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(yùn)并聯(lián)高抗的電氣操作時(shí)間，針對(duì)500kV帶并聯(lián)高壓電抗器運(yùn)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(jì)算軟件ATP-EMTP，分別計(jì)算了當(dāng)一回線路停運(yùn)，一回線路運(yùn)行時(shí)，流經(jīng)500kV山河甲乙線高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流值，對(duì)可能影響感應(yīng)電流值的幾個(gè)因素進(jìn)行了討論分析。同時(shí)計(jì)算出高抗隔離開關(guān)拉合高抗時(shí)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(zhǎng)，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)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(yùn)行、遠(yuǎn)距離、大容量、電壓等級(jí)高的特點(diǎn)。對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電線路，為補(bǔ)償長(zhǎng)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(yùn)行、檢修工作中，針對(duì)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(cè)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(jì)，單次退運(yùn)并聯(lián)高壓電抗器的倒閘操作時(shí)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(yùn)的倒閘操作時(shí)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(yùn)并聯(lián)高壓電抗器的倒閘操作時(shí)間，減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

對(duì)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(yùn)行, 一回停運(yùn)時(shí)，運(yùn)行線路將在停運(yùn)線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。若停運(yùn)線路帶有高壓并聯(lián)電抗器時(shí)，由于高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)償線路對(duì)地電容量的作用，運(yùn)行線路在停運(yùn)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(qiáng)的電氣聯(lián)系[1-2]。停運(yùn)線路高抗未與系統(tǒng)隔離前，會(huì)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(jì)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(diǎn)。為此，本文將對(duì)某500kV并行單回架設(shè)線路帶高抗運(yùn)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(píng)估此操作方式的可行性，進(jìn)而提高停運(yùn)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(yùn)行線路對(duì)停運(yùn)線路的電磁感應(yīng)，計(jì)算流經(jīng)停運(yùn)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(yùn)行電壓、導(dǎo)地線對(duì)地高度、土壤電阻率、線行間距等因素對(duì)感應(yīng)電流值的影響，同時(shí)也對(duì)隔離開關(guān)拉合高壓并聯(lián)電抗器時(shí)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(jì)算[3-5]。

1.計(jì)算參數(shù)選取

500kV山河甲乙線采用兩個(gè)單回路平等架設(shè)，其中500kV山河甲線線路長(zhǎng)約199.247km，500kV山河乙線線路長(zhǎng)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(tái)單相式并聯(lián)電抗器，容量為3×50Mvar，并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)經(jīng)中性點(diǎn)小電抗器接地，容量為520Ω。

1.1 塔型的選取及回路布置

對(duì)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(shí)，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(zhǎng)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(gè)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(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)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(jì)算結(jié)果及分析

基于南方電網(wǎng)2016年1月大方式運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用潮流計(jì)算程序BPA將交流系統(tǒng)分別等值到獨(dú)山和河池站的500kV母線處，等值計(jì)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(jì)算結(jié)果

表2 500kV山河甲乙線系統(tǒng)等值互阻抗計(jì)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(jiǎn)化等值電磁暫態(tài)計(jì)算模型。

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

2.1 輸送功率的影響

設(shè)定500kV山河甲乙線運(yùn)行線路兩端母線電壓值為525kV，當(dāng)線路輸送不同功率時(shí)，計(jì)算流過停運(yùn)線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，其變化趨勢(shì)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(duì)距離并不一致，且流過隔離開關(guān)的感應(yīng)電流主要受運(yùn)行線路對(duì)停運(yùn)線路相間電容影響，導(dǎo)致流過停運(yùn)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(shí)，流經(jīng)停運(yùn)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相最小；當(dāng)山河乙線輸送一定功率時(shí)，流經(jīng)停運(yùn)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(yùn)行線路負(fù)荷電流增大，停運(yùn)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(yùn)行線路負(fù)荷電流增大，停運(yùn)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(yùn)行線路兩端等值電源相角差為-30°，當(dāng)改變運(yùn)行線路線電壓，計(jì)算流過停運(yùn)線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，其變化趨勢(shì)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(shì)中可以看出：（1）當(dāng)運(yùn)行線路線電壓值不變時(shí)，流過停運(yùn)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(yùn)時(shí)，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(yùn)時(shí)，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?。唬?）隨著運(yùn)行線路線電壓增加，流經(jīng)停運(yùn)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(shì)，由此可進(jìn)一步驗(yàn)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(duì)地高度的影響

500kV山河甲乙線獨(dú)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(shí)際對(duì)地平均距離難以得出與實(shí)際情況貼近的仿真計(jì)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(duì)地高度，研究導(dǎo)地線對(duì)地高度對(duì)流經(jīng)停運(yùn)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(yùn)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(duì)地高度，計(jì)算一回線路運(yùn)行，一回線路停運(yùn)時(shí)，流過停運(yùn)線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，其變化趨勢(shì)如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)線路導(dǎo)地線對(duì)地高度變化時(shí)，流經(jīng)停運(yùn)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(duì)地高度增高而增大，隨線路導(dǎo)地線對(duì)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(duì)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(shí)際測(cè)算，500kV山河甲乙線獨(dú)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(yùn)行線路輸送電流兩端電源相角差為-30°、運(yùn)行線路電壓為550kV時(shí)，計(jì)算不同土壤電阻率下，流過停運(yùn)線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流，其變化趨勢(shì)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(shí)，由圖7中可以得出，流經(jīng)停運(yùn)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(duì)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(yùn)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(gè)單回路線行之間的距離從65m至1500m不等。為研究線行間距對(duì)流經(jīng)停運(yùn)線路高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流的影響，現(xiàn)設(shè)定運(yùn)行線路兩端等值電源相角差為-30°、線路電壓為525kV，計(jì)算當(dāng)兩條線路間距變化時(shí)，流過停運(yùn)線路高抗隔離開關(guān)的感應(yīng)電流值。其變化趨勢(shì)如圖8所示。

從圖8可見，流過停運(yùn)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(yùn)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(duì)以上仿真計(jì)算結(jié)果分析，并聯(lián)高壓電抗器的補(bǔ)償使得停運(yùn)線路對(duì)地電容量減少，運(yùn)行線路對(duì)帶高抗停運(yùn)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(jì)算出流經(jīng)500kV山河甲乙線停運(yùn)線路高抗隔離開關(guān)的電流最大值可以對(duì)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(duì)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(jì)算，現(xiàn)有高抗隔離開關(guān)在型式試驗(yàn)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(duì)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(zhǎng)速度超出斷口間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度時(shí)，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(duì)隔離開關(guān)兩端的暫態(tài)恢復(fù)電壓進(jìn)行評(píng)估[8-9]。利用上述建立的電磁暫態(tài)計(jì)算模型對(duì)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(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 隔離開關(guān)切除高抗時(shí)斷口恢復(fù)電壓（峰值）

4.隔離開關(guān)分合操作時(shí)高抗側(cè)的過電壓

高抗隔離開關(guān)的分合操作可能會(huì)在高抗側(cè)產(chǎn)生過電壓，通過計(jì)算過電壓值判斷是否會(huì)對(duì)高抗絕緣性產(chǎn)生影響，進(jìn)而驗(yàn)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(jì)算高抗隔離開關(guān)分合操作時(shí)高抗側(cè)的過電壓幅值，如表5、表6所示。

表5 切除高抗時(shí)高抗側(cè)過電壓幅值（峰值）

表6 合閘高抗時(shí)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(shí)過電壓值遠(yuǎn)低于其允許的操作沖擊耐壓水平，不會(huì)對(duì)高抗絕緣水平造成破壞。

5.結(jié)論

本文對(duì)500kV山河甲乙線并行單回架設(shè)線路一回線路停運(yùn)時(shí)，流經(jīng)停運(yùn)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(duì)線路間電磁感應(yīng)幾乎沒有影響，線路導(dǎo)地線對(duì)地高度、運(yùn)行線路輸送功率、運(yùn)行線路電壓變化對(duì)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(duì)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(yùn)行線路線電壓為最高，空載，最下層導(dǎo)地線對(duì)地平均高度越高，兩單回路線行平均距離取值越小時(shí)，流過停運(yùn)線路高抗隔離開關(guān)感應(yīng)電流最大。

2）對(duì)于本文所研究的500kV山河甲乙線，流過停運(yùn)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(duì)現(xiàn)有高抗隔離開關(guān)進(jìn)行技術(shù)改造并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3）計(jì)算了500kV山河甲乙線高抗隔離開關(guān)拉合高抗時(shí)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(jì)算了500kV山河甲乙線高抗隔離開關(guān)拉合高抗時(shí)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(huì)對(duì)高抗絕緣造成破壞。

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[7]DL/T486-2010．高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)[S]．

[8]吳釗,趙傾斌,許書輝等．具有輔助滅弧室回路的高壓交流接地開關(guān)開合感應(yīng)電流試驗(yàn)探討[J]．高壓電器,2012,48(8)：103-108．．

[9]王利婷．基于ATP-EMTP的真空斷路器切斷并聯(lián)電抗器過電壓及其抑制策略分析[J]．高壓電器,2016,52(8)：194-200．

[10]吳釗,趙慶斌．高壓交流斷路器開合并聯(lián)電抗器試驗(yàn)研究[J]．高壓電器,2012,48(7)：45-51．

李海生（1980-），男，山東淄博人，高級(jí)工程師，碩士，從事變電運(yùn)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(yùn)行工作。

張健全（1983-），男，廣西貴港人，工程師，本科，從事變電運(yùn)行工作。

周韋（1985-），男，重慶潼南人，工程師，本科，從事變電運(yùn)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(jì)算工作。