黃然,趙現(xiàn)平,馬儀,彭兆裕,張恭源,項(xiàng)恩新

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

并聯(lián)補(bǔ)償線(xiàn)路合閘操作直流偏置研究

黃然,趙現(xiàn)平,馬儀,彭兆裕,張恭源,項(xiàng)恩新

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

通過(guò)理論推導(dǎo)闡述了帶有并聯(lián)電抗器的線(xiàn)路合閘時(shí),斷路器電流直流分量的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素,建立起基于實(shí)際線(xiàn)路參數(shù)的500 kV德宏博尚I回輸電工程PSCAD模型,仿真計(jì)算并分析合閘電阻、串聯(lián)補(bǔ)償裝置、合閘相位、并聯(lián)電抗器投入情況對(duì)空載合閘操作時(shí)線(xiàn)路電流直流分量的抑制效果,提出可實(shí)施的抑制并聯(lián)補(bǔ)償線(xiàn)路斷路器直流偏置的措施。

1 前言

超高系統(tǒng)中廣泛采用并聯(lián)電抗器來(lái)補(bǔ)償線(xiàn)路的電容電流,改善長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路上的電壓分布,降低工頻暫態(tài)過(guò)電壓,提高線(xiàn)路的輸送能力。電抗器的容量越接近線(xiàn)路的容性無(wú)功,對(duì)改善無(wú)功平衡的過(guò)電壓越有利。由于流過(guò)電抗器的電流不能突變,在充電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的直流電流,當(dāng)電流工頻分量小于直流分量時(shí),合空線(xiàn)操作后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)斷路器的電流將沒(méi)有穩(wěn)定的過(guò)零點(diǎn)。若在短時(shí)內(nèi)斷路器因各種原因接到分閘命令,因直流偏置造成的電流持續(xù)不過(guò)零會(huì)導(dǎo)致斷路器主觸頭達(dá)到分位后不能及時(shí)滅弧,持續(xù)數(shù)百毫秒的燃弧將燒損滅弧室內(nèi)部件,劣化SF6氣體,并可能最終發(fā)展成對(duì)地閃絡(luò)等更嚴(yán)重的故障。

以上情形在帶高抗線(xiàn)路快速重合閘、合-分-合、分-合-分試驗(yàn)中都可能出現(xiàn),在線(xiàn)路進(jìn)行空載合閘充電操作時(shí),還可能因三相電流較長(zhǎng)時(shí)間不過(guò)零,導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng),無(wú)故障跳開(kāi)斷路器。因此研究帶高抗線(xiàn)路直流偏置現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素,對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備可靠性及系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義[1-4]。

2 帶高抗線(xiàn)路合閘時(shí)的直流分量

帶有并聯(lián)電抗器的線(xiàn)路,合空線(xiàn)時(shí)電流產(chǎn)生直流偏置的根本原因在于電抗器的電流不能突變。以A相為分析對(duì)象,假設(shè)在t=0時(shí)刻斷路器合閘,高抗電感為L(zhǎng),電阻為R,如圖1所示。

圖1 A相合閘等效示意圖

在合閘前,系統(tǒng)中A相的電壓ua和電流ia分別為：

其中,Um、Im分別為A相電壓、電流峰值; α為合閘前電源電壓的初相角;φ為合閘前電壓與電流的夾角。110 kV及以上電壓等級(jí)輸電系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地,合閘后根據(jù)圖1及基爾霍夫電壓定律可列微分方程：

解微分方程得：

帶入初始條件可求解出合閘后線(xiàn)路電流數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

從式 (5)可以看出,合閘后電流由兩部分構(gòu)成,一部分為周期性的交流分量,另一部分為隨時(shí)間衰減的非周期分量,也就是直流分量,直流分量起始值越大衰減越慢,則合閘后線(xiàn)路電流不過(guò)零的時(shí)間越長(zhǎng),越不利于斷路器熄弧[5-6]。

3 帶高抗線(xiàn)路投切直流偏置計(jì)算

3.1 建模及仿真

以500 kV德宏博尚I回輸電線(xiàn)路為研究對(duì)象,線(xiàn)路采用分布參數(shù)模型,兩側(cè)高抗配置為5.394 H/相,中性點(diǎn)小抗檔位為2.546 H,線(xiàn)路末端帶串聯(lián)補(bǔ)償。

不考慮母線(xiàn)上出線(xiàn)數(shù),串補(bǔ)電容,合閘電阻對(duì)電流的抑制作用,仿真計(jì)算較惡劣初始工況下線(xiàn)路空載合閘操作的三相電流,德宏博尚I回線(xiàn)德宏側(cè)1.2 s時(shí)刻下空載合閘三相電流波形如圖2。

圖2 帶高抗線(xiàn)路合閘時(shí)電流直流偏置kA

空載分閘為三相同期操作,由圖3可見(jiàn)A、C兩相電流有明顯的直流風(fēng)量,其中C相電流約在2.2 s時(shí)刻第一次過(guò)零,存在長(zhǎng)約700 ms的零偏拖尾;A相電流約在2.8 s時(shí)刻第一次過(guò)零,零偏時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1 s。

3.2 直流偏置影響因素仿真分析

根據(jù)第一部分的分析,帶高抗線(xiàn)路合閘電流的非周期分量幅值為Imsin(α-φ)-Impsin(αφk),衰減時(shí)間常數(shù)為T(mén)a=L/R。電流工頻分量幅值,直流分量衰減起始值及衰減速度是影響直流偏置最直接的因素。一般情況下,電抗器的電感與電阻值之比變化不大,因此直流分量衰減速度大致固定。影響直流偏置的因素主要為電流工頻與直流分量的幅值,當(dāng)直流分量的幅值大于工頻分量時(shí)合閘后線(xiàn)路電流的不過(guò)零時(shí)間較長(zhǎng);線(xiàn)路空充電流的工頻分量越大,合閘過(guò)程中產(chǎn)生的直流偏置越小越有利于合閘后電流快速出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)。

在輸電工程實(shí)際中,可通過(guò)裝設(shè)合閘電阻,控制合閘初相位,調(diào)整補(bǔ)償度等手段,削弱線(xiàn)路合閘電流的直流偏置。

3.2.1 合閘電阻

500 kV德博I回線(xiàn)德宏側(cè)斷路器帶400 Ω合閘電阻,輔助觸頭接入時(shí)間為10 ms,帶高抗空載合閘,線(xiàn)路三相電流波形如圖3所示。

斷路器加裝合閘電阻后,增大了滅弧室弧道回路阻尼,合閘電阻接入的時(shí)間內(nèi)有效降低了斷路器電流直流偏置分量的衰減起始值,并且縮短了合閘后電流首次過(guò)零的時(shí)間。由圖4可見(jiàn),A、C相電流雖然都出現(xiàn)直流偏置,但充電電流始終都存在過(guò)零點(diǎn),可保證斷路器在短時(shí)內(nèi)接到分閘命令后能及時(shí)開(kāi)斷。

3.2.2 串聯(lián)補(bǔ)償裝置

500 kV德博I回線(xiàn)路串聯(lián)補(bǔ)償按50%的補(bǔ)償度,三相額定容量620 Mvar,額定電容112.34 μF進(jìn)行補(bǔ)償,線(xiàn)路帶高抗空載合閘,三相電流波形如圖4所示。對(duì)帶串補(bǔ)的線(xiàn)路,在合閘前投入工作狀態(tài)的串補(bǔ)裝置,直流偏置可以得到很好的削弱。

圖3 帶合閘電阻三相同期空載合閘

圖4 帶串補(bǔ)三相同期空載合閘

3.2.3 合閘初相位

以A相為合閘初相角參考相,分別以德宏側(cè)電源相角0°、45°、90°、180°作為合閘初相位,進(jìn)行500 kV德博I回線(xiàn)空載合分操作的仿真計(jì)算,得到三相電流波形如圖5。

圖5 不同初相角下空載合-分操作電流波形

由圖5可見(jiàn),三相電流隨合閘初始相位的不同存在不同程度的零偏。在相位為0°或180°(電流瞬時(shí)值過(guò)零)時(shí)刻合閘,產(chǎn)生的直流分量幅值最大,在相位為90°(電流瞬時(shí)值為峰值)時(shí)刻合閘,產(chǎn)生的直流分量幅值最小。因此通過(guò)合閘相位控制可有效控制直流分量衰減的起始值,使合閘時(shí)直流風(fēng)量幅值小于交流分量,達(dá)到削弱直流偏置的目的[7-9]。

3.2.4 并聯(lián)補(bǔ)償度

直流分量的大小與合閘相位有關(guān),而直流分量是否造成電流沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)并引發(fā)斷路器不能熄弧的風(fēng)險(xiǎn),與交流分量的大小有關(guān),當(dāng)直流分量的幅值超過(guò)交流分量時(shí),則上訴風(fēng)險(xiǎn)可能發(fā)生。交流分量的大小等于經(jīng)電抗器補(bǔ)償后線(xiàn)路剩余的空充電流,因此降低并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償度,增加空充電流的交流分量,對(duì)降低直流偏置的風(fēng)險(xiǎn)有積極作用。按照500 kV德博I回線(xiàn)路空載合閘前,兩側(cè)高抗都退出和僅退出德宏側(cè)高抗設(shè)置初始工況,兩初始工況合分閘初始相位相同,進(jìn)行德宏側(cè)空載合分操作仿真計(jì)算,線(xiàn)路電流波形如圖6。

圖6 高抗退出時(shí)線(xiàn)路空載合分操作電流波形 (單位：kA)

由圖6可見(jiàn),兩側(cè)都帶高抗線(xiàn)路,在空載合閘操作前僅退出一側(cè)高抗,對(duì)三相電流的零偏就能起到很好的削弱作用,三相電流始終有過(guò)零點(diǎn)。如果空載操作前兩側(cè)高抗都退出,在發(fā)生故障開(kāi)關(guān)跳開(kāi)時(shí),線(xiàn)路與高抗之間不構(gòu)成回路,線(xiàn)路電荷無(wú)法通過(guò)對(duì)地電容與高抗之間的自激振蕩衰減釋放,將產(chǎn)生持續(xù)的過(guò)電壓 (圖7)。因此,僅退出一側(cè)高抗是更安全合理的方式。

圖7 高抗退出時(shí)線(xiàn)路空載合分操作電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

帶高抗線(xiàn)路投切時(shí)相電流的直流偏置大小與合閘相角、線(xiàn)路參數(shù)、補(bǔ)償度等諸多因素有關(guān),但并非理論分析中的影響因素都能在實(shí)際設(shè)備上實(shí)施并取得成效,在實(shí)際中可考慮采取的帶高抗長(zhǎng)線(xiàn)路投切時(shí)直流偏置抑制措施主要包括幾點(diǎn)：

1)裝設(shè)帶有合閘電阻的斷路器,合閘電阻增大了滅弧室弧道回路阻尼,有效降低直流分量衰減起始值,同時(shí)縮短了合閘后電流首次出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間。

2)對(duì)帶串聯(lián)補(bǔ)償裝置的線(xiàn)路,在線(xiàn)路合閘或重合閘操作之前投入串補(bǔ)。

3)增大合閘時(shí)交流分量的幅值,通過(guò)降低并聯(lián)補(bǔ)償度,線(xiàn)路合閘操作前部分退出兩側(cè)的高壓并聯(lián)電抗器。

4)削弱合閘時(shí)直流分量的幅值,通過(guò)合閘相位控制策略實(shí)現(xiàn)在峰值時(shí)刻合閘。

[1] 王劍,朱蕓.500 kV輸電線(xiàn)路斷路器合閘電阻配置原則[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008(19).

[2] 曹煒,王永生,張文青,等.電力系統(tǒng)短路電流直流分量及其對(duì)斷路器開(kāi)斷能力的影響 [J].電網(wǎng)技術(shù),2012 (3).

[3] 周沛洪,戴敏,婁穎,等.交流1 000 kV斷路器開(kāi)斷電流的直流分量時(shí)間常數(shù)與零偏現(xiàn)象 [J].高電壓技術(shù), 2009,35(4)：722-730.

[4] 李君明,臧狀,徐建源,等.兩起500kV斷路器重合失敗分析 [J].東北電力技術(shù),2013(5).

[5] 林集明,顧霓鴻,項(xiàng)祖濤,等.特高壓系統(tǒng)中的短路電流直流分量與零點(diǎn)漂移 [J].電網(wǎng)技術(shù),2006(24).

[6] DL620-1997.交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[7] 李雨,徐黨國(guó).應(yīng)用相控合閘技術(shù)抑制并聯(lián)補(bǔ)償線(xiàn)路斷路器直流偏置問(wèn)題的研究 [J].高壓電器,2013,49(2)：103-109.

[8] 婁殿強(qiáng),姚其新.斷路器的相位控制技術(shù)及應(yīng)用 [J].高壓電器,2008,44(4)：353-355.

[9] 楊濤,曹繼豐.云廣直流工程合閘角控制欲斷路器操作配合 [J].南方電網(wǎng)技術(shù),2011(5)：46-48.

Research on DC Offset in Closing Operation of Transmission Lines with Shunt Reactors

HUANG Ran,ZHAO Xianping,MA Yi,PENG Zhaoyu,ZHANG Gongyuan,XIANG Enxin
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

DC component in current of circuit breaker and its influencing factors during transmission line closing operation are analyzed in this paper.Based on the parameters of 500 kV Dehong-Boshang I transmission line,PSCAD over-voltage simulation model is built.The extinction effect from closing resistor,Series compensation,closing phase and parallel compensation degree to DC component in current of circuit breaker are simulation calculated.Based on this,reasonable measures for preventing the failure risks of circuit break brought by DC offset are put forward.

DC offset;shunt reactors;circuit breaker;no-load closing;closing resistor

TM75

B

1006-7345(2014)01-0082-04

2013-08-19

黃然 (1986),女,碩士,工程師,云南電網(wǎng)公司電力研究院,主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備外絕緣及電力系統(tǒng)過(guò)電壓 (email)ynsy_hr@126.com。

摘要詞：直流偏置;并聯(lián)電抗器;斷路器;空載合閘;合閘電阻