彭俊臻,嚴(yán)玉廷,宋萌,胡南南,王斐宏

(1.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217; 2.昆明理工大學(xué),昆明 650000; 3.云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650210)

飽和鐵芯型超導(dǎo)可控電抗器對(duì)線路工頻過電壓影響

彭俊臻1,2,嚴(yán)玉廷3,宋萌3,胡南南3,王斐宏1,2

(1.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,昆明 650217; 2.昆明理工大學(xué),昆明 650000; 3.云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650210)

分析飽和鐵芯型超導(dǎo)可控電抗器的工作原理,在PSCAD/EMTDC中建立其電磁暫態(tài)模型,接入到500 kV超高壓輸電系統(tǒng)中進(jìn)行時(shí)域仿真,觀察其對(duì)不同類型線路工頻過電壓的影響,分析飽和鐵芯型超導(dǎo)可控電抗器的投入對(duì)高壓輸電系統(tǒng)抑制線路工頻過電壓的效果。

飽和鐵芯型超導(dǎo)可控電抗器;工頻過電壓;時(shí)域仿真

1 前言

電抗器是一種重要的電氣裝置,在電力系統(tǒng)中廣泛地應(yīng)用于限制工頻過電壓、消除發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁、限制操作過電壓、補(bǔ)償線路容性充電功率、抑制潛供電流、限制短路電流和平波等領(lǐng)域[1]。

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對(duì)電抗器的性能要求越來越高,在許多場(chǎng)合希望電抗器的電抗值可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)或控制。超導(dǎo)可控電抗器是基于超導(dǎo)材料的超導(dǎo)電特性制成的,在低溫下運(yùn)行的超導(dǎo)可控電抗器和傳統(tǒng)意義上的可控電抗器相比,具有體積小、重量輕,效率高,阻燃,諧波小等優(yōu)點(diǎn),大大降低了裝置的成本和空間,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以下通過對(duì)超導(dǎo)可控電抗器原理研究,分析超導(dǎo)可控電抗器抑制不同工頻過電壓的作用,對(duì)電抗器在各種工況下調(diào)節(jié)控制進(jìn)行研究。

2 結(jié)構(gòu)及原理

飽和鐵心型超導(dǎo)電抗器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由一對(duì)鐵心電抗器組成,每個(gè)鐵心上有一個(gè)交流銅繞組和一個(gè)直流超導(dǎo)繞組;由于交流電流的周期變化,任何時(shí)刻,其中一個(gè)鐵心內(nèi)的直流磁場(chǎng)與交流磁場(chǎng)同向,而另一個(gè)相反。兩個(gè)交流繞組串接在輸電線路中。

圖1 飽和型鐵心超導(dǎo)電抗器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 飽和型鐵心超導(dǎo)電抗器工作原理

超導(dǎo)可控電抗器鐵心的磁化曲線示意圖如圖2的曲線1所示。當(dāng)直流繞組中電流為零時(shí),左右鐵心中只存在交流磁通,交流繞組中的電流如曲線2所示。當(dāng)直流繞組中通有電流時(shí),分別代表左右心柱電流的曲線3和曲線4對(duì)時(shí)間軸來說是不對(duì)稱。電抗器總的工作電流由兩個(gè)交流繞組電流相加得到,如曲線5。將曲線5與曲線2相比較可以看出：在交流電壓保持不變的情況下,增加直流勵(lì)磁強(qiáng)度,可使交流繞組電流增加。根據(jù)這一特性,即可通過改變直流勵(lì)磁的大小,調(diào)節(jié)交流繞組電流的大小,進(jìn)而改變電抗器的容量,來達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功的目的 (表1)。

表1 飽和鐵芯型超導(dǎo)可控電抗器的調(diào)控方式

3 線路工頻過電壓分析

3.1 空載線路工頻過電壓形成原因

隨著輸電線路電壓等級(jí)的提高,傳送距離長(zhǎng)達(dá)幾百或上千公里。研究這樣長(zhǎng)度的輸電線路的傳輸特性時(shí),需采用分布參數(shù)模型如圖3所示[3-5]。

圖3 均勻分布參數(shù)線路模型圖

圖4 長(zhǎng)線路的復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)

在工頻穩(wěn)態(tài)分析中,為簡(jiǎn)便起見,常采用均勻無損線模型,即R0=0,特性阻抗電壓波與電流波之間無相位差。這樣,以線路末端為坐標(biāo)原點(diǎn),且己知末端電壓U2=U(0)及末端電流I2=I(0),x為線路上任意一點(diǎn)距離線路末端距離。沿線電壓、電流同末端電壓、電流之間的關(guān)系為：

對(duì)于一給定的R、L、C串聯(lián)電路,若其參數(shù)R＜＜ωc＜ωL,且有當(dāng)有正弦交流電流流過時(shí),由于電感與電容上的壓降U1、Uc反相,且其有效值U＞U1,于是電容上的壓降大于電源的電勢(shì)。這就是集中參數(shù)電路的 “電感——電容”效應(yīng),簡(jiǎn)稱 “電容效應(yīng)”。

系統(tǒng)電源可用電勢(shì)E·和串聯(lián)一個(gè)集中參數(shù)的等值電源阻抗Zs來替代.線路末端接一個(gè)集中參數(shù)負(fù)載Z2(當(dāng)線路為空載時(shí),Z2=∞),如圖4所示,利用復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)理論求解并化解得：

3.2 三相甩負(fù)荷形成工頻過電壓原因分析

造成線路工頻電壓升高的另一原因是在輸電線路傳輸負(fù)荷時(shí),線路末端開關(guān)跳閘,突然甩負(fù)荷造成的,這就是有載線路無故障斷開時(shí)形成工頻過電壓。影響甩負(fù)荷引起工頻電壓升高的主要因素有三個(gè)：①線路輸送大功率時(shí),發(fā)電機(jī)的電勢(shì)必然高于母線電壓,甩負(fù)荷后,發(fā)電機(jī)的磁鏈不能突變,將在短時(shí)間內(nèi)維持輸送大功率時(shí)的暫態(tài)電勢(shì)E′d。跳閘前輸送的功率越大,則均E′d越高,計(jì)算工頻電壓所用等值電勢(shì)越大,工頻電壓升高就越大;②線路末端開關(guān)跳閘后,空線仍由電源充電,線路越長(zhǎng),電容效應(yīng)越顯著,工頻電壓越高;③原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器和制動(dòng)設(shè)備有隋性,甩負(fù)荷后不能立即受到調(diào)速效果,使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高,造成電勢(shì)和頻率都上升的結(jié)果,于是網(wǎng)絡(luò)工頻電壓升高更嚴(yán)重。

如圖5所示,原輸送功率為 (P+jQ),線路末端電壓U2,電流I2,線路首端電壓U1,電流I1,考慮變壓器漏抗和發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗為E′d后的電源等值電抗為Xs,在輸送 (P-jQ)時(shí)發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電勢(shì)為E′d。

圖5 三相甩負(fù)荷時(shí)形成工頻過電壓系統(tǒng)圖

甩負(fù)荷前的穩(wěn)定電壓：

=U·2cosαl[1+jtanαl(P*-jQ*)] (5)

式中令U22/Zc≈Pλ為每相傳輸?shù)淖匀还β?且P*=P/Pλ,Q*=Q/Qλ,類似的可得：

因Ed′=U1+jI1Xs,可得甩負(fù)荷瞬間的暫態(tài)電勢(shì)

Ed′的模值為

設(shè)甩負(fù)荷后短時(shí)間內(nèi),發(fā)電機(jī)超速,系統(tǒng)頻率f增到原來的Sf倍。隨著f的增加,電勢(shì)也相應(yīng)正比上升。另外,線路相位系統(tǒng)α及系統(tǒng)電源等值電抗Xs均與f成正比關(guān)系,參照有限在電源與空載長(zhǎng)線相連時(shí)線路末端電壓升高計(jì)算式(4),可得甩負(fù)荷后線路末端電壓U′2的數(shù)值,空長(zhǎng)線末端電壓升高的倍數(shù)其中U2=

3.3 發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)形成工頻過電壓原因分析

不對(duì)稱短路是輸電線路最常見的故障形式,短路電流的零序分量會(huì)使健全相出現(xiàn)工頻電壓升高,常稱為不對(duì)稱效應(yīng),以不對(duì)稱效應(yīng)系數(shù)或接地系數(shù)表示由此產(chǎn)生的工頻電壓升高程度[6]。系統(tǒng)在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí),故障點(diǎn)各相電壓和電流是不對(duì)稱的,可以采用對(duì)稱分量法利用復(fù)合序網(wǎng)方便地進(jìn)行分析,設(shè)系統(tǒng)中A相發(fā)生單相接地故

·

··障,其邊界條件為UA=0、IB=IC=0,于是由復(fù)

·合序網(wǎng),如圖6所示,圖中EA為正常運(yùn)行時(shí)故障相對(duì)地電壓 (正序),Z1、Z2、Z0、分別為從故障點(diǎn)看進(jìn)去的網(wǎng)絡(luò)正序、負(fù)序、零序入端阻抗,

······

U1、 U2、U0及 I1、 I2、 I0分別為序網(wǎng)中電壓和電流的正、負(fù)、零序分量,計(jì)算可得：

健全相電壓則為：

圖6 單相接地故障時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)

表2 超導(dǎo)電抗器的具體參數(shù)

4 仿真分析

根據(jù)500 kV/300 Mvar單相超導(dǎo)可控電抗器的設(shè)計(jì)要求,電抗器無功變化范圍為50%～100%,由此可計(jì)算電抗器的電抗值和電感變化范圍,計(jì)算方法參照國(guó)標(biāo)500 kV/350 Mvar干式空心并聯(lián)電抗器專用技術(shù)規(guī)范,電抗器的具體參數(shù) (表2).據(jù)此在PSCAD中建立500 kV輸電系統(tǒng) (圖7),其中電源電抗Xs=18.8 Ω,線路R1=0.027 78 Ω/km,X1=0.271 6 Ω/km,R0=0.188 3 Ω/km,X0=0.722 2 Ω/km,線路總長(zhǎng)l=1 000 km;超導(dǎo)可控電抗器控制特性曲線如圖8所示。需要指出的是,可控電抗器的可控性是基于鐵芯飽和程度的變化,這樣導(dǎo)致了電抗器對(duì)電網(wǎng)注入一定量(一般小于5%)低次諧波,因此應(yīng)配備相應(yīng)的濾波裝置,避免對(duì)電網(wǎng)帶來不利影響[7-10]。

圖7 超導(dǎo)可控電抗器在500 kV輸電系統(tǒng)運(yùn)用仿真模型

圖8 超導(dǎo)可控電抗器控制特性曲線及諧波分析

4.1 超導(dǎo)可控電抗器對(duì)空載線路工頻過電壓作用

為了更好的研究超導(dǎo)可控電抗器對(duì)輸電線工頻過電壓影響,分別在輸電線路首末以及中段進(jìn)行仿真分析。由理論分析知當(dāng)系統(tǒng)輸入的電源電抗Xs不變時(shí),輸電線路空載容升效應(yīng)隨線路長(zhǎng)度增加而更加明顯,如果不及時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償,極易對(duì)電氣設(shè)備絕緣性造成不利影響。

當(dāng)分別在線路首末,以及中段接入超導(dǎo)可控電抗器時(shí)由式 (11)計(jì)算得出,抑制線路空載工頻過電壓所需的電抗值以及在控制特性圖中的坐標(biāo)。據(jù)此調(diào)節(jié)可控電抗器以限制過電壓。

圖9 1000 km空載輸電線路不同位置接入可控電抗器后線路末端電壓

如圖9所示,若將電抗器接在空載線路首端,即使調(diào)節(jié)補(bǔ)償度至100%線路末端電壓峰值仍高達(dá)1 050 kV,對(duì)空載長(zhǎng)線路的工頻過電壓抑制效果不明顯;若在線路中段 (500 km)處接入電抗器,調(diào)節(jié)補(bǔ)償度至100%,此時(shí)線路末端的電壓與首端電壓比為k=1.213,電抗器提供最大補(bǔ)償容量,可有效降低線路容升效應(yīng)產(chǎn)生的過電壓;若將電抗器接于空載線路末端,僅需調(diào)節(jié)電抗器補(bǔ)償度至 86%(控制特性曲線坐標(biāo) (3.4, 0.86)),線路末端電壓與首端電壓比降至 k= 0.993,對(duì)空載長(zhǎng)線路工頻過電壓起到了良好的抑制作用,同時(shí)提供了一定的備用容量。

4.2 超導(dǎo)可控電抗器減低線路甩負(fù)荷過電壓

當(dāng)長(zhǎng)1 000 km的500 kV輸電線路無故障斷開,所帶負(fù)荷與形成工頻過電壓由表3和圖10和所示。長(zhǎng)線路輕載時(shí) (負(fù)荷1),若不加無功補(bǔ)償裝置,末端電壓仍會(huì)高于首端,對(duì)輸電系統(tǒng)安全造成不利影響,因此輕載線路末端應(yīng)投用可控電抗器并調(diào)至較高補(bǔ)償度,當(dāng)線路末端無故障斷開后10個(gè)周波內(nèi)的過電壓平均峰值為434 kV,不用調(diào)節(jié)或小幅調(diào)高補(bǔ)償度即可有效抑制產(chǎn)生的過電壓。長(zhǎng)線路重載時(shí) (負(fù)荷2),可控電抗器調(diào)至較低補(bǔ)償度,就可使線路末端電壓和首端保持一致,當(dāng)線路無故障切負(fù)荷后末端10個(gè)周波內(nèi)平均電壓峰值為1 134 kV,此時(shí)可快速調(diào)高可控電抗器補(bǔ)償度以減低甩負(fù)荷的過電壓,使切負(fù)荷后10個(gè)周波內(nèi)的平均電壓峰值為414 kV。

表3 線路帶不同負(fù)荷切斷前后電抗器控制坐標(biāo)

圖10 線路無故障切負(fù)荷過電壓波形

4.3 超導(dǎo)可控電抗器對(duì)過電壓的抑制

如圖11(a)所示,線路正常運(yùn)行時(shí),可控電抗器勵(lì)磁電流,末端電壓與首端電壓基本一致, 7 s時(shí)A相發(fā)生接地短路,0.5 s后故障切除線路恢復(fù)正常。由于短路電流的零序分量會(huì)使健全相出現(xiàn)工頻電壓升高,可控電抗器不動(dòng)作電壓峰值達(dá)700 kV,遠(yuǎn)高于首端電壓,當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可調(diào)節(jié)可控電抗器的勵(lì)磁電流可以有效抑制過電壓。如圖11(b)所示,7 s時(shí)將健全相可控電抗器勵(lì)磁電流由3.4kA調(diào)至3.5 kA使電抗器電抗下降,從而將過電壓峰值減小至530 kV。

圖11 單相故障時(shí)工頻過電壓波形及可控電抗器動(dòng)作曲線

5 結(jié)論

常見工頻過電壓包括長(zhǎng)線路空載過電壓、三相甩負(fù)荷過電壓及單相短路工頻過電壓。本文通過對(duì)鐵芯飽和型超導(dǎo)可控電抗器建模仿真,分析其在500 kV超高壓輸電系統(tǒng)中對(duì)工頻過電壓的抑制作用得出以下結(jié)論：

1)對(duì)于超高壓長(zhǎng)線路空載時(shí),由于容升效應(yīng)的作用導(dǎo)致線路末端電壓升高,利用大容量的超導(dǎo)可控電抗器對(duì)其進(jìn)行連續(xù),可靠的調(diào)節(jié)和補(bǔ)償,保證輸電線路的電氣絕緣安全。

2)當(dāng)線路發(fā)生甩負(fù)荷而引起過電壓時(shí),根據(jù)線路不同的負(fù)載情況,通過調(diào)節(jié)超導(dǎo)可控電抗器的補(bǔ)償度可快速實(shí)現(xiàn)線路過電壓的抑制,由于可控電抗器能平滑連續(xù)的調(diào)節(jié),保證了輸電系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí),還大大提供了系統(tǒng)輸電能力。

3)當(dāng)線路發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí),鐵芯飽和型超導(dǎo)可控電抗器也可以快速響應(yīng) (小于0.5 s),有效抑制健全相上的工頻過電壓。

[1] 周勤勇,郭強(qiáng),等.超導(dǎo)故障限流器的應(yīng)用研究 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(7)：1-6.

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Analysis of the Influence of Saturated Core Superconducting Controllable Reactor on Line Power Frequency Overvoltage

PENG Junzhen1,2,SONG Meng3,YAN Yuting3,HU Nannan3,WANG Feihong1,2
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217; 2.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650000; 3.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming,650217)

With the technology of superconducting developing,Superconducting controllable reactor has more significant advantages ,large capacity,small volume,fast response speed,than the traditional reactor.SCSCR(Saturated core superconducting controllable reactor)is simple in structure and plays an important role in limiting over voltage in EHV and UHV transmission system. Through the analysis of the working principle of saturated core superconducting controllable reactor,this paper established the electromagnetic transient model of SCSCR and accessed to the 500 kV EHV transmission system for time domain simulation,By studied on the effect of different types of frequency overvoltage the paper provide theoretical reference for the application of saturated core superconducting controllable reactor in power system.

Saturated core superconducting controllable reactor;over-voltage;time domain simulation

TM86

B

1006-7345(2014)01-0038-06

2013-06-20

彭俊臻 (1988),男,碩士研究生,云南電網(wǎng)公司研究生工作站研究生,研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力技術(shù),電氣工程 (e-mail) 355167214@qq.com。