張羽翔

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局,昆明 650011)

直流線路對(duì)同塔架設(shè)交流線路的影響

張羽翔

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局,昆明 650011)

本文采用PSCAD-EMTDC電磁暫態(tài)軟件建立了交直流輸電系統(tǒng)和同塔輸電模型,研究了交直流線路在同塔輸電時(shí)直流輸電線路發(fā)生單極接地故障條件下的交直流線路過(guò)電壓水平變化及其影響。仿真并分析了交流輸電線路不同排列方式,是否換位對(duì)交直流線路過(guò)電壓的影響。經(jīng)過(guò)仿真和數(shù)據(jù)分析,得出了以上因素下交直流線路在直流故障情況下的過(guò)電壓的大小及其變化趨勢(shì),并且分析了過(guò)電壓發(fā)生變化的原因。

直流高壓輸電；交直流同塔架設(shè)；PSCAD電磁暫態(tài)仿真

0 前言

我國(guó)現(xiàn)有輸電線路多為交流輸電,同交流輸電相比,直流輸電線路造價(jià)低,桿塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,線路所占走廊資源較少,輸電能耗較小,直流輸電系統(tǒng)兩端的交流系統(tǒng)不需要同步運(yùn)行,因此可用以實(shí)現(xiàn)不同頻率或相同頻率交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)系。此外直流輸電線路的功率和電流的調(diào)節(jié)控制較為容易且迅速,可以良好的實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)和控制。我國(guó)的高壓直流輸電自1987年舟山直流輸電工程而起,到現(xiàn)在已有多條線路投入運(yùn)行,高壓直流輸電在我國(guó)西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中將起重要作用。既然直流輸電線路在現(xiàn)今條件下有諸多優(yōu)勢(shì),改建和架設(shè)直流線路自然可以提高線路傳輸效率。

但在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),輸電走廊資源緊缺,新線路的架設(shè)成本越來(lái)越高,工程的實(shí)施愈加困難。提高電能供應(yīng)已不能僅通過(guò)擴(kuò)建電站,廣架線路來(lái)實(shí)現(xiàn)。從而提高電能傳輸水平應(yīng)向提高電能傳輸科技含量的集約型方向發(fā)展。

本文運(yùn)用電磁暫態(tài)軟件PSCAD-EMTDC建立交直流同塔輸電的仿真模型,運(yùn)用仿真模型,模擬交直流同塔輸電線路在直流不同運(yùn)行方式下的過(guò)電壓及對(duì)其同塔架設(shè)的輸電線路的影響。

利用仿真模型,實(shí)現(xiàn)交直流線路在不同導(dǎo)線布置方式、換位方式下的操作過(guò)電壓對(duì)同塔線路的影響。最后,對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié),對(duì)不同影響因素對(duì)同塔輸電線路過(guò)電壓影響進(jìn)行評(píng)估。

1 PSCAD仿真模型

模型中規(guī)劃使用±800 kV雙極直流輸電線路和500 kV雙回交流輸電線路。其線路圖如圖1所示：

圖1 ±800 kV直流與雙回500 kV交流同塔輸電線路

1.1 交流輸電系統(tǒng)模型

500 kV交流輸電線路模型如下圖所示：

圖2 交流輸電模型

采用雙端電源模型,首端電源為525 kV,末端電源為500 kV。交流輸電線路輸送功率為1 850 MW,功率因數(shù)為0.95,線路平均電壓為525 kV,首端電壓取電網(wǎng)電壓的105%,短路電流以10～60 kA考慮。交流輸電線路使用4分裂導(dǎo)線,分裂間距為450 mm,500 kV線路避雷器選擇額定電壓為444 kV。

1.2 直流輸電系統(tǒng)模型

直流系統(tǒng)電壓為800 kV采用雙極運(yùn)行方式,其線路長(zhǎng)度為1 100～1 800 km,整流側(cè)直流電壓為816 kV,雙極正常輸送功率為6 400 MW,單極最高連續(xù)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行功率為3 200×1.1 MW。交流輸電線路采用6分裂導(dǎo)線,分裂間距同為450 mm。其線路相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 ±800 kV直流輸電線路導(dǎo)地線參數(shù)

高壓直流輸電因其整流與逆變的復(fù)雜性,仿真模型建立在CIGRE標(biāo)準(zhǔn)直流模型基礎(chǔ)上。為實(shí)現(xiàn)800 kV輸電,串聯(lián)兩個(gè)CIGRE標(biāo)準(zhǔn)直流模型。PSCAD中整流部分模型如圖5所示：

圖3 換流閥

圖4 直流濾波器

圖5 直流換流閥模型

如圖6中,采用雙極兩端中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式,所示部分為整流側(cè),中性點(diǎn)用0.5 Ω電阻接地。雙極直流的出線端加裝了平波電抗器,使用150 mH的電感。圖3所示即為CIGRE標(biāo)準(zhǔn)直流模型的換流閥模塊,圖5中每極串聯(lián)兩個(gè)此模塊。在圖5的出線上除了加裝平波電抗器,還裝有直流濾波器以及避雷器。直流濾波器使用了12/24和12/36雙調(diào)諧波濾波器,濾波器的相關(guān)參數(shù)如圖4所示。經(jīng)過(guò)查閱資料 [1],設(shè)定了圖4中線路避雷器的額定電壓為920 kV。

以下附上直流系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)的整體仿真模型：

圖6 整流站模型

圖7 逆變站模型

直流輸電線路采用雙極輸電,輸電線路僅有兩條,其桿塔布置相對(duì)交流簡(jiǎn)單。在非同塔段,直流桿塔采用羊角塔,其導(dǎo)線布置方式如圖8所示。

圖8 直流線路塔型

1.3 同塔段輸電模型

PSCAD中考慮線路頻率參數(shù)的頻率相關(guān)模型可以在相位范圍內(nèi)直接求解換位問(wèn)題?？梢詼?zhǔn)確模擬傳輸線路的各個(gè)結(jié)構(gòu),以及不平衡的幾何結(jié)構(gòu)。從而在多數(shù)仿真中,頻率相關(guān)模型為輸電線路時(shí)域分析首選。本文中的同塔段仿真即使用了頻率相關(guān)模型。

同塔輸電段的模型設(shè)定即將交流與直流輸電系統(tǒng)模擬于同一段輸電線路上,由兩個(gè)PSCAD輸電線路模型實(shí)現(xiàn),中間部分加裝電流與電壓監(jiān)測(cè)模塊以及直流故障模擬點(diǎn),由于交流線路和直流線路在同一輸電線路模型上,線路頻率根據(jù)文獻(xiàn) [2]設(shè)定為0.000 1 Hz,其PSCAD模型如下圖所示：

圖9 同塔輸電模型

2 交流塔型變化和換位仿真結(jié)果

2.1 交流塔型變化及其仿真情況

2.1.1 交流線路仿真用塔型

在整個(gè)仿真模型中,交流桿塔使用了兩種塔型：一種為三相交流線路三角形排列,另一種為豎直排列。在單獨(dú)的交流輸電段,桿塔使用了豎直排列,其形狀大致為鼓型,其排列方式如圖3所示。但在同塔段,預(yù)定為兩種塔型進(jìn)行仿真分析,即豎直排列和三角形排列。同塔段三角形排列如圖10所示,同塔豎直排列如圖11所示。

圖10 同塔輸電交流三角排列塔型

圖11 同塔輸電交流豎直排列塔型

2.1.2 交流線路豎直塔型仿真數(shù)據(jù)分析

在交流線路同塔段使用豎直塔型進(jìn)行仿真時(shí),同樣設(shè)置的參數(shù)為交流線路長(zhǎng)度150 km,直流線路全長(zhǎng)為1 600 km,在其線路長(zhǎng)度的90%即1 440 km處為同塔段架設(shè)段,交流同塔段始于60 km處。同塔架設(shè)段總長(zhǎng)為90 km,在正極直流線路同塔架設(shè)的中點(diǎn)模擬了單極接地故障,由仿真所得相關(guān)電壓波形圖如以下所示。

在圖12中,可以看出交流線路過(guò)電壓水平與直流線路故障時(shí)交流各相所處相位有關(guān),本例中將故障時(shí)刻設(shè)置為B相電壓峰值時(shí)刻。雖然A相離直流線路較近,但B相的過(guò)電壓水平最高,其過(guò)電壓水平達(dá)到1.69 p.u.。A相過(guò)電壓水平第二,為1.15 p.u.,C相其次,為1.23 p.u.。A相與C相的過(guò)電壓波動(dòng)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng),而B(niǎo)相的過(guò)電壓峰值較高,但振蕩相對(duì)較小。

圖13所示為同一時(shí)刻的直流電壓波形圖。由圖可以看出,圖中所示正極直流線路模擬單極接地故障,由于整流側(cè)換流閥觸發(fā)角迅速移相至逆變方式運(yùn)行,故障極線上的電荷從線路兩側(cè)換流站交流側(cè)泄放,其電壓在一個(gè)時(shí)期內(nèi)降為零。負(fù)極直流輸電線路由于受到故障相的影響,產(chǎn)生了較大的過(guò)電壓,其過(guò)電壓達(dá)到1.38 p.u.的水平。波動(dòng)結(jié)束后趨于平穩(wěn),和初始電壓等級(jí)相差不大,但還是有微小的紋波。

圖12 同塔段雙回交流導(dǎo)線豎直排列交流電壓波形圖

圖13 同塔段雙回交流導(dǎo)線豎直排列直流電壓波形圖

2.1.3 交流線路三角形塔型數(shù)據(jù)分析

在交流線路同塔段使用三角形塔型進(jìn)行仿真時(shí),設(shè)定交流線路全長(zhǎng)150 km,直流線路全長(zhǎng)1 600 km,在直流1 440 km處開(kāi)始同塔架設(shè),交流則始于60 km。同塔段總長(zhǎng)度為90 km,在直流正極線路上模擬單相接地故障,所得電壓波形如圖所示。

圖14中,過(guò)電壓水平最高相同樣為B相,達(dá)到1.65 p.u.。其余A相和C相也有所波動(dòng),但過(guò)電壓水平較低,A相為1.10 p.u.,C相為0.56p.u.。B相的波動(dòng)在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生較大的峰值,然后在三個(gè)周期內(nèi)波動(dòng)趨于緩和,最大過(guò)電壓相的持續(xù)時(shí)間較短。A相和C相過(guò)電壓等級(jí)較低,但持續(xù)了一定的時(shí)間,而且在一定的時(shí)間內(nèi),其過(guò)電壓水平緩慢變化。

圖14 交流桿塔三角形架設(shè)交流電壓波形

圖15為雙極直流線路電壓波形圖,其波形大致與豎直架設(shè)時(shí)類(lèi)似。還是在正極直流輸電線路模擬了單相接地故障,正極電壓先降至零值。其后由于線路間的耦合作用,故障線路亦產(chǎn)生耦合電壓。其耦合電壓的產(chǎn)生經(jīng)過(guò)了一定的波動(dòng),但其波動(dòng)峰值不超過(guò)最終的穩(wěn)態(tài)值。正常運(yùn)行極過(guò)電壓情況與豎直架設(shè)時(shí)類(lèi)似,過(guò)電壓最大達(dá)到1.39 p.u.。

圖15 交流桿塔三角形架設(shè)直流電壓波形

2.1.4 交流線路不同塔型數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比交流線路塔型變化后的過(guò)電壓數(shù)據(jù),直流線路健全極過(guò)電壓等級(jí)受塔型變化影響較小,但交流線路過(guò)電壓受塔型變化影響較大。比較各相的過(guò)電壓等級(jí),三角形架設(shè)時(shí) B相為 1.65 p.u.,A相位1.10 p.u.,C相為0.56 p.u.。豎直形架設(shè)時(shí)B相為1.69 p.u.,A相和C相為1.15 p.u.和1.23 p.u.。各相過(guò)電壓水平皆高于三角形架設(shè),尤其是C相高了一倍多。原因在于三角形架設(shè)時(shí),三相電流的磁場(chǎng)容易相互抵消,可以降低線路間的相互影響。

2.2 交流輸電線路換位及其仿真情況

交流輸電線路在進(jìn)行長(zhǎng)距離輸電時(shí)會(huì)造成三相參數(shù)的不平衡,三相參數(shù)的不平衡會(huì)引發(fā)不對(duì)稱(chēng)電流,線路不對(duì)稱(chēng)電流會(huì)影響到桿塔間的電磁耦合情況。尤其是交直流線路同塔架設(shè)時(shí),交流線路由于參數(shù)不平衡引發(fā)的不對(duì)稱(chēng)電流會(huì)對(duì)交直流線路的過(guò)電壓水平造成影響。從而交直流線路在同塔架設(shè)時(shí)應(yīng)考慮到交流線路換位的問(wèn)題。

在交流輸電線路輸電時(shí),其進(jìn)行一次整換位循環(huán)和不換位相比引發(fā)的不對(duì)稱(chēng)電流前后差距達(dá)到十分之一[3]。進(jìn)行換位對(duì)消除不平衡參數(shù)的好處是十分明顯的,但換位布線較為復(fù)雜,進(jìn)行換位跳線、絕緣子串和橫擔(dān)的需求數(shù)量較多,從而增加了線路建設(shè)成本。隨著輸電線路電壓等級(jí)的提高,高壓線路由于換位困難較大,500 kV以上的高壓輸電線路有時(shí)只能采取不換位的架設(shè)方案,這樣的不換位架設(shè)就需要面對(duì)三相參數(shù)不平衡而帶來(lái)的各種問(wèn)題。

交直流線路在進(jìn)行同塔架設(shè)時(shí)其線路間的電磁耦合和電磁感應(yīng)問(wèn)題較為嚴(yán)重,同塔段如果不進(jìn)行換位,其不對(duì)稱(chēng)電流對(duì)交直流線路造成的不良影響同單獨(dú)架設(shè)交流線路相比要大很多。故同塔架設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮交流線路是否換位。

2.2.1 交流線路換位仿真模型

在進(jìn)行仿真時(shí),保持同塔段長(zhǎng)度為90 km不變,直流線路全長(zhǎng)1 600 km,在90%處即1 440 km處開(kāi)始同塔段架設(shè),交流線路采用三角形排列。在同塔段初始處模擬直流線路單極接地故障。設(shè)置交流線路在同塔段進(jìn)行了一次逆相序全換位,其具體換位方式如圖16所示：

圖16 交流線路同塔段換位方式

2.2.2 換位仿真數(shù)據(jù)分析

為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析,換位仿真前,先進(jìn)行了在直流線路長(zhǎng)度為1 600 km,同塔段長(zhǎng)度90 km,在同塔段初始處模擬直流單極接地故障的仿真,其所得交直流線路數(shù)據(jù)如下圖所示：

圖17 未換位交流電壓波形

圖18 未換位直流電壓波形

如圖17和圖18所示,交流線路未進(jìn)行換位,其交流過(guò)電壓最大相位B相,達(dá)到1.46 p.u.,直流負(fù)極線過(guò)電壓水平達(dá)到1.43 p.u.。

交流線路進(jìn)行換位時(shí),將同塔段90 km線路分為三部分,每段30 km,如圖17所示進(jìn)行三次換位,所得仿真數(shù)據(jù)如下：

圖19 換位交流電壓波形

圖20 換位直流電壓波形

經(jīng)過(guò)換位后的交直流線路電壓波形并未發(fā)生太大變化,但交流最大過(guò)電壓相B相過(guò)電壓水平為1.39 p.u.,直流負(fù)極線過(guò)電壓為1.42 p.u.。比較換為前后的數(shù)據(jù),交流線路過(guò)電壓水平明顯降低,從1.46 p.u.降到了1.39 p.u.；而直流線路過(guò)電壓水平基本未變。從而可以看出,在交流線路換位對(duì)降低交流過(guò)電壓水平有顯著的作用。其原因在于換位后交流線路的不對(duì)稱(chēng)電流減少,從而對(duì)降低交流過(guò)電壓起到了一定作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)電磁暫態(tài)仿真軟件建立模型,經(jīng)過(guò)設(shè)置仿真變量模擬了雙回500 kV交流和±800 kV直流同塔架設(shè)線路,仿真了直流線路因操作引起的過(guò)電壓以及同塔架設(shè)交流線路的感應(yīng)過(guò)電壓,并分析了各類(lèi)因素對(duì)過(guò)電壓水平的影響,得出以下結(jié)論：

I交流線路采用三角形排列時(shí),B相過(guò)電壓為1.65 p.u.,A相位1.10 p.u.,C相為0.56 p.u.,當(dāng)改為豎直排列時(shí),B相過(guò)電壓提升為 1.69 p.u.,A相和C相為1.15 p.u.和1.23 p.u.。在同塔段進(jìn)行全換位后,交流線路最大相過(guò)電壓從1.46 p.u.降為1.39 p.u.。從而可以判斷交流輸電線路在同塔段采用三角形架設(shè)和換位時(shí)可以降低交流線路在直流故障情況下的過(guò)電壓等級(jí)。

II交直流線路同塔架設(shè)時(shí),雙極直流線路的雙極接地故障比單極接地故障造成的交流和直流過(guò)電壓等級(jí)皆低,因?yàn)橹绷骶€路對(duì)稱(chēng)故障磁場(chǎng)相互抵消從而顯著降低過(guò)電壓等級(jí)。直流線路故障點(diǎn)位于同塔段中點(diǎn)時(shí)故障過(guò)電壓等級(jí)最高,離故障極較近的交流線路過(guò)電壓等級(jí)較高。

[1] 趙婉君.高壓直流輸電工程技術(shù) [M].北京：中國(guó)電力出版社,2004.

[2] Douglas A.Halamay,Katrina M.Saxby,Juan L.Bala Jr,et al.Feasibility Study of a High-Voltage DC＆AC Multi-Circuit Hybrid Transmission Line[Z].

[3] 王曉彤,林集明,班連庚,等.1 000 kV同塔雙回線路不平衡度及換位方式分析 [J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(5)：1-5.

[4] 周沛洪,修木洪,聶定珍.同廊道架設(shè)交直流線路的相互影響 [J].高電壓技術(shù),2003,29(9)：5-9.

[5] 吳桂芳,余軍,郭賢珊,等.±800 kV直流和1 000 kV交流線路同走廊時(shí)的最小接近距離研究 [J].中國(guó)電力, 2007,40(12).

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Research on Influence of DC Transmission Line on AC Transmission Line on Same Tower

ZHANG Yuxiang
(Kunming Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid,Kunming 650011,China)

This article use the PSCAD-EMTDC software to build a model of AC and DC transmission system which make the AC and DC transmission line on the same tower.Analysis the hybrid line’s overvoltage level and its trends when the DC transmission line under the single-pole ground fault.Design different arrangement modes of AC transmission line,whether the AC transmission line exchange the transposition to simulate the overvoltage of same tower system.Also make the DC transmission line on the different fault condition,different operation modes and different length to simulate the overvoltage of the single-pole ground fault of the DC transmission line.Through the model simulation and data analysis,it should draw the size and trend of transmission line’s overvoltage,and analyze the reason of the change of overvoltage.

high-voltage DC transmission；AC＆DC transmission line on the same tower；PSCAD simulation

TM75

B

1006-7345(2015)01-0124-05

2014-10-24

張羽翔 (1989),男,云南電網(wǎng)公司昆明供電局,主要從事變電運(yùn)行工作 (e-mail)yuxiang_z＠yeah..net。