陶冶
(江蘇科能電力工程咨詢有限公司,江蘇南京210036)
同塔雙回線路可減少線路走廊的占用,節(jié)省投資的同時滿足大容量輸電要求。目前國內(nèi)同塔雙回線路越來越多,電壓等級也越來越高。同塔雙回線路的主要問題在于運行線路和停運線路之間的感應(yīng)電壓、電流問題,文獻[1]也對接地開關(guān)開合感應(yīng)電壓電流做了相關(guān)的要求。目前對同塔雙回線路感應(yīng)電壓電流計算的理論分析已較為成熟[2,3]。
在2條或多條同塔或鄰近平行布置的架空輸電線路中,當某一回或幾回線路停電后,它與相鄰線路之間由于電容和電感的耦合效應(yīng),在停電的回路上將產(chǎn)生感應(yīng)電壓及感應(yīng)電流[4]。如圖1所示,A,B,C分別為運行線路的三相,a,b,c 分別為檢修線路的三相和分別為運行線路ABC三相與檢修線路a相之間單位長度互電容和互電感,C0和L為檢修線路a相單位長度對地電容和電感,l為線路長度,運行線路各相運行電壓、電流分別為根據(jù)檢修線路兩端接地刀閘的4種不同狀態(tài)[2],對檢修線路a相感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流進行分析。
圖1 同塔雙回線路感應(yīng)電壓電流
(1)檢修線路兩側(cè)刀閘均不接地。則a相靜電感應(yīng)(容性)電壓為:
由式(1)可知,容性感應(yīng)電壓與線路電容參數(shù)有關(guān),由于線路運行電壓變化很小,因此線路電容參數(shù)一定的情況下,容性感應(yīng)電壓與線路運行電壓成正比,而與線路長度和輸送潮流無關(guān)。
(2)檢修線路一側(cè)刀閘接地,另一側(cè)不接地。則a相接地端的靜電感應(yīng)(容性)電流和不接地端的電磁感應(yīng)(感性)電壓分別為:
由式(2)可知,電磁感應(yīng)電壓與線路電感參數(shù)有關(guān),而且與運行線路電流(即輸送潮流)和線路長度成正比。
由式 (3)可知靜電感應(yīng)電流與線路的電容參數(shù)有關(guān),而且與線路長度和運行線路的電壓成正比,與運行線路的潮流無關(guān)。
(3)檢修線路兩側(cè)均接地。則a相電磁感應(yīng)(感性)電流為:
由式(4)可知,電磁感應(yīng)電流與線路的電感參數(shù)有關(guān),而且與運行線路的輸送潮流成正比,與線路長度和運行線路的電壓無關(guān)。
高壓送電線路的電氣參數(shù)(單位長度電阻R、電感L和電容C)與導(dǎo)地線的截面、布置及桿塔幾何尺寸有關(guān),因此對于同塔雙回線路的感應(yīng)電壓、電流計算,關(guān)鍵在于建立正確的線路模型,文中介紹的ATP-EMTP,EMTPEEMTS,MATLABSimulink 3個仿真軟件都有同塔雙回甚至多回的線路模型,可以實現(xiàn)對同塔雙回線路感應(yīng)電壓和電流的仿真計算。
ATP-EMTP在全世界擁有最多的用戶,是目前國際上主流的EMTP程序[5]。ATP-EMTP配套有圖形輸入程序ATPDraw,目前最新版本是6.0。使用ATPDraw的LCC模型可以方便地構(gòu)建同塔雙回線路模型。LCC模型的Model選項卡主要有線路形式選擇 (架空線路Overhead Line或者電纜Single Core Cable)、集膚效應(yīng)(Skin effect)、 線路模型(Bergeron,Pi,Jmarti,Sem lyen或 Noda)、線路長度(Length)、大地電阻率(Rho)初始頻率(Freg.init)、同塔線路的相數(shù)(#Ph,文中討論同塔雙回線路,填入數(shù)字6即表示雙回路的6相導(dǎo)線)等。在LCC模型的Data選項卡依次填入線路相數(shù)(Ph.no.)、導(dǎo)線內(nèi)外徑 (Rin、Rout)、 直流電阻 (Resis)、 導(dǎo)線水平位置(Horiz)、垂直位置(Vtower)、中央檔距高度(Vm id)、分裂導(dǎo)線數(shù)(NB)、分裂間距(Separ)、分裂角(A lpha)等,再點擊“RunATP”,程序?qū)⒆詣由稍摼€路的R,L,C參數(shù)。
EMTPE是由中國電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所在EMTP基礎(chǔ)上進一步研究開發(fā)改進而成,該程序新增了元件模型,同時采用了新的算法,以解決EMTP仿真中出現(xiàn)的問題。EMTS是與EMTPE完全兼容的圖形化仿真平臺,可實現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真模型的圖形建模、仿真計算。EMTPEEMTS的最新版本是2.0版。EMTS 2.0的線路模型的輸入為全中文界面,參數(shù)輸入簡單直觀,非常適合初學(xué)者。用戶可以在線路模型圖形化輸入對話框的界面設(shè)置線路回數(shù)、線路長度、導(dǎo)地線直徑、直流電阻、集膚系數(shù)、桿塔尺寸等數(shù)據(jù)。線路參數(shù)輸入后程序自動生成線路結(jié)構(gòu)參數(shù)表,再點擊“生成模型輸入數(shù)據(jù)”即可生成雙回線路的R,L,C參數(shù)。
MATLABSimulink具有完整的專業(yè)體系和先進的設(shè)計開發(fā)思路[6],每年的上、下半年各更新一次,目前最新版為2014b版。在MATLAB工作空間輸入power_lineparam命令即可進入線路模型參數(shù)輸入工具的界面,輸入的參數(shù)主要有導(dǎo)、地線的相數(shù)(Phase)、水平位置 (X)、垂直位置 (Y tower)、檔距中央位置(Y min)、直徑(outside diameter)、集膚效應(yīng)(T/D ratio)、直流電阻(DC resistance)、分裂數(shù)(Number of conductors perbundle)、分裂角(Angleof conductor),參數(shù)輸入完成后點擊“ComputeRLC lineparameters”即可生成線路的R,L,C 參數(shù)。
仿真計算的220 kV同塔雙回線路參數(shù)如下:線路全長20 km且不換位,導(dǎo)線型號為LGJ-2×400,最大輸送潮流520MV·A。雙分裂導(dǎo)線的分裂間距為500mm,導(dǎo)線弧垂取15m,大地電阻率取100Ω·m。線路采用π型模型,桿塔參數(shù)及布置如圖2所示。
圖2 雙回線路塔型布置圖
采用上述3種仿真軟件計算結(jié)果如表1所示。
表1 感應(yīng)電壓電流仿真計算結(jié)果
從表1來看,ATP-EMTP和EMTPEEMTS計算結(jié)果比較接近,MATLABSimulink計算值略偏大,計算結(jié)果的差異主要來自于軟件算法的不同。
此外,通過改變線路長度和輸送潮流可以看到感應(yīng)電壓和電流均按式(1—4)所述相應(yīng)的正比規(guī)律變化,如圖3—6所示??梢?種軟件都能夠正確實現(xiàn)同塔雙回線路感應(yīng)電壓電流的計算。
圖3 感性感應(yīng)電壓和線路長度的關(guān)系
圖4 感性感應(yīng)電壓和輸送功率的關(guān)系
圖5 容性感應(yīng)電流和線路長度的關(guān)系
圖6 感性感應(yīng)電流和輸送功率的關(guān)系
采用3種仿真軟件對220 kV同塔雙回線路的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流進行了計算。從計算結(jié)果來看,3種方法都能夠滿足工程實際計算需要,同時又有各自的特點和適用范圍。ATP-EMTP是國際公認的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的標準程序,計算結(jié)果權(quán)威,在電力系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和較高的認可度,該軟件 (包括ATPDraw的元件庫及幫助文件)為全英文界面,對初學(xué)者入門有一定的難度,因此主要適用于英文基礎(chǔ)較好,且對電磁暫態(tài)理論掌握較為熟練的工程專業(yè)技術(shù)人員。EMTPEEMTS是中國電科院在EMTP基礎(chǔ)上開發(fā)的全中文界面軟件,上手較為容易,該軟件以EMTP為核心,但在算法上做了一定的改進,計算速度和準確度都有所提高,其計算結(jié)果在國內(nèi)電力系統(tǒng)領(lǐng)域也具有權(quán)威性,若以工程實際應(yīng)用為主,推薦采用該軟件。MATLABSimulink雖不是電力系統(tǒng)專用軟件,目前主要做為電力系統(tǒng)理論教學(xué)軟件應(yīng)用于高校電氣專業(yè),但該軟件模塊搭建方便,界面友好,除了可以用Simulink對本文算例進行計算以外,還可以借助MATLAB強大的矩陣運算能力對同塔雙回線路R,L,C矩陣進行處理,通過編程計算感應(yīng)電壓和電流。該方法能夠利用MATLAB提供的圖形用戶界面 (GUI)改變線路長度、輸送功率進行調(diào)試。因此,該軟件且適用于對編程有一定基礎(chǔ)的工程技術(shù)人員進行電力系統(tǒng)理論研究。
綜上所述,ATP-EMTP和EMTPEEMTS是電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算專用程序,在算法上進行了相應(yīng)的優(yōu)化,因此計算精度和速度均要略優(yōu)于MATLABSimulink,但后者的計算誤差仍能滿足工程設(shè)計的需要,同時MATLABSimulink的矩陣處理和可編程功能是其進行電力系統(tǒng)各種仿真的優(yōu)勢所在,因此在實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的方法進行仿真計算。
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[3]謝金泉,李曉華,戴美勝.500 kV同桿雙回輸電線路感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓研究[J].華東電力,2013,03(41):602-606.
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