浙福特高壓交流輸電工程感應(yīng)電壓與恢復(fù)電壓研究

辛 亮，趙丹丹，曹 路，莊侃沁

（1.國(guó)網(wǎng)上海電力科學(xué)研究院，上海 200437；2.國(guó)家電網(wǎng)公司華東分部，上海 200120）

浙北—福州特高壓工程是國(guó)家電網(wǎng)繼特高壓交流試驗(yàn)示范工程、皖電東送工程之后，投資建設(shè)的第三個(gè)特高壓交流工程。該工程建成后，福建和浙江電網(wǎng)形成特高壓和500k V共2路通道、4回線路聯(lián)系，抵御臺(tái)風(fēng)、冰災(zāi)等自然災(zāi)害能力增強(qiáng)，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平大幅提高。本文對(duì)該條特高壓線路典型工況下的的感應(yīng)電壓、恢復(fù)電壓和潛供電流進(jìn)行了分析研究，評(píng)估在目前配置下平行線路間諧振情況，并對(duì)高抗中性點(diǎn)小電抗的配置提出意見，也為特高壓帶電作業(yè)提供理論依據(jù)。

1 浙福特高壓感應(yīng)電壓電流仿真計(jì)算

感應(yīng)電壓、環(huán)流可分為電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)兩部分。靜電感應(yīng)主要是由于導(dǎo)線間耦合電容引起，帶電導(dǎo)線通過電容耦合使得平行線路產(chǎn)生感應(yīng)電壓。靜電感應(yīng)電壓、電流的計(jì)算建立在麥克斯韋方程的基礎(chǔ)上［1］。電磁感應(yīng)指回路間的磁耦合效應(yīng)，與靜電感應(yīng)分量不同，電磁感應(yīng)電壓的大小取決于負(fù)荷電流、線路長(zhǎng)度和導(dǎo)線布置方式，而與輸電線路的電壓等級(jí)無關(guān)。電磁感應(yīng)電壓、電流的計(jì)算建立在導(dǎo)線全阻抗的基礎(chǔ)上。

浙福特高壓工程起于浙江安吉站，經(jīng)浙中、浙南特高壓變電站，達(dá)到福州特高壓站。其中浙北～浙中總線長(zhǎng)197.4 km，浙中—浙南段總線長(zhǎng)121.5 km，浙南～福州段總線長(zhǎng)279 km。三條線路均為三段式完全換位。

本文對(duì)浙福特高壓2014～2015年典型運(yùn)行工況下同塔雙回線路中一回停運(yùn)一回運(yùn)行時(shí)，停運(yùn)回上的感應(yīng)電壓和電流進(jìn)行了計(jì)算。同塔雙回線路的模擬示意圖見圖1，假設(shè)I回路處于運(yùn)行狀態(tài)，II回路處于停運(yùn)狀態(tài)，KL和KSH分別為II回路兩側(cè)的接地開關(guān)。

在I回路運(yùn)行過程中，II回路兩側(cè)接地開關(guān)可能產(chǎn)生的以下幾種工況：

（1）KL和KSH均處于接地狀態(tài)，則兩側(cè)接地開關(guān)均連續(xù)承載感性感應(yīng)電流，操作任一側(cè)開關(guān)將斷開感性電流。

（2）KL處于接地狀態(tài)，KSH處于斷開狀態(tài)，則KL上承載靜電感應(yīng)電流，KSH上承受電磁感應(yīng)電壓；操作KL將斷開靜電感應(yīng)的電容性電流，操作KSH將關(guān)合電感性電壓。反之亦然。

（3）KL和KSH均處于斷開狀態(tài)，則兩側(cè)接地開關(guān)均承受容性感應(yīng)電壓，操作任一側(cè)開關(guān)將關(guān)合電容性電流。

以下僅以浙北—浙中段為例，說明感應(yīng)電壓電流的計(jì)算過程。浙福特高壓線路浙北—浙中線路約為197.4 km，I回線路及II回線路一端各配置容量為720 MVA的高抗，額定電壓為1 100 k V，則高抗的阻抗為1 680Ω。根據(jù)計(jì)算，浙北～浙中線路I回和II回線路的正序電容平均為0.013 817 2μF／km，根據(jù)特高壓運(yùn)行規(guī)范，特高壓線路上的電壓應(yīng)在1 000～1 100 k V，假設(shè)該線路運(yùn)行在最高運(yùn)行電壓，則單回線路的充電電流為2.76 A／km，總充電電流為544.2 A，總充電功率為1 036.8 MVar，而此時(shí)高抗運(yùn)行在其額定電壓下，其補(bǔ)償?shù)娜萘繛?20 MVar。線路的補(bǔ)償度為

浙福特高壓線路浙北—浙中感應(yīng)電壓電流計(jì)算結(jié)果見表1［2］。在目前的線路布置以及高抗配置下，浙北～浙中線路的感應(yīng)電壓在不同的運(yùn)行方式下均在50 k V以下，而靜電感應(yīng)電容電流則在12 A左右，電磁感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流則隨著負(fù)荷的變化而變壓，在2014年冬季低谷負(fù)荷時(shí)，浙北—浙中線路的輸送功率僅有220 MW，此時(shí)的電磁感應(yīng)電壓最低僅為0.58 k V，電磁感應(yīng)電流最低為不到11 A，而當(dāng)線路輸送功率變大，以上兩個(gè)電磁感應(yīng)兩也會(huì)變大，當(dāng)單回輸送功率達(dá)到3 000 MW時(shí)，電磁感應(yīng)電壓為3.07 k V，電磁感應(yīng)電流為47.78 A。

表1 浙北—浙中特高壓線路感應(yīng)電壓電流

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，浙北—浙中線路的靜電感應(yīng)電壓最高為47.3 k V左右，靜電容性電流在12.4 A左右，電磁感應(yīng)電壓最高為3.07 k V，電磁感應(yīng)電流最高為47.78 A，均在接地開關(guān)的關(guān)合能力范圍之內(nèi)。

2 浙福特高壓輸電線路恢復(fù)電壓和潛供電流研究

當(dāng)線路的故障相兩側(cè)斷路器跳閘后，由于非故障相與故障相之間存在電容與互感，雖然短路相的電源已被切斷，但故障點(diǎn)弧光通道中仍有一定的電流流過，這個(gè)電流即是潛供電流。潛供電流的存在，將維持故障點(diǎn)處的電弧，使之不易熄滅。另外，當(dāng)潛供電流熄滅以后，由于線路間的電容耦合，斷開相上立即會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電壓，這個(gè)電壓成為恢復(fù)電壓。如果故障相短路點(diǎn)的對(duì)地電壓很高，由于短路點(diǎn)電弧燃燒，弧光通道的存在很多游離電子，容易使短路點(diǎn)再次出現(xiàn)弧光接地現(xiàn)象，導(dǎo)致線路自動(dòng)重合閘失敗。線路的潛供電流和恢復(fù)電壓與輸電線路的參數(shù)、線路的補(bǔ)償情況、線路兩端的運(yùn)行電壓、輸送潮流有關(guān)，與線路兩側(cè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。高壓線路需采取一定的措施減小輸電線路的潛供電流和恢復(fù)電壓，本文對(duì)浙福特高壓線路的潛供電流和恢復(fù)電壓進(jìn)行了研究。

2.1 浙福特高壓線路潛供電流恢復(fù)電壓計(jì)算

本文就浙福交流特高壓系統(tǒng)典型運(yùn)行工況，計(jì)算了一回線路處于運(yùn)行、檢修和冷／熱備用運(yùn)行狀態(tài)下，另外一回線路A、B、C三相分別發(fā)生單相故障接地時(shí)的潛供電流和恢復(fù)電壓，以浙北～浙中段為例，計(jì)算結(jié)果如下：該線路總長(zhǎng)197.4 km，并聯(lián)補(bǔ)償高抗容量為720 MVA，中性點(diǎn)小電抗為1 000Ω。

在2014年冬季低谷負(fù)荷運(yùn)行方式下，浙北站運(yùn)行電壓為1061.1 k V，浙中站運(yùn)行電壓為1 065.8 k V，浙北—浙中段線路潮流為327.6－j1196.4 MVA；在2015年夏季高峰負(fù)荷運(yùn)行方式下，浙北站運(yùn)行電壓為1 050.6 k V，浙中站運(yùn)行電壓為1 045.3 k V，浙中—浙北段線路潮流1402.9-j1156.5 MVA。該線路的潛供電流和恢復(fù)電壓的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2中可看出，浙北—浙中段特高壓交流線路的最大恢復(fù)電壓為87.87 k V，相應(yīng)的最大潛供電流為24.41 A，最大恢復(fù)電壓梯度為8.37 k V／m。根據(jù)不同電流下潛供電弧自滅時(shí)限推薦值（保證率90%），潛供電弧自滅時(shí)限推薦值為0.18～0.22 s，考慮故障點(diǎn)絕緣恢復(fù)時(shí)間和一定的時(shí)間裕度后，浙北—浙中段特高壓交流線路發(fā)生瞬時(shí)單相接地故障后故障點(diǎn)恢復(fù)絕緣的時(shí)間應(yīng)不會(huì)影響單相重合閘的成功率。

圖2 浙北—浙中II回線路感應(yīng)電壓沿線的分布

表2 浙北—浙中線路潛供電流和恢復(fù)電壓

2.2 中性點(diǎn)小電抗對(duì)浙福特高壓線路潛供電流恢復(fù)電壓的影響

當(dāng)潛供電流較大和恢復(fù)電壓較高時(shí)，就要采取措施加快潛供電弧的熄滅。目前，超、特高壓輸電系統(tǒng)主要采取以下措施：（1）高壓并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)加裝小電抗；（2）使用快速接地開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地兩端開關(guān)開斷后動(dòng)作，將故障點(diǎn)的開放性電弧轉(zhuǎn)化為開關(guān)內(nèi)電弧，使故障點(diǎn)的潛供電流大大降低；（3）采用良導(dǎo)體架空地線，減小線路的零序阻抗，增大地線感應(yīng)反電流，減小線路的潛供電流的感性分量；（4）自適應(yīng)單相自動(dòng)重合閘，根據(jù)潛供電弧熄弧時(shí)間自適應(yīng)地調(diào)整單相重合閘的合閘時(shí)間，提高重合成功率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平［3，4］。

根據(jù)浙北—浙中—浙南—福州全線的潛供電流和恢復(fù)電壓的計(jì)算結(jié)果：浙北—浙中段線路的最大潛供電流為24.41 A，在三段交流特高壓線路中最高；浙中—浙南線路的最大恢復(fù)電壓156.9 k V在三段交流特高壓線路中最高。線路并聯(lián)高抗的中性點(diǎn)小電抗對(duì)線路潛供電流和恢復(fù)電壓有較好的限制效果，因此本文對(duì)浙北～浙中～浙南兩段線路上的高抗中性點(diǎn)小電抗配置阻抗進(jìn)行了研究分析，計(jì)算結(jié)果如下。

根據(jù)潛供電流和恢復(fù)電壓的計(jì)算結(jié)果，在夏季高峰負(fù)荷情況下，其潛供電流和恢復(fù)電壓的水平較其他運(yùn)行狀態(tài)略高，且當(dāng)故障發(fā)生在B相時(shí)，線路的潛供電流和恢復(fù)電壓較A相和C相發(fā)生故障時(shí)的潛供電流和恢復(fù)電壓大。浙中—浙南段線路則在冬季低谷運(yùn)行方式下，一回線路備用，一回線路運(yùn)行，而運(yùn)行回在浙南端B相發(fā)生單相接地故障時(shí)取得。因此，在研究浙中—浙南段線路高抗中性點(diǎn)小電抗的配置時(shí)，以在冬季低谷運(yùn)行方式下，另一回線路處在備用狀態(tài)，運(yùn)行回浙南端B相發(fā)生單相接地故障的工況下進(jìn)行研究。

表3 浙中—浙南線路不通中性點(diǎn)電抗下的潛供電流和恢復(fù)電壓

表3是浙中—浙南線路在不通并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)電抗的阻值下的潛供電流和恢復(fù)電壓，圖3是恢復(fù)電壓和潛供電流隨并聯(lián)高抗中性點(diǎn)電抗的變化曲線，從計(jì)算結(jié)果看，對(duì)于浙中～浙南段交流特高壓線路，在目前的并聯(lián)高壓電抗器的配置下，在并聯(lián)高抗中性點(diǎn)電抗阻值在600Ω～1 200Ω范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，該線路的潛供電流和恢復(fù)電壓會(huì)隨之降低，但隨著電抗阻值的逐步增加，潛供電流和恢復(fù)電壓的變化速率逐步減小，逐步趨向飽和。

3 結(jié)論

本文對(duì)浙福特高壓系統(tǒng)典型運(yùn)行工況下同塔雙回線路中一回停運(yùn)一回運(yùn)行時(shí)，停運(yùn)回上的感應(yīng)電壓和電流進(jìn)行了計(jì)算；以及一回線路處于運(yùn)行、檢修和冷／熱備用運(yùn)行狀態(tài)下，另外一回線路A、B、C三相分別發(fā)生單相故障接地時(shí)的潛供電流和恢復(fù)電壓進(jìn)行了仿真研究，并且針對(duì)浙中—浙南線路研究了并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)電抗對(duì)線路潛供電流和恢復(fù)電壓的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在并聯(lián)高抗的作用下，浙福特高壓線路上雙回之間的靜電感應(yīng)電壓均在80 k V以下，靜電感應(yīng)電流在12 A左右，而電磁感應(yīng)電流均在80 A以下，電磁感應(yīng)電壓均小于5 k V。在典型運(yùn)行工況下，目前線路配置的浙福交流特高壓線路的靜電感應(yīng)電壓、容性電流、電磁感應(yīng)電壓、電磁感應(yīng)電流均在接地開關(guān)的關(guān)合能力范圍之內(nèi)。

（2）對(duì)于浙中—浙南段交流特高壓線路，在目前的并聯(lián)高壓電抗器的配置下，在并聯(lián)高抗中性點(diǎn)電抗阻值在600～1 200Ω范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，該線路的潛供電流和恢復(fù)電壓會(huì)隨之降低，但隨著電抗阻值的逐步增加，潛供電流和恢復(fù)電壓的變化速率逐步減小，逐步趨向飽和。

圖3 恢復(fù)電壓和潛供電流隨并聯(lián)高抗中性點(diǎn)電抗的變化曲線

（3）就浙北—浙中—浙南—福州交流特高壓線路目前的設(shè)計(jì)情況，該線路的潛供電流均低于30 A，恢復(fù)電壓梯度均小于15 k V／m，潛供電弧自滅時(shí)限推薦值均小于0.22 s，在線路瞬時(shí)單相接地故障后故障點(diǎn)恢復(fù)絕緣的時(shí)間基本不會(huì)影響單相重合閘的成功率。

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