田 書 郭芃君 梁 京
(河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 454003)
近年來(lái),隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)電力的需求日益增大,甚至有些地方在用電高峰期出現(xiàn)缺電情況,那么建立特高壓輸電系統(tǒng)將有助于解決這一情況,使資源更加優(yōu)化,提高能源利用率。我國(guó)1000kV特高壓輸電的主要特點(diǎn)是傳輸容量大,輸電距離遠(yuǎn),西部能源基地與東部負(fù)荷中心距離在1000km以上,隨之帶來(lái)的電磁暫態(tài)和過電壓?jiǎn)栴}就顯得比較突出[2-6],主要表現(xiàn)為其電容效應(yīng)異常顯著,由此造成很大的空載線路工頻過電壓,在此基礎(chǔ)上由于線路合閘(包括單相重合閘)、分閘等的一些操作過電壓也會(huì)引發(fā)很大的過電壓很大,如果不采取相應(yīng)的措施,必將嚴(yán)重影響著線路的安全運(yùn)行。
目前國(guó)家電網(wǎng)公司已完成了晉東南-南陽(yáng)-荊門單回百萬(wàn)伏級(jí)輸電示范工程的建設(shè)工作,已經(jīng)成功運(yùn)行,這標(biāo)志我國(guó)對(duì)特高壓研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。本文基于示范工程對(duì)雙電源雙回路供電系統(tǒng)各種工況下的工頻過電壓升高現(xiàn)象有研究對(duì)象,利用電磁暫態(tài)計(jì)算程序 ATP-EMTP中的LCC模型建立特高壓線路仿真模型仿真分析了線路的電容效應(yīng)和單相接地故障對(duì)特高壓輸電線路的影響,并提出了采用高壓并聯(lián)電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償限制工頻過電壓升高的措施,以及必要時(shí)用MOA限制由單相接地引起過電壓幅值較高時(shí)的措施。
工頻過電壓產(chǎn)生機(jī)理
隨著輸電線路電壓等級(jí)的提高,輸送距離的增長(zhǎng),需要考慮到長(zhǎng)線路的電容效應(yīng),采用分步參數(shù)電路模型[7-8]。
圖1 特高壓輸電線路等值電路
在線路空載情況下(如圖1所示),線路首末端的電壓表達(dá)式為
式中,γ為輸電線路的的傳播系數(shù);β為衰減系數(shù);α為相位移系數(shù);ZC為輸電線路波阻抗。
考慮電源電抗后,根據(jù)式(1)、(2)可得線路末端電壓與電源電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系為
可以看出,線路越長(zhǎng),系統(tǒng)等值阻抗越大,線路末端的電壓就越高。
在此建立一段長(zhǎng)度為600km的1000kV特高壓輸電線路模型,如圖2所示,潮流從m流向n,雙端電源的擺開角度為30°。
圖2 特高壓輸電線路模型
利用ATP-EMTP建立1000kV特高壓輸電線路仿真模型。文獻(xiàn)[9]介紹了EMTP在UHV線路計(jì)算的方法以及各個(gè)元件模型的介紹。具體模型參數(shù)設(shè)置:特高壓輸電線路采用分段補(bǔ)償[6],即分段長(zhǎng)度為300km;高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)償度設(shè)為87%[10];雙端電源擺開角度為30°,兩端斷路器并聯(lián)上合閘電阻,合閘電阻阻值取600Ω[10]。一般裝設(shè)的合閘電阻接入時(shí)間為8~12ms,這里設(shè)為10ms。仿真時(shí)斷路器隨機(jī)合閘200次,從中得出出現(xiàn)2%概率的最大過電壓的統(tǒng)計(jì)值。合閘電阻接入時(shí)間取0.1s,斷路器合閘時(shí)間取0.2s,整個(gè)仿真時(shí)間取0.5s。
選取 MOA的主要參數(shù)[11-13]:額定電壓為828kV,持續(xù)運(yùn)行電壓約為638kV,標(biāo)稱放電電流為20kA,在30/60μs、2kV下的操作沖擊殘壓不高于1460kV,在8/20μs、20kA下,雷電沖擊殘壓不高于1640kA,工頻參考電壓不低于828kV。在模型中設(shè)置的基準(zhǔn)電壓為
(1)特高壓輸電線路全長(zhǎng)2×300km,傳輸容量為3000MVA,線路每100km的充電功率為315.5Mvar,所以必須采用高壓并聯(lián)電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。
(2)在分析空載線路在電容效應(yīng)基礎(chǔ)上,仿真計(jì)算高壓并聯(lián)電抗器裝設(shè)在線路首端、末端以及線路兩端工頻電壓升高及其沿線分布。
表1 高壓并聯(lián)電抗器裝設(shè)在線路首端、末端和線路兩端下的空載線路電壓分布
由表1的仿真結(jié)果可以看出:
(1)輸電線路安裝高壓并聯(lián)電抗器后對(duì)空載電容效應(yīng)引起的過電壓有一定抑制作用,越靠近高抗的沿線過電壓越低。
(2)當(dāng)補(bǔ)償度一定時(shí),高抗安裝在線路末端出現(xiàn)的最大過電壓要小于裝設(shè)在線路首端和線路兩端,但是要考慮到實(shí)際線路,多采取就地補(bǔ)償無(wú)功以平衡局部無(wú)功,仿真結(jié)果中高抗裝設(shè)兩端時(shí)的沿線過電壓倍數(shù)最大的只比末端裝設(shè)時(shí)的多4.61%。綜合考慮實(shí)際情況建議采用線路兩端裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器來(lái)限制這種沿線工頻電壓升高。
(1)接地故障發(fā)生在一相線路的首端、線路中間和線路末端,在正常相上感應(yīng)出的工頻過電壓。故障時(shí)間設(shè)為一個(gè)工頻周期內(nèi)的隨機(jī)時(shí)間。
(2)線路補(bǔ)償度設(shè)置為87%,由前文仿真結(jié)果,高抗裝設(shè)在線路的兩端。
(3)比較分析有無(wú)MOA裝設(shè)時(shí)對(duì)工頻過電壓大小的影響。
基于仿真模型,線路中部在0.3s發(fā)生A相接地故障,線路一端斷路器在0.345s分閘甩負(fù)荷,此時(shí)設(shè)定故障發(fā)生時(shí)刻為單相電壓峰值(此時(shí)的過電壓最為嚴(yán)重),健全相B相過電壓仿真圖如圖3所示。
故障發(fā)生后,考慮到線路中部過電壓比較嚴(yán)重,在0.31s時(shí)工頻過電壓大于1.3p.u.。
圖3 線路中間發(fā)生單相接地故障時(shí)健全相上的過電壓
在線路兩端裝設(shè) MOA情況下,輸電線路中間發(fā)生A相接地故障后,健全相B相的電壓仿真圖如圖4所示。
圖4 裝設(shè)MOA時(shí)線路中間發(fā)生單相接地故障時(shí)健全相上的過電壓
表2 未裝設(shè)MOA時(shí)不同故障點(diǎn)單相接地工頻過電壓
表3 裝設(shè)MOA時(shí)不同故障點(diǎn)單相接地工頻過電壓
(1)由表2的仿真結(jié)果可以得出輸電線路中間發(fā)生單相接地時(shí)的工頻過電壓大于線路兩端接地過電壓;并且造成的過電壓最大值往往出現(xiàn)在線路中部,末端電壓一般高于首端。
(2)由表 3的仿真結(jié)果可以得出線路裝設(shè)MOA后,過電壓的幅值有明顯的降低,有一定的抑制效果,并且沿線過電壓趨于平緩。
本文通過仿真計(jì)算重點(diǎn)對(duì)雙電源雙回路特高壓輸電線路的工頻過電壓進(jìn)行了分析研究,仿真結(jié)果表明在輸電線路末端裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器后的效果最好,可以把線路工頻過電壓降到1.095p.u.;但是要考慮到實(shí)際線路,多采取就地補(bǔ)償無(wú)功以平衡局部無(wú)功,仿真結(jié)果中高抗裝設(shè)兩端時(shí)的沿線過電壓倍數(shù)最大的只比末端裝設(shè)時(shí)的多 4.61%。綜合考慮實(shí)際情況建議采用線路兩端裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器來(lái)限制這種沿線工頻電壓升高。輸電線路發(fā)生單相接地故障時(shí),引起的過電壓最嚴(yán)重時(shí)可達(dá)到1.317p.u.,利用 MOA后可將其過電壓幅值降低到1.045p.u.,并且得到的沿線電壓比較平緩。
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