補(bǔ)償方法分別以抑制線路工頻過(guò)電壓為目的配置聯(lián)絡(luò)線高壓電抗器，以防范自勵(lì)磁為目的決定總無(wú)功補(bǔ)償容量的做法帶來(lái)的系統(tǒng)運(yùn)行電壓不滿(mǎn)足運(yùn)行要求的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題提出了一種綜合考慮自勵(lì)磁、工頻過(guò)電壓和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)壓特性的感性無(wú)功優(yōu)化配置方法，該方法可大幅提高受端電網(wǎng)的電壓，使其滿(mǎn)足運(yùn)行要求。對(duì)于西部偏遠(yuǎn)地區(qū)受端電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

［1］劉海軍，韓民曉，文俊.特高壓雙回線路并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)小電抗的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備.2009，29(11):87－91.

［2］電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1995.

［3］田慶.特高壓工程高壓電抗器中性點(diǎn)絕緣水平及小電抗選擇［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(3):475－479.

［4］DL/T 620－1997，交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合［S］.

［5］國(guó)家電網(wǎng)公司.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則［S］.

［6］［加］PRABHA KUNDUR 著，周孝信等譯.電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

［7］陳珩.同步電機(jī)運(yùn)行基本理論及計(jì)算機(jī)算法［M］.北京:水利電力出版社，1990.

［8］程時(shí)杰，曹一家，江全元.電力系統(tǒng)次同步振蕩的理論與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.