尹元明，謝天喜 ，周志成

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103)

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)的短路電流水平日益提高，已經(jīng)成為制約電網(wǎng)發(fā)展的重要因素之一[1]。根據(jù)“2015～2020年江蘇500 kV 電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃研究報告”的規(guī)劃網(wǎng)架和短路電流計(jì)算，“十二五”末至“十三五”期間，江蘇電網(wǎng)在采取目前已有的控制方式后，500 kV 石牌—常熟南線路的短路電流將超過斷路器的額定短路電流開斷水平，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗贫搪冯娏?。限制電網(wǎng)短路電流主要是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和提高電網(wǎng)設(shè)備容量兩個方面，包括提高電網(wǎng)電壓等級、優(yōu)化電網(wǎng)接線方式、采用串聯(lián)電抗器、高阻抗變壓器等。上述方法各有特點(diǎn)，其中采用串聯(lián)電抗器是一種技術(shù)較為成熟、工程實(shí)施可行性高且經(jīng)濟(jì)成本相對較低的措施[2]。目前國外已有巴西、美國、加拿大等多國應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)。在國內(nèi)，華東電網(wǎng)也于2008年在500 kV 泗涇—黃渡線上安裝了串聯(lián)電抗器，限制了電網(wǎng)短路電流水平，是500 kV 串聯(lián)電抗器在國內(nèi)的首次應(yīng)用[3]。

為抑制石牌變電站的短路電流，江蘇電網(wǎng)擬在線路的石牌變電站側(cè)安裝串聯(lián)電抗器。然而，由于串聯(lián)電抗器的存在，斷路器開斷線路短路電流時，電抗器和設(shè)備雜散電容、線路分布電容間將出現(xiàn)振蕩，從而在斷路器斷口產(chǎn)生高頻、高幅的暫態(tài)恢復(fù)電壓（TRV），導(dǎo)致斷路器重燃而無法正常開斷，危及線路和設(shè)備的安全運(yùn)行[4，5]。為防止該線路加入串抗后斷路器TRV 超過其絕緣水平，需要對不同故障下的TRV 進(jìn)行研究，以便采取相應(yīng)的措施抑制TRV。

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及模型

江蘇電網(wǎng)500 kV 石牌—常熟南線路為雙回線，總長約30 km，導(dǎo)線采用四分裂LGJ-400/35 型鋼芯鋁絞線，分裂間距為45 cm，地線采用LLBJ-95/55 型，該線路相關(guān)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。串聯(lián)電抗器采用干式空心結(jié)構(gòu)，阻抗為28 Ω，安裝于石牌變出線端。以實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電站及線路參數(shù)為基礎(chǔ)，將與石牌站、常熟南站相連的變電站均等值為電源，石牌—常熟南雙回線路采用分布阻抗模型，其他站與站之間的線路等值為集中參數(shù)阻抗，運(yùn)用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真計(jì)算軟件ATP/EMTP 建立模型對斷路器TRV 進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖1 江蘇電網(wǎng)500 kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖

2 斷路器TRV 分析

斷路器TRV 是指斷路器電弧熄滅后，在斷路器觸頭上出現(xiàn)的具有顯著瞬變特性的恢復(fù)電壓。該電壓取決于回路和斷路器的特性，由工頻分量和暫態(tài)分量疊加而成。TRV的波形隨著實(shí)際回路的布置變化而不同。在某些情況下，特別是在電壓110 kV 及以上的系統(tǒng)中，且短路電流相對于所考慮地點(diǎn)的最大短路電流而言是比較大的，TRV 包括一個高上升率的起始階段，隨之而來的較低上升率的階段。這種波形一般可以用四參數(shù)法確定的3 條線段組成的包絡(luò)線充分地表示，如圖2 所示[6]。圖中曲線拐點(diǎn)處參數(shù)如表1 所示。

圖2 用四參數(shù)參考線對規(guī)定的TRV 波形的表示

表1 用四參數(shù)法表示的額定電壓550 kV預(yù)期TRV的標(biāo)準(zhǔn)值

在系統(tǒng)電壓高于110 kV 而短路電流相對于最大短路電流較小且經(jīng)過變壓器供電的條件下，TRV 近似于一種阻尼的單頻振蕩。這種波形一般可以用兩參數(shù)法確定的2 條線段組成的包絡(luò)線充分地表示，如圖3所示。圖中曲線拐點(diǎn)處參數(shù)如表2 所示。

圖3 用兩參數(shù)參考線對規(guī)定的TRV 波形的表示

表2 用兩參數(shù)法表示的額定電壓550 kV預(yù)期TRV的標(biāo)準(zhǔn)值

計(jì)算結(jié)果表明，石牌側(cè)安裝串聯(lián)電抗器后，線路單相接地故障下，石牌側(cè)最大短路電流為9.26 kA；三相接地故障下，石牌側(cè)最大短路電流為13.35 kA?？梢?，石牌—常熟線路接地故障電流約為斷路器額定開斷短路電流63 kA的21%，相對較小，因而本文計(jì)算參照兩參數(shù)表示法標(biāo)準(zhǔn)，即斷路器TRV 波形在兩參數(shù)表示法包絡(luò)線之內(nèi)時滿足要求。

2.1 單相接地故障下TRV 分析

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，超高壓輸電線路發(fā)生故障的時候，60%～70%為單相接地故障，因而有必要針對單相接地故障下斷路器的TRV 進(jìn)行研究。當(dāng)單相接地故障發(fā)生在不同位置時，因線路阻抗變化，會導(dǎo)致TRV 有所區(qū)別。針對石牌側(cè)串抗出線端、石牌側(cè)近區(qū)（3 km）、線路中點(diǎn)和常熟側(cè)出線端4個位置發(fā)生故障進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)單相接地故障發(fā)生在串抗出線端時，石牌側(cè)斷路器TRV 如圖4（a）所示，此時TRV 較為嚴(yán)重，幅值達(dá)到約為775 kV，振蕩頻率約50 kHz，上升率為12 kV/μs；常熟側(cè)斷路器TRV 如圖4（b）所示，該側(cè)電壓幅值約600 kV，上升率約為2.5 kV/μs，可見常熟側(cè)TRV 滿足兩參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 串抗出線端發(fā)生單相接地故障時TRV

單相接地故障發(fā)生在不同位置時石牌側(cè)斷路器TRV 情況如表3 所示。由表3 可知，當(dāng)石牌側(cè)串抗出線端發(fā)生接地故障時，因沒有線路阻抗限制其振蕩電壓，石牌側(cè)斷路器TRV 最為嚴(yán)重；隨著故障位置向常熟側(cè)移動，石牌側(cè)TRV 幅值逐漸降低，但始終不滿足兩參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在實(shí)際運(yùn)行過程中可導(dǎo)致斷路器重燃，無法正常開斷，因而需要采取措施對其進(jìn)行抑制。

表3 單相接地故障發(fā)生在不同位置時石牌側(cè)斷路器TRV

2.2 TRV 抑制措施分析

由于TRV 是由串抗與線路電容互相充放電產(chǎn)生振蕩，根據(jù)LC 振蕩回路基本原理可知，增大電容可以降低振蕩頻率，因而可以在串抗上并聯(lián)電容器以降低恢復(fù)電壓上升率，抑制斷路器TRV，安裝方式如圖5所示。

圖5 串抗兩端并聯(lián)電容器接線示意圖

當(dāng)電容值為10～50 nF時，斷路器TRV 如表4 所示，串抗上并聯(lián)電容后，由于電容器的儲能作用，振蕩回路內(nèi)能量增加，使斷路器TRV 幅值略有增大。當(dāng)電容值大于或等于35 nF時，斷路器TRV 可滿足兩參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖6 所示。

表4 單相接地故障下串抗并聯(lián)不同電容時石牌側(cè)斷路器TRV

圖6 串抗兩端并聯(lián)35 nF 電容器時石牌側(cè)斷路器TRV

3 結(jié)束語

基于江蘇500 kV 網(wǎng)架實(shí)際參數(shù)建立仿真模型，計(jì)算線路安裝串聯(lián)電抗器后斷路器的TRV，提出相應(yīng)的抑制措施并進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）石牌側(cè)安裝串聯(lián)電抗器后，該側(cè)斷路器TRV幅值和上升率較高，且隨故障位置不同有所差異，串抗出線端故障時最為嚴(yán)重，此時TRV 恢復(fù)電壓幅值為775 kV，上升率為12 kV/μs，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要采取措施加以抑制。

（2）在串聯(lián)電抗器上并聯(lián)35 nF 以上的電容器可有效抑制石牌側(cè)TRV，使恢復(fù)電壓上升率降低至5 kV/μs，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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