特高壓串補(bǔ)輸電線路熄滅潛供電弧的方法

胡玉生，商立群，劉培

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安710054）

特高壓串補(bǔ)輸電線路熄滅潛供電弧的方法

胡玉生，商立群，劉培

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安710054）

單相自動(dòng)重合閘的成功合閘與潛供電弧的快速熄滅關(guān)系密切。在特高壓串補(bǔ)輸電線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，為加快熄滅潛供電弧，提出采用一定數(shù)值的電阻短接故障相電容的方法。詳細(xì)地闡述了潛供電流的頻率特性，并給出直流分量的大小及衰減的快慢與故障時(shí)刻、弧道電阻的關(guān)系。最后以實(shí)際工程為例進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明，該方法對潛供電弧的熄滅是實(shí)用和有效的。

特高壓串補(bǔ)輸電線路；潛供電弧；直流分量；短接電阻

當(dāng)特高壓串補(bǔ)輸電線路發(fā)生單相瞬時(shí)性接地故障時(shí)，故障相兩端斷路器動(dòng)作，切斷一次短路電流，但此時(shí)電弧并未熄滅，由于非故障相通過靜電耦合和電磁耦合仍然給故障點(diǎn)的對地電弧提供能量維持電弧的燃燒，該電弧即為潛供電弧。

為加快熄滅潛供電弧就必須阻斷健全相對其提供能量，對于特高壓輸電系統(tǒng)而言，一般都裝有并聯(lián)電抗器來抑制工頻過電壓，所以在阻斷健全相和故障相之間的能量傳遞時(shí)，目前工程上多采用在并聯(lián)電抗器中心點(diǎn)接小電抗的方法[1]來抑制這種能量傳遞。為提高特高壓輸電系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和線路的傳輸能力，串聯(lián)電容器補(bǔ)償在電網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用；但串補(bǔ)的接入給潛供電弧引入了低頻分量，加大了潛供電弧的自熄難度，目前在超高壓中采用聯(lián)動(dòng)旁路故障相電容的方法消除低頻分量。文獻(xiàn)[2]僅就特高壓輸電線路在加裝串聯(lián)電容補(bǔ)償后，在發(fā)生單相瞬時(shí)性故障時(shí)，分析了潛供電弧難以熄滅的原因，并指出串補(bǔ)可能給線路運(yùn)行帶來的過電壓、次同步諧振等問題，但并未給出實(shí)際的抑制潛供電弧方法。文獻(xiàn)[3-5]都僅僅從實(shí)驗(yàn)的角度描述了特高壓潛供電弧的自滅特性，由于潛供電弧自滅特性受氣象條件、絕緣子長度等隨機(jī)性因素影響，所以實(shí)際中還是通過減小潛供電流和恢復(fù)電壓來加速其自熄。本文從實(shí)際出發(fā)，研究單相接地故障時(shí)潛供電流中直流分量的特性及如何消除其對潛供電弧熄滅的影響。

1 特高壓串補(bǔ)線路潛供電弧的特性分析

特高壓串補(bǔ)輸電線路在發(fā)生單相瞬時(shí)性接地故障時(shí)，由于串聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器的振蕩作用，潛供電流和恢復(fù)電壓中都會有低頻分量的存在，該低頻分量會導(dǎo)致潛供電流過零點(diǎn)次數(shù)減少，加大了潛供電弧的自熄的難度。為消除低頻分量通常采用旁路串聯(lián)電容的措施[6]，但在某些情況下潛供電弧還是難以快速自熄，原因在于在濾除低頻分量后，潛供電流中還有較大的直流分量。

本文仿真我國特高壓交流試驗(yàn)示范工程晉東南至南陽段南陽為開關(guān)站，線路長度為360 km，輸電線路的參數(shù)為

在晉東南、南陽之間t=0.05 s時(shí)，分別距晉東南、南陽260、100 km處A相單相接地短路，接地電阻為30 Ω，0.08 s后線路動(dòng)作，跳開A相，仿真時(shí)間為1 s，其等效電路見圖1。圖中C1、C0分別為輸電線路單位長度的相間電容和對地電容；X1、X0分別為并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)接小電抗等效的相間感抗和對地感抗[7]；l為線路長度。

圖1 單相接地故障時(shí)靜電感應(yīng)分量的等效電路Fig.1Equivalent circuit of static inductance component under single-phase earth fault

當(dāng)開關(guān)K閉合時(shí)，開關(guān)處流過的電流即為潛供電流中靜電感應(yīng)分量，由于其占很大的比重，其值近似潛供電流的大小，潛供電流的計(jì)算式為

式中：C2為C1和X1并聯(lián)的等效電容；E為故障前輸電線路的電壓幅值。串補(bǔ)線路潛供電流波形見圖2。由圖3可見，串補(bǔ)線路的潛供電流是一個(gè)幅值逐漸衰減的振蕩曲線[8]，對其進(jìn)行諧波分析，可以得到圖3的頻譜分析和表1中串補(bǔ)部分包含的各分量值。

圖2 串補(bǔ)線路潛供電流波形Fig.2Waveform of secondary arc current with series compensation

圖3 潛供電流的頻譜分析Fig.3Frequency analysis of secondary arc current

表1 潛供電流各分量值Tab.1Each component value of secondary arc current

從圖3和表1中知道串補(bǔ)線路潛供電流中主要包含工頻分量、直流分量和一幅值較大的低頻分量，該低頻是在斷路器跳開后，串補(bǔ)電容中的儲能在回路中充放電產(chǎn)生的，嚴(yán)重影響電弧的熄滅[9]；為消除該低頻的影響，工程上通常采用旁路電容器的方法。旁路電容后的潛供電流波形見圖4。

圖4 旁路后的潛供電流波形Fig.4Waveform of secondary arc current without series compensation

對圖4中的旁路電流波形進(jìn)行傅里葉分析可得到表1旁路串補(bǔ)部分的結(jié)果：潛供電流中僅含有工頻分量和幅值較大的逐漸衰減的直流分量。

從表1中可得，串補(bǔ)線路在未旁路故障電容時(shí)潛供電流中包含直流分量、工頻分量及低頻分量，導(dǎo)致電弧難以自熄；旁路故障電容后，潛供電流中的低頻分量被濾除，但是直流分量卻變大了，電弧同樣難以自熄。所以為保證潛供電弧的成功自熄，必須對直流分量進(jìn)行分析，去除其對電弧自熄的影響。

2 潛供電流中直流分量的特性分析

假設(shè)A相發(fā)生單相接地故障時(shí)，其一次電弧期間的等效電路簡化為圖5所示。

圖5 A相接地一次電弧期間等效電路Fig.5Equivalent circuit of A-phase earth fault occurred during the primary arc

故障電流滿足表達(dá)式

其通解對應(yīng)的齊次方程為

其解即為短路電流的直流分量，即

它按指數(shù)規(guī)律衰減，其中C為常數(shù)，是直流分量的起始值，Ta=L/R為衰減時(shí)間常數(shù)，其衰減的快慢與R、L相關(guān)。在L不變的前提下，R越大直流分量衰減的越快，即故障時(shí)接地電阻越大直流分量衰減越快。

在感性線路中，根據(jù)楞次定律，通過電感的電流是不能突變的，即短路前一瞬間的電流值必須與短路后一瞬間的電流值相等，所以直流分量的起始值C為短路前瞬時(shí)電流與短路后交流分量瞬時(shí)值之差；短路前瞬時(shí)電流越大，直流分量的起始值就越大。而短路前瞬時(shí)電流的大小又與電源電壓的幅值有關(guān)，又由于短路的任意性，其幅值大小無法確定，所以直流分量大小也無法確定，但總存在某個(gè)時(shí)刻短路時(shí)，直流分量起始值有一個(gè)最大值。如果短路恰好發(fā)生在某些直流分量比較大的時(shí)刻，較大的直流分量就會導(dǎo)致潛供電弧的難以自熄。

綜上所述：當(dāng)直流分量的起始電流值過大，衰減的速度過慢時(shí)，即使旁路故障相補(bǔ)償電容，消除了低頻分量的影響，直流分量仍然會因?yàn)樗p的不夠快幅值過大而造成潛供電弧的難以自熄，導(dǎo)致重合閘的失敗。

3 小電阻短接故障相串補(bǔ)熄滅潛供電弧

由于潛供電流中的直流分量衰減快慢與短路的時(shí)刻和接地電阻有關(guān)，而短路瞬時(shí)的任意性和接地電阻阻值的不確定性，在大多數(shù)情況下仍會阻礙潛供電弧的自熄；并且在旁路故障相串補(bǔ)消除潛供電弧中低頻分量時(shí)，又增加了直流分量，潛供電弧就更加難以自熄。

為消除這種阻礙潛供電弧快速自熄的直流分量，依據(jù)式（4）中直流分量的衰減快慢與R大小的關(guān)系，本文采用電阻短接故障相串補(bǔ)的方法來熄滅潛供電弧，同時(shí)為達(dá)到旁路串補(bǔ)消除低頻分量的目的，電阻的阻值應(yīng)選取較小的數(shù)值。

圖6給出了在穩(wěn)態(tài)下的潛供電流的沿線分布，包括短接故障相串補(bǔ)和未短接故障相串補(bǔ)兩種情況，其中短接電阻為0相當(dāng)于旁路故障相串補(bǔ)電容。從圖中可以得到，短接故障相串補(bǔ)電容會使得潛供電流有所減小，但沿線分布的趨勢并沒有變；另外潛供電流的大小會受到短接電阻大小的影響，根據(jù)電路知識可知，短接電阻越小，串補(bǔ)度越小，潛供電流也就會越小。

圖6 短接故障相串補(bǔ)對潛供電流的影響Fig.6Secondary arc current influence with shorting series compensation of fault phase

圖7為短接故障相串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)碾娮枳柚捣謩e為0 Ω、10 Ω、30 Ω、50 Ω時(shí)，潛供電流的EMTP暫態(tài)仿真結(jié)果。從圖中可看到潛供電流中的低頻分量已被消除，直流分量的衰減速度得到加快。并且短接用的電阻阻值越大，潛供電流衰減越快，在短接電阻為10 Ω時(shí)，潛供電流衰減過慢，電弧難以自熄；在短接電阻為30 Ω、50 Ω時(shí)，熄弧效果良好，能夠保證重合閘的成功。

圖7 短接故障相串補(bǔ)時(shí)的潛供電流波形Fig.7Waveforms of secondary arc current with shorting series compensation of fault phase

圖8所示是選取接地電阻為0、30 Ω時(shí)的恢復(fù)電壓大小，可以得到，在采用小電阻短接故障相串補(bǔ)時(shí)，恢復(fù)電壓的大小也會略有降低。

對于特高壓交流試驗(yàn)示范工程晉東南至南陽段，本文建議可采用30～50 Ω的小電阻在故障時(shí)短接串補(bǔ)電容，既可加快潛供電流的衰減還可減小恢復(fù)電壓的大小，從而保證潛供電弧的順利自熄。

圖8 短接故障相串補(bǔ)時(shí)的恢復(fù)電壓Fig.8Waveforms of the recovery voltage with shorting series compensation of fault phase

4 結(jié)語

（1）在旁路故障相串補(bǔ)時(shí)，潛供電流中的低頻分量被消除，但增大了直流分量。

（2）直流分量的起始值與故障時(shí)刻密切相關(guān)，而衰減速度隨接地電阻變大而變大，但故障時(shí)刻和接地電阻都具有不確定性，在直流分量起始值很大而接地電阻很小的情況下，會導(dǎo)致熄弧困難。

（3）利用小電阻短接故障相串補(bǔ)能夠加快直流分量的衰減，同時(shí)對恢復(fù)電壓也有一定的抑制，能夠加快電弧的自熄，提高了重合閘的可靠性。本文建議對于晉東南至南陽段采用小電阻為30～50 Ω之間的阻值較為合適。

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Secondary Arc Extinction in UHV Transmission Line with Series Capacitor Compensation

HU Yu-sheng，SHANG Li-qun，LIU Pei
（School of Electrical and Control Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

Successful single-phase-reclose is closely related to the quick self-extinguish of the secondary arc.In order to acceleratingly extinguish the arc，a method via a certain resistor to short up the fault phase capacitance is proposed when a single-phase ground fault occurres in UHV transmission line with series compensation.This paper elaborates frequency characteristics of secondary-arc currents，and indicates the relationship between the value，attenuation rate of DC component of the secondary arc and the fault time，arc way resistance.The result confirms that this method is feasible and effective to extinguish secondary arc.

ultra-high voltage（UHV）transmission line with series compensation；secondary arc；direct current component；shorting resistance

TM773

A

1003-8930（2014）08-0029-05

胡玉生（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)重合閘。Email：290028965@qq.com

2012-12-27；

2013-06-07

陜西省教育廳科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（12JK0568）

商立群（1968—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。Email：851973009@qq.com

劉培（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣收蠝y距。Email：1311732258@qq.com