任洪濤 張 翔

?

P基于分布參數(shù)模型的苗尾水電站送出線路潛供電流抑制研究

任洪濤 張 翔

（華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014）

為提高超高壓輸電線路單相自動(dòng)重合閘的成功率，需限制各種運(yùn)行方式下線路的潛供電流和恢復(fù)電壓。本文利用ATP-EMTP建立了苗尾500kV輸電線路的分布參數(shù)模型，通過(guò)仿真得出苗尾出線并聯(lián)中性點(diǎn)小電抗器的取值與出線潛供電流、恢復(fù)電壓之間的關(guān)系，為線路重合閘設(shè)置和繼電保護(hù)整定提供依據(jù)。

潛供電流；并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)小電抗器；分布參數(shù)模型

超高壓線路中單相接地故障占全部故障90%以上，其中近80%的單相接地故障為瞬時(shí)性故障[1]。為了提高可靠性，超高壓輸電線路中廣泛采用單相自動(dòng)重合閘技術(shù)。然而由于超高壓系統(tǒng)電壓等級(jí)較高，潛供電流較大，影響了單相自動(dòng)重合閘的成功概率。尤其對(duì)于處于電力系統(tǒng)終端的大型水電站，通常只有一到兩回出線與區(qū)域電力系統(tǒng)連接，重合閘失敗將嚴(yán)重影響水電站的正常運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)外超高壓線路中抑制潛供電流的方法主要有兩種：快速接地開關(guān)（HSGS）和并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗器接地。日本和韓國(guó)主要采用HSGS，而我國(guó)和大部分歐美國(guó)家均采用中性點(diǎn)加裝小電抗器來(lái)限制潛供電流。

中性點(diǎn)小電抗器參數(shù)主要取決于潛供電流，目前比較通用的潛供電流計(jì)算方法有集中參數(shù)法、分布參數(shù)法和二次模法3種。文獻(xiàn)[2]利用二次模變換得出了較為精確的潛供電流，但是未能將潛供電流靜電分量和電磁分量解耦，算法復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]介紹了集中參數(shù)模型下潛供電流計(jì)算方法，物理概念清楚，適用于短距離輸電線路。文獻(xiàn)[4]研究了基于集中電阻和分布LC參數(shù)的Bergeron模型和基于分布RLC參數(shù)的頻率相關(guān)線路模型。本文利用ATP- EMTP仿真軟件建立了苗尾500kV出線工程的分布參數(shù)模型，定量分析了苗尾加裝中性點(diǎn)小電抗器對(duì)出線潛供電流的抑制，同時(shí)分析了中性點(diǎn)小電抗參數(shù)與潛供電弧恢復(fù)電壓、中性點(diǎn)小電抗器兩端電壓的關(guān)系，對(duì)類似工程有參考意義。

1 潛供電流抑制原理

1.1 潛供電流的產(chǎn)生

當(dāng)輸電線路發(fā)生單相瞬時(shí)性接地故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置使線路故障相兩端斷路器跳閘。由于故障相和兩個(gè)非故障相之間存在電容和電感耦合，即使故障相已與系統(tǒng)隔離，故障處仍有感應(yīng)電流（即潛供電流）通過(guò)，導(dǎo)致單相自動(dòng)重合閘不能成功[5]。

如圖1所示，潛供電流由靜電感應(yīng)分量和電磁感應(yīng)分量組成。靜電感應(yīng)分量是正常相電壓通過(guò)相間電容12向故障點(diǎn)提供的電流，其與線路的電壓等級(jí)和長(zhǎng)度有關(guān)，與故障點(diǎn)所在位置無(wú)關(guān)。電磁感應(yīng)分量是負(fù)載電流經(jīng)相間互感在故障相上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)故障相輸電導(dǎo)線、接地弧道以及故障相對(duì)地電容0形成回路，向故障點(diǎn)提供電流。電磁感應(yīng)分量與故障點(diǎn)密切相關(guān)，該分量在線路中央接地時(shí)為零，在線路兩端接地時(shí)達(dá)到最大值。

圖1 單相瞬時(shí)性短路時(shí)線路耦合傳遞回路

1.2 中性點(diǎn)小電抗抑制潛供電流原理

除超長(zhǎng)距離輸電線路外，相間分布電容是決定線路潛供電流大小的主要因素[5]，可用高壓電抗器P接中性點(diǎn)小電抗器N來(lái)補(bǔ)償這部分電容。當(dāng)中性點(diǎn)接小電抗器N后，通過(guò)星網(wǎng)變換可得圖2所示 電路。

圖2 加裝中性點(diǎn)小電抗線路等效回路

其中：

式中，LD和LM為等效對(duì)地電抗和相間電容。中性點(diǎn)小電抗器相當(dāng)于增加了值為L(zhǎng)M的相間電抗，而潛供電流的靜電感應(yīng)分量是通過(guò)相間電容形成通道的，如果等效相間感納等于容納時(shí)，即LM=C12時(shí)，兩者將形成并聯(lián)諧振，其等效阻抗為無(wú)窮大，隔斷了相間聯(lián)系，靜電感應(yīng)分量隨即被補(bǔ)償。在實(shí)際應(yīng)用中，小電抗器參數(shù)的選取還需兩項(xiàng)校驗(yàn)計(jì)算：小電抗器工頻過(guò)電壓計(jì)算和當(dāng)斷路器一相或兩相開斷時(shí)是否會(huì)發(fā)生諧振過(guò)電壓。

2 苗尾500kV輸電線路模型

2.1 苗尾接入系統(tǒng)工程概況

苗尾水電站位于云南大理州云龍縣苗尾村，上游與大華橋水電站銜接，下游接功果橋水電站，電站裝機(jī)容量1400MW。投產(chǎn)初期通過(guò)單回500kV線路經(jīng)大華橋電站、新松換流站接至黃坪變電站。苗尾電站至大華橋電站線路路徑長(zhǎng)度約56km，按單回路架設(shè)，導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-400/35；大華橋電站至新松換流站線路路徑長(zhǎng)度約2×93km，前20km按單回路架設(shè)，后73km按同塔雙回線架設(shè)，導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-400/35；新松換流站至黃坪變線路路徑長(zhǎng)度約2×43km，導(dǎo)線截面導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-400/35。接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。架空線路多次換位以保證相間和對(duì)地分布參數(shù)對(duì)稱。苗尾出線側(cè)設(shè)有一臺(tái)210Mvar的并聯(lián)電抗器以滿足工頻過(guò)電壓要求。

圖3 苗尾電站接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 苗尾500kV輸電線路模型

潛供電流是由于線間互感和電容關(guān)系引起，仿真時(shí)必須涉及到線路的基本參數(shù)，主要包括輸電線路正序阻抗和零序阻抗、每相導(dǎo)線的對(duì)地電容和相間電容，將這些參數(shù)輸入ATP-EMTP的分布式Clarke模型中，即可得到線路的分布參數(shù)模型。

苗尾出線工程處于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，輸電線路分布參數(shù)是根據(jù)初步設(shè)計(jì)資料，利用ATP-EMPT支持子程序Line Constant計(jì)算獲得。根據(jù)初步設(shè)計(jì)資料，苗尾500kV輸電線單回線路桿塔采用酒杯型桿塔，導(dǎo)線水平布置，間距取13m，導(dǎo)線平均高度為28m；同塔雙回線路采用鼓型桿塔，ABC三相導(dǎo)線距桿塔中性線距離分別為4.5m、6m、5m，對(duì)地平均30m、24m、14m。根據(jù)以上資料可得線路分布參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 苗尾500kV單回輸電線路參數(shù)

表2 苗尾500kV同塔雙回輸電線路參數(shù)

3 苗尾出線潛供電流仿真計(jì)算

3.1 系統(tǒng)計(jì)算模型

苗尾水電站作為電源終端，采用內(nèi)阻抗為2+ j12.6W的電壓源模擬，電壓相角為525∠0°kV，為滿足苗尾水電站滿發(fā)時(shí)系統(tǒng)的潮流，依據(jù)《苗尾水電站接入系統(tǒng)可研報(bào)告》潮流分析相關(guān)成果，新松變之后的電網(wǎng)由電壓源514∠20°kV模擬。由于本模型只用于計(jì)算潛供電流的大小，不考慮潛供電弧熄滅的動(dòng)態(tài)過(guò)程，故根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（1998年版），可用300W的等效電阻代替潛供電弧。

3.2 潛供電流仿真

根據(jù)以上所述條件建立了EMTP仿真模型。模型中，在0.12s時(shí)刻系統(tǒng)發(fā)生單相短路，0.17s時(shí)刻線路兩側(cè)斷路器單相跳閘，并在0.4s時(shí)斷開潛供電流回路以計(jì)算恢復(fù)電壓的幅值。單相接地故障點(diǎn)選取潛供電流最為嚴(yán)重的線路兩端，即苗尾水電站出線側(cè)和新松換流站進(jìn)線側(cè)，并以苗尾出線側(cè)故障時(shí)進(jìn)行各種工況分析。

3.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)電力行規(guī)DL 5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》要求，輸電線路潛供電流應(yīng)小于20A，不加裝中性點(diǎn)小電抗時(shí)苗尾500kV出線潛供電流約為37.5A，不滿足要求，故需加裝中性點(diǎn)小電抗器。

表3 故障點(diǎn)為苗尾出線側(cè)時(shí)潛供電流和恢復(fù)電壓

表4 故障點(diǎn)為黃坪進(jìn)線側(cè)時(shí)潛供電流和恢復(fù)電壓

由上節(jié)仿真計(jì)算結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）苗尾出線側(cè)并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)小電抗最佳取值在1200mH左右，線路滿載時(shí)潛供電流降至3.04A后無(wú)法在繼續(xù)降低，導(dǎo)致這種結(jié)果有兩個(gè)因素：①由式（1）可知，并聯(lián)電抗器容量確定后，LP不變，僅改變LN無(wú)法同時(shí)補(bǔ)償線路相間電容和對(duì)地電容，靜電感應(yīng)分量無(wú)法完全補(bǔ)償；②滿載時(shí)輸電線路1.54kA的額定電流會(huì)產(chǎn)生一部分電磁感應(yīng)電流。由圖4中線路空載和滿載時(shí)潛供電流的波形可看出，線路空載時(shí)的潛供電流即未補(bǔ)償?shù)撵o電感應(yīng)分量，空載與滿載潛供電流之差即為電磁感應(yīng)分量。

2）單相跳閘后中性點(diǎn)小電抗承受電壓與小電抗值成正比，而與潛供電流大小無(wú)關(guān)，因此在選擇中性點(diǎn)小電抗參數(shù)時(shí)通常采用欠補(bǔ)償。對(duì)于苗尾出線，取值在0～2000mH之間時(shí)，中性點(diǎn)小電抗兩端電壓均在60kV以下，處于較低水平。

3）由圖5和圖6可知，潛供電弧熄滅后，故障相電壓出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象。這是因?yàn)榫€路裝設(shè)并聯(lián)電抗器后，無(wú)論中性點(diǎn)采用何種接地方式，相間和對(duì)地電容都會(huì)與并聯(lián)電抗器形成串聯(lián)諧振回路。如圖6所示，當(dāng)苗尾出線中性點(diǎn)小電抗取600mH時(shí)，諧振電壓幅值甚至超過(guò)額定電壓，勢(shì)必會(huì)引起潛供電弧重燃。

圖4 裝設(shè)中性點(diǎn)小電抗前后潛供電流對(duì)比

圖5 小電抗取1200mH線路空載和滿載潛供電流

圖6 小電抗取600mH時(shí)故障相電壓波形

潛供電流的順利自熄是自動(dòng)重合閘成功的必要條件。根據(jù)1974年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議結(jié)論，無(wú)電流間隙時(shí)間（s）和潛供電流（A）的關(guān)系可用下式表示：

當(dāng)小電抗取1200mH時(shí)，苗尾出線側(cè)潛供電?。?.04A）熄滅時(shí)間為0.326s。單相自動(dòng)重合閘時(shí)間可據(jù)此整定。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ATP-EMTP建立了苗尾水電站500kV輸電線路的潛供電流計(jì)算模型，結(jié)合電站投運(yùn)初期的運(yùn)行方式，分析了并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)小電抗器參數(shù)對(duì)苗尾-黃坪線路潛供電流、恢復(fù)電壓的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，推薦苗尾出線并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)小電抗器取1200mH。

[1] 王皓, 李永麗, 李斌. 750kV及特高壓輸電線路抑制潛供電弧的方法[J]. 中國(guó)電力, 2005, 38(12): 29-32.

[2] 商立群, 施圍. 計(jì)算同桿雙回輸電線路潛供電流與恢復(fù)電壓的二次模法[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 39(2): 196-199.

[3] 崔若晨. 磁閥式可控電抗器抑制輸電線路潛供電流研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2011.

[4] 尹忠東, 周麗霞. 不同線路模型下潛供電流的特性分析[J]. 電工電能新技術(shù), 2009, 28(4): 10-13, 41.

[5] 電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 1998.

[6] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB/T 50064—2014. 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] 張娜, 蔣健, 李巨澤, 等. 220kV大型敞開式變電站主接線型式改造方案研究[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(6): 132-135.

[8] 徐小寧. 變電站主接線方式可靠性評(píng)估與方案優(yōu)選[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(12): 441-446.

[9] 杜鑫. 一種GIS設(shè)備回路電阻測(cè)試方法探索與實(shí)踐[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(10): 119-122.

[10] 郭曉君, 吳文斌. 一起基于ATP-EMTP仿真的電容式電壓互感器故障的分析研究[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(4): 87-90.

[11] 孫秋芹, 汪沨. 特高壓輸電線路潛供電流的暫態(tài)特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(3): 98-101.

Submersible current of Miaowei Hydropower Station’s transmission line analysis based on distributed model

Ren Hongtao Zhang Xiang

(Huadong Engineering Co., Ltd, Hangzhou 311122)

In order to improve the success rate of single-phase automatic reclosure of EHV transmission lines, the submersible current and recovery voltage under various operation modes need to be restricted. In this paper, the distribution parameter model of the 500kV transmission line of the seedling tail is established by ATP-EMTP. Through the simulation, the relationship between the value of the high resistance neutral point small reactor and the potential supply current and the recovery voltage is obtained. It provides the basis for the setting of the line reclosing and the relay protection setting.

submersible current; neutral point reactor; distribution model

2018-06-26

任洪濤（1989-），男，河南焦作人，碩士，主要從事水電站機(jī)電工程方面的研究工作。