超高壓架空線—電纜混合線路合閘過電壓特性仿真分析

石逸雯，徐 星，屠幼萍，陳向榮，裘立峰，周文俊

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院(浙江省電機(jī)系統(tǒng)智能控制與變流技術(shù)重點實驗室)，浙江 杭州 310027；2.華北電力大學(xué)高電壓技術(shù)與電磁兼容北京市重點實驗室， 北京 102206；3.浙江華云電力工程設(shè)計咨詢有限公司 浙江 杭州 310000)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，架空線的數(shù)量呈指數(shù)式增長，電力電纜憑借其占地面積少、維護(hù)工作量小和可靠性高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。因此，為減輕城市線路通道的壓力，輸電系統(tǒng)需向架空線—電纜混合線路轉(zhuǎn)變[1-5]。

空載線路合閘是在電力系統(tǒng)中比較常見的操作，合閘過電壓在超高壓及特高壓系統(tǒng)中，已經(jīng)成為決定電網(wǎng)絕緣水平主要依據(jù)。架空線和電纜兩者在阻抗參數(shù)上有著顯著的區(qū)別，由于架空線波阻抗遠(yuǎn)大于電纜線路，架空線和電纜接口處波阻抗不連續(xù)，導(dǎo)致過電壓波在傳播過程中會產(chǎn)生復(fù)雜的折反射現(xiàn)象[6]。因此，為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行，有必要對架空線—電纜混合線路的過電壓特性展開研究。

國內(nèi)外學(xué)者對合閘過電壓展開了廣泛地研究。文獻(xiàn)[7]利用ATP/EMTP仿真軟件對某地區(qū)220 kV電纜進(jìn)行合閘仿真，得出合閘過電壓的分布規(guī)律并研究了合閘相位對合閘過電壓的影響；文獻(xiàn)[8]等采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP/EMTP,對合閘空載線路時，高壓單芯電纜護(hù)套的過電壓進(jìn)行了仿真計算,得出電纜導(dǎo)體上的2%統(tǒng)計過電壓倍數(shù)為1.50, 金屬護(hù)套上的2%統(tǒng)計過電壓倍數(shù)為0.20；文獻(xiàn)[9]運用ATP/EMTP仿真軟件研究了330 kV架空線空載合閘時，合閘電阻大小對限制空載線路合閘過電壓的影響，得到系統(tǒng)過電壓幅值與合閘電阻大小呈反比關(guān)系。但實際情況下，斷路器三相之間存在一定程度的不同期性，文獻(xiàn)[10]利用PSCAD仿真軟件中的Multiple Run組件，分析了某500 kV超高壓交流系統(tǒng)合閘過電壓與合閘同期性之間的關(guān)系。目前國內(nèi)外對合閘過電壓研究多為單一種類線路，而對于架空線—電纜混合線路合閘過電壓特性的研究較少。

本文利用PSCAD仿真軟件，搭建220 kV超高壓架空線—電纜混合線路仿真模型，分別對該混合線路架空線同期與非同期合閘操作過電壓進(jìn)行仿真分析，研究合閘電阻與合閘相角對合閘過電壓幅值的影響。

1 合閘過電壓

1.1 合閘過電壓形成

合閘過電壓發(fā)生的根本原因是系統(tǒng)初始狀態(tài)和穩(wěn)態(tài)的電壓幅值存在差異。斷路器合閘前，一端為電源電壓，另一端空載線路初始電壓為零；斷路器合閘后，線路電壓不變，維持初始零值，此時在斷路器兩側(cè)存在電壓差，進(jìn)而產(chǎn)生過電壓振蕩[11-12]。

但實際工程中，斷路器合閘時會存在一定程度的三相不同期，當(dāng)一相或兩相先合閘，三相電路不對稱運行，通過電容耦合使各相架空線電壓發(fā)生變化。具體分析如圖1所示。

圖1 三相不同期合閘電容耦合電路Figure 1 Three-phase non-synchronous closing capacitive coupling circuit

若A相先合閘，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后其電壓滿足U1=EA。通過相間電容耦合，使未合閘的B相與C相感應(yīng)出同極性電壓，此時B相電壓U2與C相電壓U3為

(1)

若B、C兩相分別在電壓達(dá)到峰值EB、EC時合閘，過電壓幅值等于穩(wěn)態(tài)幅值與振蕩幅值之和，B相過電壓幅值和C相過電壓幅值為

(2)

若B、C相在合閘時的穩(wěn)態(tài)電壓EB、EC的極性與感應(yīng)電壓U2、U3的極性相反時，過電壓倍數(shù)增大。

在架空線—電纜系統(tǒng)中，當(dāng)電壓行波由架空線向電纜傳播時，由于架空線與電纜的波阻抗不同，會發(fā)生折反射現(xiàn)象。如圖2所示，AB為架空線部分，Z0為波阻抗，BC為電纜部分，波阻抗為Zc。

圖2 架空線—電纜系統(tǒng)折反射Figure 2 Overhead line-cable system refraction and reflection diagram

在電纜首端，電壓波由架空線傳入電纜時，得到折反射電壓為

(3)

電纜線路波阻抗小于架空線路波阻抗，因此在連接點B處，電壓折射波與反射波幅值減小，均小于入射波幅值，且折射波極性與入射波相同，而反射波極性與入射波相反[13]。

在電纜末端，電纜電壓行波一部分傳至架空線，一部分反射回電纜線。根據(jù)上述原理，可得到電纜傳至架空線時，折反射電壓為

(4)

電纜線路波阻抗小于架空線路波阻抗，因此在連接點B處，電壓折射波幅值大于入射波幅值，折射波與反射波的極性規(guī)律與電纜首端相同。

2 220 kV架空線—電纜系統(tǒng)模型建立

2.1 架空線與電纜參數(shù)

該架空線—電纜系統(tǒng)依托浙江省洛迦—魚東220 kV線路工程，具體線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，220 kV架空線總長為11.8 km，采用二分裂LGJ-630/45鋼芯鋁絞線，接地導(dǎo)線采用 LGJ-120/25鋼芯鋁絞線。電纜長為6.58 km，采用型號為YJLW-127/220 1×630的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜。

圖3 線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 3 Line topology

在PSCAD仿真軟件中，架空線和電纜選取與頻率相關(guān)且能反映過電壓波過程的J.Marti模型[13]。架空線結(jié)構(gòu)如圖4所示。電纜部分采用三相水平排布的單芯同軸電纜，每相電纜之間間隔為0.35 m，電纜結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 架空線排布Figure 4 Overhead line layout diagram

圖5 單芯同軸電纜結(jié)構(gòu)Figure 5 Single-core coaxial bridge cable structure

為限制金屬護(hù)套層感應(yīng)電壓、減少中間接頭數(shù)量, 電纜往往采用交叉互聯(lián)接地[14]。本工程中，與架空線相連的電纜部分，首尾段采用護(hù)套單端接地，中間部分采用護(hù)套交叉互聯(lián)的連接方式，交叉互聯(lián)接地段長為1.8 km，單端接地端長為0.59 km，采用一端直接接地，另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地的連接方式。通常在交叉互聯(lián)接頭處過電壓幅值較大[15]，因此本文在電纜交叉互聯(lián)處選取6個測量點，分別距離電纜首端和末端1.19、1.79、2.39 km，如圖6所示。

圖6 電纜連接Figure 6 Cable connection

2.2 護(hù)層保護(hù)器參數(shù)

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 401—2002《高壓電力電纜選用導(dǎo)則》中指出電纜經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地，可減小過電壓對電纜護(hù)套的危害，從而保護(hù)電纜。該工程采用起始動作電壓為4 kV的LHQ-220型號的護(hù)層保護(hù)器。其伏安特性曲線如圖7所示。

圖7 護(hù)層保護(hù)器的伏安特性Figure 7 Sheath protector V-I characteristics

2.3 合閘過電壓仿真模型

由于操作過電壓的幅值服從概率分布，且操作過電壓的幅值具有一定的隨機(jī)性，若按照操作過電壓的最大值來確定設(shè)備的絕緣，會導(dǎo)致設(shè)備絕緣水平設(shè)置過高，故可用2%統(tǒng)計過電壓來確定絕緣。通常運用蒙特卡洛法對隨機(jī)變量進(jìn)行統(tǒng)計，計算所得的2%統(tǒng)計過電壓，即置信概率水平在98%內(nèi)的過電壓值，滿足P(U>U2%=0.02)[16]。

tj=t0+Δtj，j=A,B,C

(5)

式中t0為三相觸頭合閘的平均時間，由斷路器的性能參數(shù)而決定；Δtj為在區(qū)間(-Δtm，Δtm)內(nèi)服從正態(tài)分布的三相不同期時間；tj為各相觸頭的實際合閘時間。

在PSCAD軟件中使用Multiple Run組件來模擬多次合閘操作，如圖8所示。

圖8 Multiple Run組件Figure 8 Multiple Run component

該組件工作原理如圖9所示。T、a、b、c均是通過Multiple Run組件輸出，其中，T為服從均勻分布的時間序列，a、b、c為在-0.001 5～0.001 5 s區(qū)間內(nèi)服從正態(tài)分布的時間序列；a1、b1、c1信號為斷路器三相合閘的時間命令，在T信號的基礎(chǔ)上，分別加上了a、b、c的時間偏移。

圖9 Multiple Run模擬三相不同期合閘Figure 9 Multiple Run simulation of three-phase non-synchronous closing

3 合閘過電壓仿真分析

3.1 合閘同期性對合閘過電壓的影響

在實際應(yīng)用中計算合空載線路的統(tǒng)計過電壓時，過電壓服從正態(tài)分布，按照工程規(guī)定，抽樣次數(shù)應(yīng)大于120次[16]。

在合閘時間和測量位置固定的情況下，得到A相架空線在不同計算次數(shù)下過電壓變化情況，如表1所示。由表1可知，不同計算次數(shù)對同一仿真算例的合閘過電壓U2%影響較小，合閘過電壓變化波動不足0.1%，因此可知計算次數(shù)對操作過電壓的性質(zhì)和變化規(guī)律上沒有本質(zhì)的影響。

表1 計算次數(shù)對架空線合閘過電壓的影響Table 1 The influence of calculation times on the closing overvoltage of overhead lines

在實際合閘過程中，合閘的不同期時間的大小也會對合閘過電壓產(chǎn)生影響。因此可選取A相電壓過零時合閘，統(tǒng)計次數(shù)均為120次，探究不同期時間對合閘過電壓的影響。根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，當(dāng)各相的同期性未作特殊規(guī)定時，分、合閘不同期不應(yīng)大于5 ms，因此本文選取0.001 5、±0.003 0、±0.005 0 s作為三相不同期時間，測量線路首端過電壓情況，如表2所示。由表2可知，隨著不同期時間增大，合閘過電壓值略有增加。

表2 不同期時間對架空線合閘過電壓的影響Table 2 The influence of different periods of time on the closing overvoltage of overhead lines

3.2 合閘電阻對合閘過電壓的影響

合閘可分為2個階段，第1階段輔助觸頭接通，使并聯(lián)合閘電阻串入阻尼回路；合閘第2階段，主觸頭閉合，并聯(lián)合閘電阻被短接，電路如圖10所示。

圖10 合閘電路Figure 10 Closing circuit diagram

2個合閘階段對并聯(lián)合閘電阻的要求不一致，為兼顧兩階段，R通常取300～600 Ω[16]。

里奇是基于傳統(tǒng)攝影底片照片的保存中可能存在的損傷老舊，從而暗示人們亙古以來的藝術(shù)品膜拜和商品拜物教觀念將在數(shù)碼時代的攝影中被蕩平。因為數(shù)碼攝影是以馬賽克形式存在，副本與原作沒有區(qū)別，追求“原作”行為在數(shù)碼攝影中毫無意義，從而為論證數(shù)碼攝影的優(yōu)勢、社會性使用以及與賽博格的聯(lián)姻打下基礎(chǔ)。認(rèn)識到這一點尤為重要，正是人們對攝影的復(fù)制性、靈活性和融合性等的科學(xué)認(rèn)識和技術(shù)開發(fā)，攝影才能夠與任何媒介交互關(guān)聯(lián)，成為“融媒介”和“超攝影”，發(fā)揮政治的、商業(yè)的、社會的、科學(xué)的和文化的功用，而不僅僅囿于藝術(shù)的窠臼。

合閘第1階段，線路直接投入合閘電阻時，分別選取合閘電阻為300、400、500 Ω，在A相電壓過零點(t=0.1 s)合閘，測量點位于線路末端，得到架空線電壓數(shù)據(jù)如表3所示。對比可知：接入合閘電阻后，合閘過電壓值較無合閘電阻時有明顯下降，過電壓幅值約減小3倍，且過電壓幅值與合閘電阻呈反比關(guān)系。

表3 合閘電阻限制架空線合閘過電壓的作用Table 3 The function of closing resistance to limit the closing overvoltage of overhead line

電纜線路在如圖6所示的6個測量點時，不同合閘電阻下，電纜護(hù)套過電壓的情況如圖11所示。合閘電阻的大小并不影響電纜護(hù)套過電壓變化趨勢，即測量點4處均為護(hù)套過電壓第一個明顯的峰值點；過電壓波在傳播過程中，幅值會有所衰減，中等長度的電纜，在電纜末端過電壓波發(fā)生反射，因此合閘過電壓傳至電纜末端時會升高。設(shè)置合閘電阻可以有效地限制合閘過電壓侵入電纜，合閘電阻越大，對電纜護(hù)套過電壓限制效果越明顯；未設(shè)置合閘電阻時，末端過電壓幅值小于第1個明顯峰值點，即電纜末端測量點6為第2個峰值點，而隨著合閘電阻的增加，末端反射作用愈發(fā)明顯，此時電纜末端為護(hù)套過電壓最大值。

圖11 不同合閘電阻下電纜護(hù)套過電壓Figure 11 Overvoltage of cable sheath under different closing resistance

在PSCAD中通過對斷路器進(jìn)行時間上的配合操作，實現(xiàn)2個階段合閘的配合，即多級合閘。除傳統(tǒng)的單級并聯(lián)電阻外，還可采用多級并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行過電壓的限制[17]。

以本工程中的B相為例，采用多級并聯(lián)電阻，其中BRK22控制第1級400 Ω合閘電阻接入，BRK21控制第2級100 Ω合閘電阻接入，BRK2為主觸頭，多級并聯(lián)合閘電阻的電路如圖12所示。

圖12 多級合閘電路Figure 12 Multi-level closing circuit diagram

不同合閘配合下架空線過電壓情況如表4所示。由表4可知，多級合閘可減小對線路沖擊減小，使系統(tǒng)原本殘留的能量得到一次釋放，進(jìn)而減小了沖擊電壓的幅值。采用多級并聯(lián)合閘電阻比單級并聯(lián)合閘電阻更有效地限制操作過電壓倍數(shù)。

表4 不同合閘配合下架空線過電壓情況Table 4 Overvoltage situation of overhead lines under different closing coordination

合閘過電壓侵入到電纜部分，得到電纜護(hù)套過電壓幅值變化，如圖13所示。隨著合閘電阻級數(shù)的增加，過電壓幅值有所減小。以電纜首端測量點1處的護(hù)套過電壓幅為例，采用多級合閘電阻，電纜護(hù)套過電壓最大值減小至1.95 kV，與單級合閘電阻首端護(hù)套過電壓3.02 kV相比，減小54%。

圖13 單級與多級合閘電阻時電纜護(hù)套過電壓Figure 13 Overvoltage of cable sheath in single-stage and multi-stage closing resistors

3.3 合閘相角對合閘過電壓的影響

合閘時，電源電壓的相位對過電壓有直接影響，因此，應(yīng)選取具有代表性的相位進(jìn)行合閘模擬[9]。在無合閘電阻的情況下，設(shè)置不同期時間為±0.001 5 s，選取0.095 s(電源電壓為負(fù)峰值)、0.1 s(電源電壓為零)和0.085 s(電源電壓為正峰值)這3個不同的合閘時刻，測量A相架空線第一分檔處合閘過電壓。合閘時間影響了合閘相位，進(jìn)而對架空線合閘過電壓產(chǎn)生影響。當(dāng)合閘相角為0°時，合閘過電壓最小，產(chǎn)生1.47倍過電壓；當(dāng)合閘相角為±90°時，合閘過電壓最大，產(chǎn)生1.94倍過電壓。因此，在電源電壓過零時合閘，可降低合閘過電壓，利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

當(dāng)理想情況下，三相之間不存在不同期性，在上述3個合閘時間同時合閘，計算A相架空線第一分檔處合閘過電壓，對比三相同期與不同期合閘時架空線過電壓的影響，如表5所示數(shù)據(jù)。通過對比三相同期與不同期合閘情況下的統(tǒng)計過電壓可知，由于三相之間存在電感和電容的相互耦合，在未合閘相上感應(yīng)出與已合閘線路相同極性的電壓，疊加后使過電壓幅值增大?？紤]三相不同期性時，統(tǒng)計過電壓比不考慮時幅度增加10%～20%。

表5 同期性與架空線過電壓的關(guān)系Table 5 Relationship between synchronization and overhead line overvoltage

電纜護(hù)套過電壓同樣也受到合閘時間的影響，6個測量點處過電壓幅值變化趨勢如圖14所示。這2個合閘時刻，電纜首端與末端護(hù)套過電壓均呈現(xiàn)合閘相角為0°時小于合閘相角為±90°。但不同合閘時刻，測量點4處的電壓卻呈現(xiàn)不同的變化趨勢，這是由于波的傳遞過程，0.1 s合閘滯后于0.095 s合閘1/4個周期，因此合閘過電壓波經(jīng)過每個測量點，在電纜護(hù)套上產(chǎn)生的過電壓變化趨勢也整體滯后。合閘相角為±90°時電纜首端和末端的護(hù)套過電壓幅值均較合閘相角為0°時有增加，這是因為系統(tǒng)在電源峰值時合閘，用于產(chǎn)生過電壓的電磁能量越大，因而有架空線傳輸至電纜的過電壓幅值有所增加。

圖14 電纜護(hù)套過電壓與合閘時間的關(guān)系Figure 14 Relationship between cable sheath overvoltage and closing time

因此，為避開合閘相角φ0=±90°造成的過電壓，選相投切技術(shù)得到廣泛地應(yīng)用，即斷路器的 A、B、C 三相可以實現(xiàn)非同期合閘，根據(jù)選相合閘策略，選取最佳合閘相位，即各相電壓過零點時合閘，可以達(dá)到抑制線路過電壓的目的，減小過電壓對設(shè)備的沖擊，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文利用PSCAD仿真軟件對某地區(qū)220 kV超高壓架空線—電纜混合線路的合閘過電壓進(jìn)行仿真計算，分析了架空線合閘操作時產(chǎn)生的合閘過電壓特性以及合閘過電壓傳輸至電纜處，電纜護(hù)套過電壓的變化，得到如下結(jié)論。

1)由于架空線和電纜接口處波阻抗不連續(xù)，電壓波在傳播過程中會產(chǎn)生復(fù)雜的折反射現(xiàn)象，因此電纜護(hù)套處的過電壓幅值呈現(xiàn)周期性波動，電纜中間部分的護(hù)套過電壓幅值最大，且反射波的疊加作用將進(jìn)一步增加電纜末端的過電壓幅值。

2)架空線合閘過電壓幅值與合閘電阻大小呈反比關(guān)系，采用多級合閘電阻，能夠使能量逐級釋放，可更有效地限制操作過電壓。過電壓波傳輸至電纜，電纜護(hù)套過電壓值呈現(xiàn)波動變化，但隨著合閘電阻的增加，線路末端的反射作用愈加明顯，電纜末端護(hù)套過電壓成為最大值。

3)三相之間存在電感和電容的相互耦合，在未合閘相上感應(yīng)出與已合閘線路相同極性的電壓，疊加后使過電壓幅值增大?？紤]三相不同期性，合閘過電壓幅值增加10%～20%。

4)根據(jù)選相合閘策略，在電源電壓過零時合閘，可以有效地降低架空線處的合閘過電壓，進(jìn)而降低侵入電纜的過電壓幅值，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。電纜護(hù)套上產(chǎn)生的過電壓變化趨勢與合閘時間密切相關(guān)，合閘相角為±90°時，電纜首末端的護(hù)套過電壓較0°時合閘增加約1 kV。