小水電站借道接入電網(wǎng)的自勵磁分析處理

(國電四川民和水電投資有限公司，四川 成都 610041)

小水電站借道接入電網(wǎng)的自勵磁分析處理

黃杉

(國電四川民和水電投資有限公司，四川 成都 610041)

目前進行水電流域開發(fā)的模式中，存在施工期電源電站等小水電站在后期借道干流主要發(fā)電站一同并入主網(wǎng)的情況，特殊情況下出現(xiàn)小水電站單獨帶長線路的運行方式。通過某流域施工電源電站接入電網(wǎng)的過電壓電磁分析，對流域電站開發(fā)中消除自勵磁提出了相應的配置措施。

小水電；自勵磁；長線路

0 引 言

四川省境內(nèi)水電開發(fā)已經(jīng)發(fā)展到遠離電網(wǎng)主網(wǎng)的偏遠區(qū)域。在一條河流的流域開發(fā)中為解決施工期間的施工用電問題，先期在流域上的支溝上建設施工電源電站成為一種常見的開發(fā)方式。流域開發(fā)后期，支溝小電站會同流域干流電站一同并入主網(wǎng)。流域干流電站裝機較大，接入電網(wǎng)時通常不會發(fā)生自勵磁現(xiàn)象，支溝小電站提供施工電源帶施工短線路也不容易發(fā)生自勵磁現(xiàn)象；但在流域開發(fā)后期支溝電站會通過借道干流電站長線路并網(wǎng)，在干流電站因為枯期、計劃檢修等情況全停時，會出現(xiàn)支溝小水電站單獨帶長線路的特殊運行方式，這種特殊方式下就有較大的自勵磁風險。流域干流電站送出設計方案容易忽略支溝小水電站并入后在特殊運行方式下造成的自勵磁問題，某些流域支溝電站規(guī)劃設計數(shù)量較多，如何評估和處理支溝小水電自勵磁風險需要額外重視。下面基于某支溝水電站接入電網(wǎng)后的自勵磁計算以及過電壓電磁暫態(tài)安全性仿真分析，對整個流域電站預防自勵磁風險提出相應的措施建議，以便于提高流域電站和匯集送出通道的安全可靠性。

1 自勵磁過程及其校核判據(jù)

同步發(fā)電機自勵磁的本質(zhì)是定子電感在周期性變化中與外電路容抗參數(shù)配合時發(fā)生的參數(shù)諧振。同步發(fā)電機在孤網(wǎng)方式下，由于空載長線路對地電容為主要負載，發(fā)電機相當于連接一個等效容性負載，在此容性負載達到一定條件的時候，發(fā)電機即使在沒有勵磁電源的情況下，由轉子鐵心的剩磁所激發(fā)的機端電壓也會逐漸升高，但在磁路飽和的約束下不會無限增大，而是穩(wěn)定在某一定值。自勵磁產(chǎn)生的過電壓極易超出發(fā)電機和線路所能承受的最大限制，需要采取相應的防范措施。下面對自勵磁的計算采用比較發(fā)電機額定容量與線路充電功率乘以等值同步阻抗的積作為靜態(tài)校核；動態(tài)仿真采用PSCAD軟件對自勵磁產(chǎn)生的過電壓進行電磁暫態(tài)分析。

2 案例分析報告

2.1工程概況

往子溝水電站位于稻城縣東義河干流下游右支流往子溝上，釆用引水式開發(fā)，電站裝機2×3.7 MW，根據(jù)國網(wǎng)四川省電力公司批準的東義河干支流梯級電站互聯(lián)及外送規(guī)劃，往子溝水電站電力送出方向為涼山州，并網(wǎng)點為西昌電網(wǎng)的500 kV水洛變電站。

電站接入方案如圖1所示。往子溝電站通過35 kV線路接入色苦變電站，色苦變電站通過110 kV線路接入220 kV卡瓦變電站，卡瓦變電站匯集東義河流域約490 MW容量后通過220 kV線路接入500 kV水洛變電站?？ㄍ咦冸娬厩捌谥饕尤氲氖且呀?jīng)核準建設的益地水電站(裝機2×84 MW)和流域施工電源電站往子溝電站。

圖1 往子溝接入系統(tǒng)方案

2.2自勵磁靜態(tài)計算

當系統(tǒng)有單機帶空載長線零起升壓，或正常單機帶長線運行、線路末端斷路器無故障三相斷開等運行情況時，就可能產(chǎn)生自勵磁過電壓?？ㄍ咦冸娬緟R集東義河流域電站電力送出到水洛站，線路長達55 km，而東義河流域支溝小電站較多，除了已核準的益地電站單機容量為84 MW外，其他電站單機容量多數(shù)為3～12 MW，一旦益地電站全停，很容易形成小機組帶長線路的運行方式，有必要進行自勵磁校核計算。

按《電力系統(tǒng)設計技術規(guī)程》標準，同步電機空載長線時不發(fā)生自勵磁的判據(jù)為

WH>QcXd*

(1)

式中：WH為發(fā)電機額定容量，MVA；Qc為線路充電功率，Mvar；Xd*為發(fā)電機等值同步電抗(含升壓變壓器漏抗)，以發(fā)電機容量為基準標幺值。

根據(jù)式(1)可以看出，發(fā)電機額定容量小而等值同步電抗大，則相對容易發(fā)生自勵磁；單機運行也是枯水期常見的運行方式，雙機運行情況下額定容量最大而等值同步電抗最小，如果雙機運行都要發(fā)生自勵磁，則單機運行更容易發(fā)生自勵磁，因此以下的分析都以雙機運行帶長線路為基礎開展計算。

往子溝水電站裝機為2×3.7 MW，功率因數(shù)為0.9，WH為8.22 MVA 。

色苦—卡瓦雙回110 kV線路長18 km，導線型號為LGJ-240，單位長度電容為0.009 04 μF/km，其最大充電功率為

Q1=ωclU2

=314× 0.009 04 ×10-6×18 ×1212

=0.748 Mvar

(2)

卡瓦—水洛雙回220 kV線路長 55 km，導線型號為 LGJ-2×400，單位長度電容為 0.011 8 μF/km，其最大充電功率為

Q2=ωclU2

= 2× 314× 0.011 8 ×10-6×55 ×2422

=23.87 Mvar

(3)

往子溝發(fā)電機-變壓器電氣主接線采用擴大單元接線， 往子溝升壓變壓器額定容量為10 MVA。因此變壓器漏抗折算到發(fā)電機組容量的參數(shù)為

XT1* = 0.075×8.22/10=0.062 p.u.

(4)

往子溝—色苦單回35 kV線路阻抗歸算到發(fā)電機組容量的參數(shù)為

XL1*= 0.409×12×8.22/372=0.029 p.u.

(5)

色苦電站 1 臺三繞組變壓器121± 2×2.5%/38.5/10.5 kV額定容量為 40 MVA。 因此變壓器高-中漏抗折算到發(fā)電機組容量的參數(shù)為

XT2*= 0.17×8.22/40=0.035 p.u.

(6)

色苦—卡瓦單回110 kV 線路阻抗歸算到發(fā)電機組容量的參數(shù)為

XL2*= 0.388×18×8.22/1152=0.004 3 p.u.

(7)

220 kV 卡瓦變電站 1 臺三繞組變壓器 242±2×2.5%/121/10.5 kV額定容量為 120 MVA。因此變壓器漏抗折算到發(fā)電機組容量的參數(shù)為

XT3*= 0.14×8.22/120=0.009 6 p.u.

(8)

發(fā)電機同步電抗取值約為 1.0 p.u.，因此發(fā)電機等值同步電抗為

Xd*=(1+1)/2+0.062+0.029+0.035+ 0.004 3+0.009 6=1.139 9 p.u.

(9)

QcXd*=(0.748+23.87)×1.139 9

=28.062 MVA>>WH=8.22 MVA

(10)

根據(jù)計算結果可知，在益地電站全停時，往子溝雙機(或單機)帶線路并網(wǎng)運行，一旦發(fā)生線路末端斷路器無故障三相斷開情況下，往子溝機組將發(fā)生自勵磁。

2.3動態(tài)仿真以及應對措施

2.3.1 不增加措施的過電壓電磁暫態(tài)仿真

往子溝水電站接入系統(tǒng)電壓等級較低，線路長度較短，流域開發(fā)施工期間帶35 kV和110 kV線路運行時沒有自勵磁問題，發(fā)生自勵磁的主要因素是流域開發(fā)后期東義河匯集送出的卡瓦—水洛雙回220 kV線路充電功率較大，在干流主要電站益地電站停運的情況下，雙回220 kV線路線路充電功率遠遠大于支溝電站發(fā)電機額定容量，一旦發(fā)生線路末端斷路器無故障三相斷開情況，往子溝水電站和連接的線路將發(fā)生嚴重的諧振過電壓。圖2是通過PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件對往子溝電站單機運行自勵磁產(chǎn)生的過電壓電磁暫態(tài)分析。

圖2 不采取任何措施下220 kV側電壓波形

從圖2可以看出，在t=2 s時發(fā)生卡瓦—水洛雙回線路因安控切線或無故障跳開，220 kV線路電壓急速攀升并嚴重畸變，在10～15 ms內(nèi)電壓已經(jīng)上升到2 p.u.(400 kV左右)，很難以高周切機和過電壓保護措施來限制自勵磁過電壓。

當益地電站1臺機組開機的時候，發(fā)生同樣遠端與主網(wǎng)斷開后的電壓曲線如圖3。

圖3 益地電站開1臺機時電壓曲線

從圖3可以看出，當益地電站有1臺機組開機時，同樣發(fā)生卡瓦—水洛雙回線路因安控切線或無故障跳開后電壓最高上升到1.15 p.u.，但電壓曲線上升平緩有充足的時間供保護裝置動作。

由此可知，如果不采取新增措施就不能夠防止往子溝電站自勵磁發(fā)生，除非保證益地電站始終有1臺機開機，而實際生產(chǎn)中益地電站總有全停的時段，不能因為益地電站全停也讓支溝電站全部陪停，所以必須增加措施防止自勵磁產(chǎn)生。

2.3.2 220 kV卡瓦變電站增加低壓電抗器后的過電壓電磁暫態(tài)仿真

根據(jù)前面分析，往子溝電站發(fā)生自勵磁的主要因素是卡瓦—水洛雙回220 kV線路充電功率遠遠大于支溝電站發(fā)電機額定容量，為此可以采取在卡瓦變電站增加低壓電抗器補償線路充電功率。

卡瓦—水洛二回220 kV線路充電功率為23.87 Mvar，色苦—卡瓦一回110 kV線路充電功率為0.748 Mvar，兩者相加為24.618 Mvar，可以在220 kV卡瓦變電站增加3組10 Mvar低壓電抗器。則Qc=(24.618-30)=-5.382 Mvar，充電功率已經(jīng)補償成為感性，往子溝電站機組不會發(fā)生自勵磁。

圖4 增加低壓電抗器后35 kV電壓曲線

圖5 增加低壓電抗器后110 kV以及220 kV電壓

從圖4、圖5可以看出在220 kV卡瓦變電站增加30 Mvar低壓電抗器后，同樣發(fā)生卡瓦—水洛雙回線路因安控切線或無故障跳開后各個電壓等級線路的電壓都是緩慢上升，而且電壓最高上升到1.15 p.u.，沒有超過限額。電磁暫態(tài)仿真的結果證明增加30 Mvar低壓電抗器后，自勵磁現(xiàn)象得以避免。

2.3.3 相應保護的配合

增加30 Mvar低壓電抗器后雖然避免了自勵磁過電壓超限，但往子溝雙機運行仿真中仍然有超過1.3 p.u.的情況，需要對相應保護進行修改以進一步消除風險。

首先是高周切機按以下設定：當系統(tǒng)頻率超過51 Hz,延時1 s切除往子溝機組，仿真結果電壓最大值為1.264 p.u.；當系統(tǒng)頻率超過52.5 Hz,延時0.8 s切除往子溝機組，仿真結果電壓最大值為1.28 p.u.。

其次是過壓保護設置系統(tǒng)電壓超過1.2 p.u.，延時0.3 s以內(nèi)切除往子溝機組，仿真結果電壓最大值為1.28 p.u.。

第三是卡瓦變電站主變壓器低壓側開關過電壓等保護動作延時要確保晚于往子溝電站切機，否則就相當于提前切除了低壓電抗器。

2.3.4 流域匯集站配置低壓電抗器的考慮

往子溝電站解決自勵磁風險最直接的方案是在本站增加低壓電抗器，但該流域支溝小電站較多，如果每個小電站都增加會導致低壓電抗器配置過多，影響電壓質(zhì)量，增加管理難度，降低經(jīng)濟性。東義河流域是同一業(yè)主開發(fā)，具備在匯集站統(tǒng)一進行補償?shù)臈l件，經(jīng)濟性更好。應加強匯集站低壓電抗器的運行管理，避免運行中低壓電抗器無意中退出運行，對低壓電抗器的退出必須考慮特殊運行方式的自勵磁風險。隨著流域開發(fā)推進，中、上游電站可以參考同樣的補償方式，在中、上游干流匯集電站增加低壓電抗器以避免中、上游支溝電站的自勵磁風險。

3 結 語

隨著水電開發(fā)不斷推進偏遠地區(qū)，特殊運行方式下末端小水電并網(wǎng)引起的自勵磁問題日漸突顯，基于施工電源電站后期并網(wǎng)帶來的自勵磁風險做出了專項分析并提出了應對措施。除此之外，大型水電站的生態(tài)流量機組也同樣存在特殊方式下自勵磁的問題，需要引起從業(yè)者的注意。

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At present, in river basin development mode, the small hydropower stations such as power source stations in construction period depend on the large hydropower stations of main stream to integrate with main power grid together in later stage. The especial operating mode is the small hydropower station working with long lines alone, so the corresponding configuration measures are put forward to eliminate the self-excitation of small hydropower through the over-voltage electromagnetic analysis of a power source station during construction when accessing to power grid.

small hydropower; self-excitation; long transmission line

TM619

：A

：1003-6954(2017)04-0091-04

2017-04-06)