超高壓柳州局 李海生 李洪坤 張健全 周 韋

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院 馮 賓

500kV并行雙回架設(shè)線路高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流仿真分析

超高壓柳州局 李海生 李洪坤 張健全 周 韋

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院 馮 賓

為進(jìn)一步縮短退運并聯(lián)高抗的電氣操作時間，針對500kV帶并聯(lián)高壓電抗器運行的并行雙回架設(shè)線路，本文探討了在線路冷備用狀態(tài)下直接拉合高抗隔離開關(guān)的操作可行性。通過電磁暫態(tài)仿真計算軟件ATP-EMTP，分別計算了當(dāng)一回線路停運，一回線路運行時，流經(jīng)500kV山河甲乙線高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流值，對可能影響感應(yīng)電流值的幾個因素進(jìn)行了討論分析。同時計算出高抗隔離開關(guān)拉合高抗時的恢復(fù)過電壓值，為線路高抗隔離開關(guān)的改造、選型提供參考。

并行雙回架設(shè)線路；感應(yīng)電流；ATP-EMTP；恢復(fù)過電壓值

隨著電力需求的不斷增長，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，南方電網(wǎng)的主網(wǎng)架輸電線路呈現(xiàn)出交直流并聯(lián)運行、遠(yuǎn)距離、大容量、電壓等級高的特點。對于遠(yuǎn)距離輸電線路，為補償長線路電容效應(yīng)，降低操作過電壓，通常采用隔離開關(guān)將并聯(lián)高壓電抗器接入輸電線路中。在南方電網(wǎng)日常電力運行、檢修工作中，針對并聯(lián)高壓電抗器的停電檢修、線路復(fù)電前的線路絕緣測試和直流融冰操作，仍需先將線路并聯(lián)高壓電抗器與系統(tǒng)隔離后才可進(jìn)行，待上述工作結(jié)束后還需要將并聯(lián)高壓電抗器接入系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，單次退運并聯(lián)高壓電抗器的倒閘操作時間可達(dá)40多分鐘，工作程序繁瑣且效率不高。若不合上線路側(cè)接地刀閘，在線路冷備用狀態(tài)下直接拉合并聯(lián)高抗隔離開關(guān)，單次退運的倒閘操作時間僅不到10分鐘，由此可見，設(shè)想的操作模式能夠大大減少了停運并聯(lián)高壓電抗器的倒閘操作時間，減輕運行人員勞動強度，提高了工作效率。

對于500kV并行單回架設(shè)線路，考慮相互間的靜電耦合和電磁耦合作用，當(dāng)一回運行, 一回停運時，運行線路將在停運線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。若停運線路帶有高壓并聯(lián)電抗器時，由于高壓并聯(lián)電抗器補償線路對地電容量的作用，運行線路在停運線路上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓將顯著增加，故帶高壓并聯(lián)電抗器的并行單回架設(shè)線路彼此間存在著較強的電氣聯(lián)系[1-2]。停運線路高抗未與系統(tǒng)隔離前，會有較大的感應(yīng)電流流過高抗隔離開關(guān)。目前如何設(shè)計出具備開斷大感應(yīng)電流的高抗隔離開關(guān)仍是電力設(shè)備研究的熱點。為此，本文將對某500kV并行單回架設(shè)線路帶高抗運行條件下電磁感應(yīng)問題進(jìn)行研究，在線路冷備用狀態(tài)下，拉合并聯(lián)高壓電抗器隔離開關(guān)，評估此操作方式的可行性，進(jìn)而提高停運高壓并聯(lián)電抗器的電氣倒閘操作效率。

下文將以南方電網(wǎng)500kV山河甲乙線為例，采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP，模擬并行單回架設(shè)線路中運行線路對停運線路的電磁感應(yīng)，計算流經(jīng)停運線路高壓并聯(lián)電抗器隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，討論分析線路輸送功率、線路運行電壓、導(dǎo)地線對地高度、土壤電阻率、線行間距等因素對感應(yīng)電流值的影響，同時也對隔離開關(guān)拉合高壓并聯(lián)電抗器時的斷口恢復(fù)過電壓、高抗側(cè)操作過電壓進(jìn)行仿真分析計算[3-5]。

1.計算參數(shù)選取

500kV山河甲乙線采用兩個單回路平等架設(shè)，其中500kV山河甲線線路長約199.247km，500kV山河乙線線路長約198.222km，其線路架設(shè)情況如圖1所示。

圖1 500kV山河甲乙線架設(shè)情況示意圖

500kV山河甲乙線在河池站配置一組三臺單相式并聯(lián)電抗器，容量為3×50Mvar，并聯(lián)電抗器中性點經(jīng)中性點小電抗器接地，容量為520Ω。

1.1 塔型的選取及回路布置

對于500kV山河甲乙線，直線塔采用酒杯型桿塔和拉V塔，耐張塔采用干字型桿塔。全線三分之一的桿塔采用ZB1型。為此，本文仿真時，以ZB1型直線塔尺寸建立桿塔模型，主力桿塔呼稱高度取36m，導(dǎo)線懸垂串長5m。平均檔距取400m，導(dǎo)線弧垂取12m，地線弧垂取9m。ZB1直線塔型結(jié)構(gòu)尺寸以及導(dǎo)地線布置形式如圖2所示。

圖2 500kV山河甲乙線ZB1直線塔型

500kV山河甲、乙線兩個單回路線行之間的距離從65m至1500m不等，偏嚴(yán)考慮，假設(shè)兩條線路線行中心距均為65m。

1.2 導(dǎo)地線參數(shù)

500kV山河甲乙線采用型號為4×LGJ-400/35、4×LGJ-400/50兩種導(dǎo)線。其中500kV山河甲線共進(jìn)行了3次換位，各換位導(dǎo)線長度分別為52.479km、39.687km、54.389km、52.692km；500kV山河乙線共進(jìn)行了3次換位，各換位導(dǎo)線長度分別為5.693km、87.368km、52.236km、52.925km。如圖3所示。

圖3 500kV山河甲乙線線路換位示意圖

500kV山河甲線地線1根為OPGW光纖架空復(fù)合地線，1根為普通地線；500kV山河乙線兩根地線均為普通地線，普通地線型號為GJ-80、LJB20A-80、LBGJ-120-40AC，OPGW全線逐塔接地，普通地線不接地。

2.感應(yīng)電流計算結(jié)果及分析

基于南方電網(wǎng)2016年1月大方式運行數(shù)據(jù)，采用潮流計算程序BPA將交流系統(tǒng)分別等值到獨山和河池站的500kV母線處，等值計算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 500kV山河甲乙線系統(tǒng)等值自阻抗計算結(jié)果

表2 500kV山河甲乙線系統(tǒng)等值互阻抗計算結(jié)果

根據(jù)等值結(jié)果并結(jié)合線路參數(shù)情況在電磁暫態(tài)程序ATP-EMTP中建立500kV山河甲乙線的雙端簡化等值電磁暫態(tài)計算模型。

根據(jù)所建模型，計算500kV山河甲乙線一回線路停運，一回線路運行時，流過停運線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流。具體講，將計算結(jié)果分成兩種情況：（1）500kV山河甲線正常運行，500kV山河乙線停運時，流過乙線高抗隔離開關(guān)的電流；（2）500kV山河乙線正常運行，500kV山河甲線停運時，流過甲線高抗隔離開關(guān)的電流。同時本文對可能影響感應(yīng)電流的輸送功率、線路電壓、導(dǎo)地線對地高度、沿線土壤電阻率、線行間距等因素進(jìn)行仿真計算分析。

2.1 輸送功率的影響

設(shè)定500kV山河甲乙線運行線路兩端母線電壓值為525kV，當(dāng)線路輸送不同功率時，計算流過停運線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，其變化趨勢如圖4所示。

圖4（a）山河乙線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

圖4（b）山河甲線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

雖然線路各段進(jìn)行了均勻換位，但由于各相的相對距離并不一致，且流過隔離開關(guān)的感應(yīng)電流主要受運行線路對停運線路相間電容影響，導(dǎo)致流過停運線路各相隔離開關(guān)的感應(yīng)電流值也不相等。由圖4中可以得出：（1）當(dāng)山河甲線輸送一定功率時，流經(jīng)停運的山河乙線A相高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流最大，B相次之，C相最?。划?dāng)山河乙線輸送一定功率時，流經(jīng)停運的山河甲線B相高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流最大，C相次之，A相最??；（2）隨著500kV山河甲線運行線路負(fù)荷電流增大，停運的山河乙線各相感應(yīng)電流變化較小，其中A相稍有減小，B相稍有增大，C相基本保持不變，由此可判流經(jīng)高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流主要為靜電感應(yīng)分量；（3）隨著500kV山河乙線運行線路負(fù)荷電流增大，停運的山河甲線各相感應(yīng)電流變化較小，其中B相、C相稍有減小，A相稍有增大，由此可判流經(jīng)高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流主要為靜電感應(yīng)分量。

2.2 線路電壓的影響

為嚴(yán)格考慮，本文將500kV山河甲乙兩條線路線行中心距設(shè)為65m，運行線路兩端等值電源相角差為-30°，當(dāng)改變運行線路線電壓，計算流過停運線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，其變化趨勢如圖5所示。

圖5（a）山河乙線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

圖5（b）山河甲線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

從圖5的曲線變化趨勢中可以看出：（1）當(dāng)運行線路線電壓值不變時，流過停運線路各相高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流值并不相等。當(dāng)山河甲線停運時，流經(jīng)山河乙線高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流A相最大，B相次之，C相最小；當(dāng)山河乙線停運時，流經(jīng)山河甲線高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流B相最大，A相次之，C相最??；（2）隨著運行線路線電壓增加，流經(jīng)停運線路各相高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流值成正比增大趨勢，由此可進(jìn)一步驗證流經(jīng)高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流主要為靜電感應(yīng)分量。

2.3 導(dǎo)地線對地高度的影響

500kV山河甲乙線獨山站至河池站線路位于廣西北部，線路所經(jīng)區(qū)域地形復(fù)雜，若采用導(dǎo)地線實際對地平均距離難以得出與實際情況貼近的仿真計算結(jié)果，為此本文通過調(diào)整桿塔呼稱高或?qū)У鼐€弧垂，改變導(dǎo)地線對地高度，研究導(dǎo)地線對地高度對流經(jīng)停運線路高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流的影響。

設(shè)定兩條線路線行中心距為65m，運行線路電壓為550kV，輸送電流兩端電源相角差為-30°，通過改變導(dǎo)地線對地高度，計算一回線路運行，一回線路停運時，流過停運線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，其變化趨勢如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)線路導(dǎo)地線對地高度變化時，流經(jīng)停運高抗隔離開關(guān)的三相感應(yīng)電流值均隨線路導(dǎo)地線對地高度增高而增大，隨線路導(dǎo)地線對地高度減小而減小，感應(yīng)電流值正相關(guān)于線路導(dǎo)地線對地高度。

圖6（a）山河乙線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

圖6（b）山河甲線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

2.4 土壤電阻率的影響

經(jīng)實際測算，500kV山河甲乙線獨山站至河池站的線路桿塔所經(jīng)沿途土壤電阻率變化較大，大小在100Ω·m～5000Ω·m范圍中變化?，F(xiàn)設(shè)定運行線路輸送電流兩端電源相角差為-30°、運行線路電壓為550kV時，計算不同土壤電阻率下，流過停運線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，其變化趨勢如圖7所示。

當(dāng)土壤電阻率在100Ω·m～2000Ω·m范圍內(nèi)發(fā)生變化時，由圖7中可以得出，流經(jīng)停運線路隔離開關(guān)的感應(yīng)電流值只發(fā)生極微小的改變，表明輸電線路沿線的土地電阻率對并行單回架設(shè)線路之間的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)影響非常小。因此，可以得出土壤電阻率不是影響流經(jīng)停運線路隔離開關(guān)感應(yīng)電流大小的主導(dǎo)因素。

圖7（a）山河乙線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

圖7（b）山河甲線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

2.5 線行間距的影響

500kV山河甲乙線兩個單回路線行之間的距離從65m至1500m不等。為研究線行間距對流經(jīng)停運線路高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流的影響，現(xiàn)設(shè)定運行線路兩端等值電源相角差為-30°、線路電壓為525kV，計算當(dāng)兩條線路間距變化時，流過停運線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流值。其變化趨勢如圖8所示。

從圖8可見，流過停運線路高抗隔離開關(guān)的電流值受線行間距影響很大，隨著線行距離增加，流過停運線路的感應(yīng)電流迅速下降到零值附近，感應(yīng)電流值負(fù)相關(guān)于線行間距。

圖8（a）山河乙線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

圖8（b）山河甲線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流

2.6 高抗隔離開關(guān)開合感應(yīng)電流的能力要求

通過對以上仿真計算結(jié)果分析，并聯(lián)高壓電抗器的補償使得停運線路對地電容量減少，運行線路對帶高抗停運線路的感應(yīng)主要為靜電感應(yīng)，在此感應(yīng)作用下流過高抗隔離開關(guān)的電流為感性電流。計算出流經(jīng)500kV山河甲乙線停運線路高抗隔離開關(guān)的電流最大值可以對如表3所示。

表3 500kV山河甲乙線高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流峰值（A）

目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未對隔離開關(guān)開合感應(yīng)電流值作出明確要求[6-7]。隔離開關(guān)要求具備開合一定的小電流能力，需指明小電流特指小的電容性電流（如開合短母線）或小的電感性電流（如開合電壓互感器）。在額定電壓下，隔離開關(guān)應(yīng)能可靠開合1.0A感性電流，2.0A電容電流。通過以上仿真計算，現(xiàn)有高抗隔離開關(guān)在型式試驗中是無法滿足直接開合感應(yīng)電流。為使隔離開關(guān)具有開合感應(yīng)電流的能力，需對現(xiàn)有高抗隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，如增加類似于斷路器結(jié)構(gòu)的并聯(lián)滅弧室，滅弧介質(zhì)可以采用SF6或者真空。

3.隔離開關(guān)切合高抗斷口恢復(fù)電壓

隔離開關(guān)能否順利切除高抗，除了與切除電流大小有關(guān)外，還與隔離開關(guān)斷口兩端的恢復(fù)電壓有關(guān)，尤其是與電流剛剛過零熄弧后出現(xiàn)在斷口兩端的暫態(tài)恢復(fù)電壓有關(guān)，當(dāng)斷口間暫態(tài)恢復(fù)電壓的增長速度超出斷口間介質(zhì)強度的恢復(fù)速度時，隔離開關(guān)將發(fā)生重燃，進(jìn)而造成開斷失敗，因此，有必要對隔離開關(guān)兩端的暫態(tài)恢復(fù)電壓進(jìn)行評估[8-9]。利用上述建立的電磁暫態(tài)計算模型對500kV山河甲乙線高抗隔離開關(guān)的斷口恢復(fù)電壓（包括暫態(tài)值與穩(wěn)態(tài)值）進(jìn)行了仿真，計算結(jié)果如表4所示。

表4 隔離開關(guān)切除高抗時斷口恢復(fù)電壓（峰值）

4.隔離開關(guān)分合操作時高抗側(cè)的過電壓

高抗隔離開關(guān)的分合操作可能會在高抗側(cè)產(chǎn)生過電壓，通過計算過電壓值判斷是否會對高抗絕緣性產(chǎn)生影響，進(jìn)而驗證設(shè)想操作方式的可行性[10-11]。利用以上建立的電磁暫態(tài)模型分別計算高抗隔離開關(guān)分合操作時高抗側(cè)的過電壓幅值，如表5、表6所示。

表5 切除高抗時高抗側(cè)過電壓幅值（峰值）

表6 合閘高抗時高抗側(cè)過電壓幅值（峰值）

由表5、表6可以得出，線路在冷備用狀態(tài)下，隔離開關(guān)開合高抗時過電壓值遠(yuǎn)低于其允許的操作沖擊耐壓水平，不會對高抗絕緣水平造成破壞。

5.結(jié)論

本文對500kV山河甲乙線并行單回架設(shè)線路一回線路停運時，流經(jīng)停運線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流及其斷口恢復(fù)電壓、高抗側(cè)過電壓進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1）線路沿線的土壤電阻率對線路間電磁感應(yīng)幾乎沒有影響，線路導(dǎo)地線對地高度、運行線路輸送功率、運行線路電壓變化對流過高抗的感應(yīng)電流有一定影響，兩條單回線路線行間距對感應(yīng)電流影響較大，且成反比關(guān)系，隨線行間距增加，感應(yīng)電流迅速下降至零附近。當(dāng)運行線路線電壓為最高，空載，最下層導(dǎo)地線對地平均高度越高，兩單回路線行平均距離取值越小時，流過停運線路高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流最大。

2）對于本文所研究的500kV山河甲乙線，流過停運線路高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流達(dá)5.6A，超過現(xiàn)有隔離開關(guān)技術(shù)條件，需考慮對現(xiàn)有高抗隔離開關(guān)進(jìn)行技術(shù)改造并進(jìn)行試驗驗證。

3）計算了500kV山河甲乙線高抗隔離開關(guān)拉合高抗時的斷口恢復(fù)電壓，給出了隔離開關(guān)斷口暫態(tài)恢復(fù)電壓和穩(wěn)態(tài)恢復(fù)電壓值。

4）計算了500kV山河甲乙線高抗隔離開關(guān)拉合高抗時高抗側(cè)的過電壓幅值（峰值），得出拉合高抗隔離開關(guān)操作不會對高抗絕緣造成破壞。

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李海生（1980-），男，山東淄博人，高級工程師，碩士，從事變電運行管理工作。

李洪坤（1989-），男，河南濮陽人，助理工程師，碩士，從事變電運行工作。

張健全（1983-），男，廣西貴港人，工程師，本科，從事變電運行工作。

周韋（1985-），男，重慶潼南人，工程師，本科，從事變電運行工作。

馮賓（1983-），男，山東冠縣人，工程師，碩士，從事電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真及過電壓計算工作。