(國(guó)電四川民和水電投資有限公司，四川 成都 610041)

小水電站借道接入電網(wǎng)的自勵(lì)磁分析處理

黃杉

(國(guó)電四川民和水電投資有限公司，四川 成都 610041)

目前進(jìn)行水電流域開(kāi)發(fā)的模式中，存在施工期電源電站等小水電站在后期借道干流主要發(fā)電站一同并入主網(wǎng)的情況，特殊情況下出現(xiàn)小水電站單獨(dú)帶長(zhǎng)線路的運(yùn)行方式。通過(guò)某流域施工電源電站接入電網(wǎng)的過(guò)電壓電磁分析，對(duì)流域電站開(kāi)發(fā)中消除自勵(lì)磁提出了相應(yīng)的配置措施。

小水電；自勵(lì)磁；長(zhǎng)線路

0 引 言

四川省境內(nèi)水電開(kāi)發(fā)已經(jīng)發(fā)展到遠(yuǎn)離電網(wǎng)主網(wǎng)的偏遠(yuǎn)區(qū)域。在一條河流的流域開(kāi)發(fā)中為解決施工期間的施工用電問(wèn)題，先期在流域上的支溝上建設(shè)施工電源電站成為一種常見(jiàn)的開(kāi)發(fā)方式。流域開(kāi)發(fā)后期，支溝小電站會(huì)同流域干流電站一同并入主網(wǎng)。流域干流電站裝機(jī)較大，接入電網(wǎng)時(shí)通常不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象，支溝小電站提供施工電源帶施工短線路也不容易發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象；但在流域開(kāi)發(fā)后期支溝電站會(huì)通過(guò)借道干流電站長(zhǎng)線路并網(wǎng)，在干流電站因?yàn)榭萜?、?jì)劃?rùn)z修等情況全停時(shí)，會(huì)出現(xiàn)支溝小水電站單獨(dú)帶長(zhǎng)線路的特殊運(yùn)行方式，這種特殊方式下就有較大的自勵(lì)磁風(fēng)險(xiǎn)。流域干流電站送出設(shè)計(jì)方案容易忽略支溝小水電站并入后在特殊運(yùn)行方式下造成的自勵(lì)磁問(wèn)題，某些流域支溝電站規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)量較多，如何評(píng)估和處理支溝小水電自勵(lì)磁風(fēng)險(xiǎn)需要額外重視。下面基于某支溝水電站接入電網(wǎng)后的自勵(lì)磁計(jì)算以及過(guò)電壓電磁暫態(tài)安全性仿真分析，對(duì)整個(gè)流域電站預(yù)防自勵(lì)磁風(fēng)險(xiǎn)提出相應(yīng)的措施建議，以便于提高流域電站和匯集送出通道的安全可靠性。

1 自勵(lì)磁過(guò)程及其校核判據(jù)

同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁的本質(zhì)是定子電感在周期性變化中與外電路容抗參數(shù)配合時(shí)發(fā)生的參數(shù)諧振。同步發(fā)電機(jī)在孤網(wǎng)方式下，由于空載長(zhǎng)線路對(duì)地電容為主要負(fù)載，發(fā)電機(jī)相當(dāng)于連接一個(gè)等效容性負(fù)載，在此容性負(fù)載達(dá)到一定條件的時(shí)候，發(fā)電機(jī)即使在沒(méi)有勵(lì)磁電源的情況下，由轉(zhuǎn)子鐵心的剩磁所激發(fā)的機(jī)端電壓也會(huì)逐漸升高，但在磁路飽和的約束下不會(huì)無(wú)限增大，而是穩(wěn)定在某一定值。自勵(lì)磁產(chǎn)生的過(guò)電壓極易超出發(fā)電機(jī)和線路所能承受的最大限制，需要采取相應(yīng)的防范措施。下面對(duì)自勵(lì)磁的計(jì)算采用比較發(fā)電機(jī)額定容量與線路充電功率乘以等值同步阻抗的積作為靜態(tài)校核；動(dòng)態(tài)仿真采用PSCAD軟件對(duì)自勵(lì)磁產(chǎn)生的過(guò)電壓進(jìn)行電磁暫態(tài)分析。

2 案例分析報(bào)告

2.1工程概況

往子溝水電站位于稻城縣東義河干流下游右支流往子溝上，釆用引水式開(kāi)發(fā)，電站裝機(jī)2×3.7 MW，根據(jù)國(guó)網(wǎng)四川省電力公司批準(zhǔn)的東義河干支流梯級(jí)電站互聯(lián)及外送規(guī)劃，往子溝水電站電力送出方向?yàn)闆錾街?，并網(wǎng)點(diǎn)為西昌電網(wǎng)的500 kV水洛變電站。

電站接入方案如圖1所示。往子溝電站通過(guò)35 kV線路接入色苦變電站，色苦變電站通過(guò)110 kV線路接入220 kV卡瓦變電站，卡瓦變電站匯集東義河流域約490 MW容量后通過(guò)220 kV線路接入500 kV水洛變電站?？ㄍ咦冸娬厩捌谥饕尤氲氖且呀?jīng)核準(zhǔn)建設(shè)的益地水電站(裝機(jī)2×84 MW)和流域施工電源電站往子溝電站。

圖1 往子溝接入系統(tǒng)方案

2.2自勵(lì)磁靜態(tài)計(jì)算

當(dāng)系統(tǒng)有單機(jī)帶空載長(zhǎng)線零起升壓，或正常單機(jī)帶長(zhǎng)線運(yùn)行、線路末端斷路器無(wú)故障三相斷開(kāi)等運(yùn)行情況時(shí)，就可能產(chǎn)生自勵(lì)磁過(guò)電壓。卡瓦變電站匯集東義河流域電站電力送出到水洛站，線路長(zhǎng)達(dá)55 km，而東義河流域支溝小電站較多，除了已核準(zhǔn)的益地電站單機(jī)容量為84 MW外，其他電站單機(jī)容量多數(shù)為3～12 MW，一旦益地電站全停，很容易形成小機(jī)組帶長(zhǎng)線路的運(yùn)行方式，有必要進(jìn)行自勵(lì)磁校核計(jì)算。

按《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，同步電機(jī)空載長(zhǎng)線時(shí)不發(fā)生自勵(lì)磁的判據(jù)為

WH>QcXd*

(1)

式中：WH為發(fā)電機(jī)額定容量，MVA；Qc為線路充電功率，Mvar；Xd*為發(fā)電機(jī)等值同步電抗(含升壓變壓器漏抗)，以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn)標(biāo)幺值。

根據(jù)式(1)可以看出，發(fā)電機(jī)額定容量小而等值同步電抗大，則相對(duì)容易發(fā)生自勵(lì)磁；單機(jī)運(yùn)行也是枯水期常見(jiàn)的運(yùn)行方式，雙機(jī)運(yùn)行情況下額定容量最大而等值同步電抗最小，如果雙機(jī)運(yùn)行都要發(fā)生自勵(lì)磁，則單機(jī)運(yùn)行更容易發(fā)生自勵(lì)磁，因此以下的分析都以雙機(jī)運(yùn)行帶長(zhǎng)線路為基礎(chǔ)開(kāi)展計(jì)算。

往子溝水電站裝機(jī)為2×3.7 MW，功率因數(shù)為0.9，WH為8.22 MVA 。

色苦—卡瓦雙回110 kV線路長(zhǎng)18 km，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-240，單位長(zhǎng)度電容為0.009 04 μF/km，其最大充電功率為

Q1=ωclU2

=314× 0.009 04 ×10-6×18 ×1212

=0.748 Mvar

(2)

卡瓦—水洛雙回220 kV線路長(zhǎng) 55 km，導(dǎo)線型號(hào)為 LGJ-2×400，單位長(zhǎng)度電容為 0.011 8 μF/km，其最大充電功率為

Q2=ωclU2

= 2× 314× 0.011 8 ×10-6×55 ×2422

=23.87 Mvar

(3)

往子溝發(fā)電機(jī)-變壓器電氣主接線采用擴(kuò)大單元接線， 往子溝升壓變壓器額定容量為10 MVA。因此變壓器漏抗折算到發(fā)電機(jī)組容量的參數(shù)為

XT1* = 0.075×8.22/10=0.062 p.u.

(4)

往子溝—色苦單回35 kV線路阻抗歸算到發(fā)電機(jī)組容量的參數(shù)為

XL1*= 0.409×12×8.22/372=0.029 p.u.

(5)

色苦電站 1 臺(tái)三繞組變壓器121± 2×2.5%/38.5/10.5 kV額定容量為 40 MVA。 因此變壓器高-中漏抗折算到發(fā)電機(jī)組容量的參數(shù)為

XT2*= 0.17×8.22/40=0.035 p.u.

(6)

色苦—卡瓦單回110 kV 線路阻抗歸算到發(fā)電機(jī)組容量的參數(shù)為

XL2*= 0.388×18×8.22/1152=0.004 3 p.u.

(7)

220 kV 卡瓦變電站 1 臺(tái)三繞組變壓器 242±2×2.5%/121/10.5 kV額定容量為 120 MVA。因此變壓器漏抗折算到發(fā)電機(jī)組容量的參數(shù)為

XT3*= 0.14×8.22/120=0.009 6 p.u.

(8)

發(fā)電機(jī)同步電抗取值約為 1.0 p.u.，因此發(fā)電機(jī)等值同步電抗為

Xd*=(1+1)/2+0.062+0.029+0.035+ 0.004 3+0.009 6=1.139 9 p.u.

(9)

QcXd*=(0.748+23.87)×1.139 9

=28.062 MVA>>WH=8.22 MVA

(10)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在益地電站全停時(shí)，往子溝雙機(jī)(或單機(jī))帶線路并網(wǎng)運(yùn)行，一旦發(fā)生線路末端斷路器無(wú)故障三相斷開(kāi)情況下，往子溝機(jī)組將發(fā)生自勵(lì)磁。

2.3動(dòng)態(tài)仿真以及應(yīng)對(duì)措施

2.3.1 不增加措施的過(guò)電壓電磁暫態(tài)仿真

往子溝水電站接入系統(tǒng)電壓等級(jí)較低，線路長(zhǎng)度較短，流域開(kāi)發(fā)施工期間帶35 kV和110 kV線路運(yùn)行時(shí)沒(méi)有自勵(lì)磁問(wèn)題，發(fā)生自勵(lì)磁的主要因素是流域開(kāi)發(fā)后期東義河匯集送出的卡瓦—水洛雙回220 kV線路充電功率較大，在干流主要電站益地電站停運(yùn)的情況下，雙回220 kV線路線路充電功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支溝電站發(fā)電機(jī)額定容量，一旦發(fā)生線路末端斷路器無(wú)故障三相斷開(kāi)情況，往子溝水電站和連接的線路將發(fā)生嚴(yán)重的諧振過(guò)電壓。圖2是通過(guò)PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)往子溝電站單機(jī)運(yùn)行自勵(lì)磁產(chǎn)生的過(guò)電壓電磁暫態(tài)分析。

圖2 不采取任何措施下220 kV側(cè)電壓波形

從圖2可以看出，在t=2 s時(shí)發(fā)生卡瓦—水洛雙回線路因安控切線或無(wú)故障跳開(kāi)，220 kV線路電壓急速攀升并嚴(yán)重畸變，在10～15 ms內(nèi)電壓已經(jīng)上升到2 p.u.(400 kV左右)，很難以高周切機(jī)和過(guò)電壓保護(hù)措施來(lái)限制自勵(lì)磁過(guò)電壓。

當(dāng)益地電站1臺(tái)機(jī)組開(kāi)機(jī)的時(shí)候，發(fā)生同樣遠(yuǎn)端與主網(wǎng)斷開(kāi)后的電壓曲線如圖3。

圖3 益地電站開(kāi)1臺(tái)機(jī)時(shí)電壓曲線

從圖3可以看出，當(dāng)益地電站有1臺(tái)機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)，同樣發(fā)生卡瓦—水洛雙回線路因安控切線或無(wú)故障跳開(kāi)后電壓最高上升到1.15 p.u.，但電壓曲線上升平緩有充足的時(shí)間供保護(hù)裝置動(dòng)作。

由此可知，如果不采取新增措施就不能夠防止往子溝電站自勵(lì)磁發(fā)生，除非保證益地電站始終有1臺(tái)機(jī)開(kāi)機(jī)，而實(shí)際生產(chǎn)中益地電站總有全停的時(shí)段，不能因?yàn)橐娴仉娬救Ｒ沧屩想娬救颗阃＃员仨氃黾哟胧┓乐棺詣?lì)磁產(chǎn)生。

2.3.2 220 kV卡瓦變電站增加低壓電抗器后的過(guò)電壓電磁暫態(tài)仿真

根據(jù)前面分析，往子溝電站發(fā)生自勵(lì)磁的主要因素是卡瓦—水洛雙回220 kV線路充電功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支溝電站發(fā)電機(jī)額定容量，為此可以采取在卡瓦變電站增加低壓電抗器補(bǔ)償線路充電功率。

卡瓦—水洛二回220 kV線路充電功率為23.87 Mvar，色苦—卡瓦一回110 kV線路充電功率為0.748 Mvar，兩者相加為24.618 Mvar，可以在220 kV卡瓦變電站增加3組10 Mvar低壓電抗器。則Qc=(24.618-30)=-5.382 Mvar，充電功率已經(jīng)補(bǔ)償成為感性，往子溝電站機(jī)組不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁。

圖4 增加低壓電抗器后35 kV電壓曲線

圖5 增加低壓電抗器后110 kV以及220 kV電壓

從圖4、圖5可以看出在220 kV卡瓦變電站增加30 Mvar低壓電抗器后，同樣發(fā)生卡瓦—水洛雙回線路因安控切線或無(wú)故障跳開(kāi)后各個(gè)電壓等級(jí)線路的電壓都是緩慢上升，而且電壓最高上升到1.15 p.u.，沒(méi)有超過(guò)限額。電磁暫態(tài)仿真的結(jié)果證明增加30 Mvar低壓電抗器后，自勵(lì)磁現(xiàn)象得以避免。

2.3.3 相應(yīng)保護(hù)的配合

增加30 Mvar低壓電抗器后雖然避免了自勵(lì)磁過(guò)電壓超限，但往子溝雙機(jī)運(yùn)行仿真中仍然有超過(guò)1.3 p.u.的情況，需要對(duì)相應(yīng)保護(hù)進(jìn)行修改以進(jìn)一步消除風(fēng)險(xiǎn)。

首先是高周切機(jī)按以下設(shè)定：當(dāng)系統(tǒng)頻率超過(guò)51 Hz,延時(shí)1 s切除往子溝機(jī)組，仿真結(jié)果電壓最大值為1.264 p.u.；當(dāng)系統(tǒng)頻率超過(guò)52.5 Hz,延時(shí)0.8 s切除往子溝機(jī)組，仿真結(jié)果電壓最大值為1.28 p.u.。

其次是過(guò)壓保護(hù)設(shè)置系統(tǒng)電壓超過(guò)1.2 p.u.，延時(shí)0.3 s以內(nèi)切除往子溝機(jī)組，仿真結(jié)果電壓最大值為1.28 p.u.。

第三是卡瓦變電站主變壓器低壓側(cè)開(kāi)關(guān)過(guò)電壓等保護(hù)動(dòng)作延時(shí)要確保晚于往子溝電站切機(jī)，否則就相當(dāng)于提前切除了低壓電抗器。

2.3.4 流域匯集站配置低壓電抗器的考慮

往子溝電站解決自勵(lì)磁風(fēng)險(xiǎn)最直接的方案是在本站增加低壓電抗器，但該流域支溝小電站較多，如果每個(gè)小電站都增加會(huì)導(dǎo)致低壓電抗器配置過(guò)多，影響電壓質(zhì)量，增加管理難度，降低經(jīng)濟(jì)性。東義河流域是同一業(yè)主開(kāi)發(fā)，具備在匯集站統(tǒng)一進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臈l件，經(jīng)濟(jì)性更好。應(yīng)加強(qiáng)匯集站低壓電抗器的運(yùn)行管理，避免運(yùn)行中低壓電抗器無(wú)意中退出運(yùn)行，對(duì)低壓電抗器的退出必須考慮特殊運(yùn)行方式的自勵(lì)磁風(fēng)險(xiǎn)。隨著流域開(kāi)發(fā)推進(jìn)，中、上游電站可以參考同樣的補(bǔ)償方式，在中、上游干流匯集電站增加低壓電抗器以避免中、上游支溝電站的自勵(lì)磁風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著水電開(kāi)發(fā)不斷推進(jìn)偏遠(yuǎn)地區(qū)，特殊運(yùn)行方式下末端小水電并網(wǎng)引起的自勵(lì)磁問(wèn)題日漸突顯，基于施工電源電站后期并網(wǎng)帶來(lái)的自勵(lì)磁風(fēng)險(xiǎn)做出了專項(xiàng)分析并提出了應(yīng)對(duì)措施。除此之外，大型水電站的生態(tài)流量機(jī)組也同樣存在特殊方式下自勵(lì)磁的問(wèn)題，需要引起從業(yè)者的注意。

[1] 黃家裕，周貴興，岑文輝，等.電力系統(tǒng)自勵(lì)磁電壓計(jì)算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1984，18(4):34-45.

[2] 張華，李旻，丁理杰.對(duì)地方電網(wǎng)小水電自勵(lì)磁判斷方法的探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(20):112-117.

[3] 丁理杰，李旻，張華，等.抑制小水電機(jī)組自勵(lì)磁的非常規(guī)措施研究[J].華東電力, 2013，41(3):661-664.

[4] DL/T 5429-2009，電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

At present, in river basin development mode, the small hydropower stations such as power source stations in construction period depend on the large hydropower stations of main stream to integrate with main power grid together in later stage. The especial operating mode is the small hydropower station working with long lines alone, so the corresponding configuration measures are put forward to eliminate the self-excitation of small hydropower through the over-voltage electromagnetic analysis of a power source station during construction when accessing to power grid.

small hydropower; self-excitation; long transmission line

TM619

：A

：1003-6954(2017)04-0091-04

2017-04-06)