張佳鑫,鄭雄偉
(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)
在我國(guó)超高壓輸電系統(tǒng)中,為滿足無(wú)功平衡和限制過(guò)電壓的需要,一般在長(zhǎng)距離輸電線路上裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,電力需求不斷增加,新建變電站的數(shù)量也隨之不斷增加,采用對(duì)原有長(zhǎng)線進(jìn)行線路破口π入新建變電站的方式極為常見(jiàn)。帶有線路高抗的百公里長(zhǎng)線越破越短,導(dǎo)致線路高補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象越來(lái)越多。若線路高抗停運(yùn),基于電力系統(tǒng)分層分區(qū)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑瓌t,存在區(qū)域性無(wú)功補(bǔ)償不足的問(wèn)題,若線路繼續(xù)帶高抗運(yùn)行,則線路在合閘操作中的直流偏置現(xiàn)象比較明顯,尤其是高補(bǔ)償線路[1-2]。補(bǔ)償線路在進(jìn)行合閘后,出現(xiàn)線路空充電流較長(zhǎng)時(shí)間不過(guò)零現(xiàn)象,此時(shí)若由于線路故障或開(kāi)關(guān)偷跳等原因使線路立即三相跳閘,可能由于電流長(zhǎng)時(shí)間不過(guò)零而無(wú)法息弧,持續(xù)數(shù)百毫秒的燃弧將燒損滅弧室內(nèi)部器件、劣化絕緣氣體,甚至造成斷路器損壞[3]。
因此,對(duì)此類高補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償線路的直流偏置問(wèn)題進(jìn)行深入研究,弄清此類線路直流偏置產(chǎn)生的原因及影響因素,提出相適應(yīng)的控制策略[4-7],使其適應(yīng)新形勢(shì)下的電力系統(tǒng)安全運(yùn)行顯得尤為重要。
基于電路學(xué)原理,線路產(chǎn)生直流偏置的基本原因是電抗器電流不能突變?;诰€路的π型等值電路,見(jiàn)圖1。設(shè)電壓合閘相角為φ,母線電壓為u(t)=Umcosωt,通過(guò)拉普拉斯變換,合空線電流可表示為
(1)
圖1 帶高抗線路的π型等值電路(若忽略線路中的高頻分量,線路可采用集中參數(shù)等效)
考慮并聯(lián)電抗器電阻R< I(t)=UmcosφCδ(t)-Um[ωC-1/(ωL)]sin(ωt+φ)-Um/(ωLsinφe-t/τ) (2) 由式(2)可知,合空線的時(shí)域電流由3部分組成:第1部分是沖擊函數(shù)表示合閘后的瞬時(shí)振蕩過(guò)程;第2部分是頻率為工頻的交流電流;第3部分是幅值與電抗值、合閘相角相關(guān)的衰減直流分量。影響空充電流直流偏置的因素有合閘相角、系統(tǒng)的阻性分量和線路的補(bǔ)償度。 EMTP(Elctro Magnetic Transient Program) 是加拿大H.W.Dommel教授首創(chuàng)的電磁暫態(tài)計(jì)算程序,是電網(wǎng)暫穩(wěn)態(tài)仿真分析及電力系統(tǒng)諧波分析的有力工具。利用EMTP模擬計(jì)算中,保留河北南網(wǎng)全部500 kV線路、變壓器、發(fā)電機(jī)組和全部220 kV線路、發(fā)變組,全部220 kV變電站視為用電負(fù)荷節(jié)點(diǎn),采用R-L模型進(jìn)行用電負(fù)荷等值。在有省際聯(lián)絡(luò)線的變電站500 kV母線上對(duì)外省500 kV電網(wǎng)進(jìn)行多端口或單端口等值簡(jiǎn)化。線路模型采用計(jì)及分布參數(shù)特性的序參數(shù)模型LINEZT_3。本文以在武邑側(cè)帶高抗的臺(tái)邑一線為對(duì)象,對(duì)影響直流偏置的因素進(jìn)行仿真分析,相關(guān)的線路序參數(shù)見(jiàn)表1,相關(guān)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。武邑側(cè)有線路高抗一組,高抗型號(hào)為BKD-50000/500,中性點(diǎn)小電抗的型號(hào)為XKD-810/154,有3個(gè)檔位668.84/759.01/853.08 Ω,計(jì)算表明:使線路帶高抗運(yùn)行時(shí)的潛供電流和恢復(fù)電壓梯度最小時(shí)中性點(diǎn)小電抗應(yīng)置于最低檔。因此,文中中性點(diǎn)小電抗均取668.84 Ω檔。計(jì)算中高抗的阻值選取為設(shè)計(jì)值,即高抗電阻取額定值的0.2%,中性點(diǎn)小電抗的電阻取其電抗值的3%。 圖2 臺(tái)邑一線連線示意圖 表1 臺(tái)邑一線參數(shù) 目前,河北南網(wǎng)帶高抗線路的補(bǔ)償度范圍為131%~351%,因此,以臺(tái)邑一線帶高抗進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí),通過(guò)修改線路長(zhǎng)度參數(shù),使線路補(bǔ)償度在60%~360%變化,得到空充電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間與補(bǔ)償度關(guān)系見(jiàn)圖3。 圖3 線路空充電流隨線路的無(wú)功補(bǔ)償度的變化曲線 由計(jì)算結(jié)果可知,線路空充電流的直流偏置與其補(bǔ)償度并非呈正相關(guān)的線性關(guān)系,而是呈現(xiàn)類似駝峰現(xiàn)象,峰值出現(xiàn)在補(bǔ)償度120%左右。因此,應(yīng)盡量避免線路補(bǔ)償度在80%~160%,如此則偏置時(shí)間可控制在1 s以下。 由于工頻電壓電流的對(duì)稱性,選取臺(tái)邑一線A相電壓合閘角0°~90°變化時(shí),對(duì)其空充電流的無(wú)過(guò)零時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。 圖4 線路空充電流隨線路合閘時(shí)刻電壓相位的變化曲線 由計(jì)算結(jié)果可知,合閘相角對(duì)線路空充電流的影響明顯,在電壓為90°時(shí)合閘,直流偏置時(shí)間最長(zhǎng),在電壓為0°~20°時(shí)合閘沒(méi)有偏置現(xiàn)象。若將合閘時(shí)刻電壓相角控制在0°~50°,可將空充電流偏置時(shí)間控制在0.6 s以下。 為了限制合空線過(guò)電壓,在長(zhǎng)距離的超高壓輸電線路中,將斷路器裝設(shè);并聯(lián)電阻作為限制合空線過(guò)電壓的主要措施。這種為限制合空線過(guò)電壓而并聯(lián)的電阻(即合閘電阻)阻值約幾百Ω。以ABB生產(chǎn)的500 kV斷路器為例,斷路器由具有滅弧能力的主開(kāi)關(guān)Kz和不具備滅弧能力的與合閘電阻串聯(lián)輔助開(kāi)關(guān)Kf,見(jiàn)圖5。在斷路器合閘過(guò)程中,Kf先合上,把Rf接入系統(tǒng)中,經(jīng)過(guò)約10 ms,Kz再合上,再過(guò)幾十毫秒,Kf斷開(kāi),把Rf退出系統(tǒng)。這樣就完成了1次合閘的全部操作。計(jì)算空充電流隨合閘電阻的變化曲線見(jiàn)圖6。 圖5 合閘電阻示意圖 圖6 空充電流隨合閘電阻的變化曲線 由計(jì)算結(jié)果可知,空充電流的直流偏置時(shí)間隨斷路器合閘電阻的增加而線性降低。線路斷路器合閘電阻大于200 Ω時(shí),即可將直流偏置時(shí)間約由1 s降至0.5 s。 通過(guò)分析,線路單相、兩相、三相時(shí)線路的空充電流因網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,其穩(wěn)態(tài)工頻分量必然發(fā)生變化。通過(guò)仿真計(jì)算,線路單相、兩相、三相時(shí)的空充電流的穩(wěn)態(tài)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。為驗(yàn)證不同方式下空充電流直流偏置的大小,開(kāi)展三相不同合閘階段空充電流直流偏置的仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。 表2 臺(tái)邑一線在不同合閘方式下空充電流 A 表3 ABC單相順序合閘不同階段偏置電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間 ms 由計(jì)算結(jié)果可知,順序合閘不同階段對(duì)空充電流的直流偏置結(jié)果有較大影響。僅單相合入時(shí)偏置電流無(wú)過(guò)零時(shí)間最短,合入兩相后最后一相合入時(shí),偏置電流無(wú)過(guò)零時(shí)間最長(zhǎng)。 經(jīng)過(guò)不同因素對(duì)空充電流直流偏置時(shí)間的影響分析,通過(guò)控制線路的補(bǔ)償度、斷路器的合閘電阻、合閘相角及合閘方式4種途徑,均可抑制空充電流的直流偏置時(shí)間。 a.優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比 線路的補(bǔ)償度對(duì)舊線路而言,一般很難改變,只能對(duì)新建線路補(bǔ)償度進(jìn)行控制,達(dá)到抑制其合閘操作時(shí)直流偏置的目的。對(duì)新建線路,建議線路補(bǔ)償度小于70%,對(duì)于舊線路,若補(bǔ)償度超過(guò)200%,考慮系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?,也可以在采取一定措施時(shí),保留線路高抗,以滿足系統(tǒng)感性無(wú)功的缺額。 斷路器的合閘電阻對(duì)線路空充電流直流偏置時(shí)間的影響明顯,可以說(shuō)合閘電阻對(duì)抑制直流偏置效果較好,但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,增加合閘電阻會(huì)增加斷路器的故障概率,給設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不利影響,一般不建議通過(guò)加裝合閘電阻抑制直流偏置。 b.建議 日益成熟的選相合閘技術(shù)為通過(guò)相控技術(shù)達(dá)到抑制直流偏置的目的提供了可能,但對(duì)于500 kV斷路器,合閘操作時(shí),斷路器機(jī)械性能分散性較大。順序合閘方式的計(jì)算結(jié)果表明,單相、兩相合閘時(shí)直流偏置時(shí)間較三相合閘明顯縮短,考慮到系統(tǒng)非全相保護(hù)的時(shí)間為2.5 s,可將選相合閘和順序合閘結(jié)合起來(lái),通過(guò)合理確定不同階段的合閘時(shí)間間隔,將空充電流的直流偏置時(shí)間降至最低。 a.線路空充電流的直流偏置與其補(bǔ)償度并非呈正相關(guān)的線性關(guān)系,而是呈現(xiàn)類似駝峰現(xiàn)象,峰值出現(xiàn)在補(bǔ)償度120%左右。盡量避免線路補(bǔ)償度在80%~160%,在此補(bǔ)償度區(qū)間外偏置電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間可控制在1 s以下。 b.合閘相角對(duì)線路空充電流的影響明顯,在電壓為90°時(shí)合閘,直流偏置時(shí)間最長(zhǎng),在電壓為0°~20°時(shí)合閘沒(méi)有偏置現(xiàn)象。若將合閘時(shí)刻電壓相角控制在0°~50°,可將空充電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間控制在0.6 s以下。 c.空充電流的直流偏置時(shí)間隨斷路器合閘電阻的增加而線性降低。線路斷路器合閘電阻大于200 Ω時(shí),即可將空充電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間約由1 s降至0.5 s。 d.線路單相、兩相、三相合閘方式對(duì)空充電流的直流偏置結(jié)果有較大影響,單相合閘時(shí)直流偏置最輕,三相合閘時(shí)直流偏置最嚴(yán)重。 e.建議考慮到系統(tǒng)非全相保護(hù)的時(shí)間2.5 s,可將選相合閘和順序合閘結(jié)合起來(lái),通過(guò)合理確定不同階段的合閘時(shí)間間隔,將空充電流的直流偏置無(wú)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間降到最低。2 線路空充電流直流偏置的仿真分析
2.1 仿真模型的建立
2.2 線路補(bǔ)償度對(duì)空充電流直流偏置的影響
2.3 合閘相位對(duì)空充電流直流偏置的影響
2.4 合閘電阻對(duì)空充電流直流偏置的影響
2.5 合閘方式對(duì)空充電流直流偏置的影響
3 討論
4 結(jié)論