基于高壓設(shè)備無壓合閘定值研究分析與應(yīng)用

何 山，蘇 曉，柳 明

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧 530000）

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，2014—2015年，超高壓南寧局在進行倒母線操作時多次出現(xiàn)母線電壓值過高導(dǎo)致母線上的高壓斷路器無壓合閘失敗事件。最后，由作業(yè)人員采用人為解鎖方式進行操作。經(jīng)專業(yè)電力作業(yè)者進行分析問題，發(fā)生無壓合閘失敗事件部分主要原因是由于企業(yè)超高壓變電站的線路設(shè)計范圍較長，感應(yīng)電壓高，導(dǎo)致高壓線路在倒閘操作時多次出現(xiàn)無壓合閘失敗的情況發(fā)生[1]。針對南寧局高壓斷路器無壓合閘的故障現(xiàn)狀，對高壓設(shè)備無壓合閘定值進行了研究分析，并通過在該變電站的實際應(yīng)用，規(guī)范化管理,對無壓設(shè)定提供參考。

1 實施方案

本文以500 kV母線為例，對母線感應(yīng)電壓、線路感應(yīng)電壓和雙回路感應(yīng)電壓進行了理論分析和仿真驗證。具體實施方案如下文所述。

1.1 高壓母線感應(yīng)電壓分析

如圖1所示為母線感應(yīng)系統(tǒng)電壓的簡化計算等效控制電路圖。母線的一次感應(yīng)電壓主要由兩點引起：一是母線上的高壓斷路器由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為冷備用狀態(tài)時，在所有邊高壓斷路器斷口等效電容（Cb）和雙斷口開關(guān)并聯(lián)電容（Cn1或者Cn2）就會產(chǎn)生一次感應(yīng)電壓；二是線路對母線電容（Cx）和母線對地電容（Cd）產(chǎn)生[2,3]。因此，根據(jù)理論分析可以估計感應(yīng)電壓，然后實際電壓是一致的。通過2種方法的比較分析，計算出實際一致的無壓設(shè)定值，作為改變測控裝置無壓關(guān)閉值的參考值。盡管我國目前存在許多設(shè)備已用固定值，但此值可以在以后的技術(shù)進行規(guī)范修訂中作為一個參考。

圖1 母線感應(yīng)系統(tǒng)電壓的簡化計算等效控制電路

基于上述，母線感應(yīng)電壓為

式中：U為母線感應(yīng)電壓；Ux為系統(tǒng)電壓；Cd為所有邊高壓斷路器等效電容；Cd為母線對地電容，包括母線電容式電壓互感器（Capacity Voltage Transformer，CVT）電容及母線對地雜散電容；Cx為線路對母線電容；ω為系統(tǒng)角頻率。

1.2 單回線路感應(yīng)電壓分析

如圖2所示，單回路感應(yīng)電壓簡化了等效電路圖。在單回線路中一次感應(yīng)電壓也是主要由2點引起：一是，母線上高壓開關(guān)由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為冷備用狀態(tài)后，通過所有邊高壓斷路器斷口等效電容（Cb）產(chǎn)生感應(yīng)電壓；二是單回母線電壓（Ux）通過運行線路對母線電容（Cx）和線路對地的電容（Cd）所產(chǎn)生感應(yīng)電壓[4,5]。因此，可以進行基于理論研究分析預(yù)算出感應(yīng)電壓，然后通過學(xué)習(xí)相關(guān)來試驗驗證兩側(cè)熱備用實際工作電壓。通過2種方法的比較分析，計算出實際一致的無壓設(shè)定值，作為改變測控裝置無壓關(guān)閉值的參考值。

圖2 單回線路感應(yīng)電壓簡化等效電路圖

圖中：Ux為母線電壓；U為線路感應(yīng)電壓；Cn1為第n串雙斷口開關(guān)并聯(lián)第一組電容；Cn2為第n串雙斷口開關(guān)并聯(lián)第二組電容；Cd為線路對地電容；Cb為所有邊高壓斷路器斷口等效電容。

為此，可計算出單回線路感應(yīng)電壓為

1.3 同塔雙回感應(yīng)電壓分析

雙塔雙回線路示意如圖3所示。在雙塔雙回線路中A、B、C線路運行，a、b、c線路檢修，當(dāng)交流電流流過運行線路時，其周圍會產(chǎn)生交變電磁場，并將檢修線路連接到其上[6]。因此，沿線路方向的縱向電位將在線路上產(chǎn)生，并且根據(jù)接地修復(fù)線路絕緣度的不同對應(yīng)于接地電位。由于進行檢修線路和運行控制線路設(shè)計之間的磁耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的大小主要取決于電流可以產(chǎn)生的磁場力、運行線路和檢修線路市場之間的耦合系數(shù)分析以及運行線路對地的絕緣程度[7]。因此，當(dāng)故障電流流過運行線路時，維護線路上的磁感應(yīng)電壓更加明顯。

圖3 雙塔雙回線路示意

根據(jù)維護電路兩端接地開關(guān)的不同狀態(tài)，對維護電路的a相感應(yīng)電壓進行分析如下。

（1）A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀態(tài)且兩端接地刀閘均不接地。此時停運線路進行電流為0，靜電相互感應(yīng)使二回介紹線路a相上產(chǎn)生容性感應(yīng)電壓為

式中：sCa為a相容性感應(yīng)電壓；CAa為運行線路A相與檢修線路a相單位長度互電容；CBa為運行線路B相與檢修線路a相單位長度互電容；CCa為運行線路C相與檢修線路a相單位長度互電容；C0為檢修線路a相單位長度對地電容；A為運行線路A相電壓；B為運行線路B相電壓；C為運行線路C相電壓。

根據(jù)式（3），電容感應(yīng)電壓與線路電容參數(shù)之間存在一定的關(guān)系。當(dāng)線路容量參數(shù)固定時，電容感應(yīng)電壓與線路工作電壓成正比，與線路長度和功率流無關(guān)。此時，驗證線路上的感應(yīng)電流為0，并且可以通過研究電磁耦合在進行檢修線路上產(chǎn)生的感應(yīng)系統(tǒng)電壓為

式中：sLa為檢修線路a相上產(chǎn)生的感性感應(yīng)電壓；MAa為運行線路A相與檢修線路a相單位長度互電感；MBa為運行線路B相與檢修線路a相單位長度互電感；MCa為運行線路B相與檢修線路a相單位長度互電感；A為運行線路A相電流；B為運行線路B相電流；C為運行線路C相電流；l為線路長度；ω為系統(tǒng)角頻率。

從上述式（4）可以看出，感應(yīng)電壓與線路的電感參數(shù)相關(guān)，并與運行線路的電流和線路長度成正比。

（2）A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀態(tài)，其中一端接地刀閘接地。此時，感應(yīng)電流不存在路徑，流向接地側(cè)的電流為電容感應(yīng)電流，電容感應(yīng)電流的計算公式為

此時，由于a、b、c線路三相檢狀態(tài)且一端接地，其容性感應(yīng)電壓為0，但非接地側(cè)產(chǎn)生感性感應(yīng)電壓，其計算式與式（4）相同。

（3）A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀態(tài)且兩端接地刀閘都接地。此時，線路容性感應(yīng)電壓為0，線路中存在容性感應(yīng)電流，其計算式與式（5）相同，通過網(wǎng)絡(luò)兩端進行接地刀閘流入大地。由于線路兩端接地，感應(yīng)電壓為0，計算感應(yīng)電流為

根據(jù)式（6）可知，感應(yīng)電流與線路的互感參數(shù)有關(guān)，與線路的傳輸潮流成正比，與線路長度無關(guān)。此時，感應(yīng)控制電流主要是通過感應(yīng)電流。

2 理論分析與仿真

2.1 母線感應(yīng)電壓理論計算

由上述分析知：母線感應(yīng)電壓的計算式為

其中，母線與線路之間的距離較遠(yuǎn)，因此母線到線路的電容幾乎可以忽略不計，因此式（7）可以簡化為

已知單位長度母線對地電容的計算方法為母線對地鏡像對稱后2條母線之間的等效電容，計算公式為

式中：C0為單位長度母線對地電容；ε0為介電常數(shù)；d為鏡像對稱后兩母線之間的距離；R0為母線的半徑。

由于母線對地的高度遠(yuǎn)大于自身的半徑，因此，式（9）可以簡化為

根據(jù)不同母線感應(yīng)系統(tǒng)電壓的計算公式可知，斷路器并聯(lián)電容越大時，母線上的感應(yīng)控制電壓越大?？紤]最嚴(yán)重的情況即所有斷路器在熱備用時，Ⅰ母只有A相裝有電容式電壓互感器（Capacitance Type Voltage Transformer，CVT）。根據(jù)母線感應(yīng)電壓的計算式可知，未裝設(shè)CVT的兩相對地等效總電容只有對地雜散電容，因此母線上的分壓會比裝有CVT的相要高，需考慮B、C兩相的實際情況[8,9]。

3.2 單回線路感應(yīng)電壓理論計算

500 kV兩回線路對應(yīng)相之間的距離最小為5 m，同回線路兩相之間距離最小為7.2 m，線路長度最長大約為南寧到玉林的200 km，線路對地最低的高度大約是 13 ～ 15 m。

通過對線路感應(yīng)電壓式（7）的分析，可以得出結(jié)論，不同的接口母線感應(yīng)電壓如表1所示。

表1 不同界面母線感應(yīng)電壓

2.3 同塔雙回線路感應(yīng)電壓理論計算

對同塔雙回線路進行分析，當(dāng)A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀態(tài)且兩端接地刀閘都不接地時，a相的容性感應(yīng)電壓的計算式為

已知單位線路每相的電流在1 500 A以內(nèi)，雙回線路每相電流在1 200 A以內(nèi)，線電壓為540 kV。式中各單位長度互電容以及對地電容均可以用文中提到的雙輸出線路電容的計算式求出，定義A相電壓相位為0°，其他各相按互差120°處理，設(shè)A相的電壓為UA∠0°,則BC兩相的電壓分別為UB∠240°、UC∠120°，則可以計算出導(dǎo)線截面分別為300和400時A相的感應(yīng)電壓幅值。

當(dāng)A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀并且接地刀閘一端接地另一端不接地時，鑒于之前的分析，感應(yīng)電壓主要為感性分量，A相的感性感應(yīng)電壓的計算式公式為

各單位長度互感的計算式為

式中：M為單位長度互感；μ0為真空磁導(dǎo)率；L為導(dǎo)線的長度；D為兩導(dǎo)線軸之間的距離。

假設(shè)A相的電流為IA∠0°,則BC兩相的電流分別為IB∠240°和IC∠120°，則可以計算出其感應(yīng)電壓。

2.4 母線或單回線路感應(yīng)電壓仿真計算

母線或單個電路的感應(yīng)電壓的本質(zhì)是電容的部分電壓。在仿真軟件中構(gòu)建的仿真模型如圖4所示。

圖4 感應(yīng)電壓仿真模型

搜集到各電容器的參數(shù)后，在上述分析模型設(shè)計里面可以進行系統(tǒng)設(shè)置，就可以測出響應(yīng)的感應(yīng)電壓。

2.5 同塔雙回線路感應(yīng)電壓仿真計算

該模型在電磁暫態(tài)仿真軟件中建立，傳輸線模型在元件庫中。首先，將傳輸線元件復(fù)制到電路中點進去進行輸入數(shù)據(jù)傳輸線的名稱和導(dǎo)線的信息，名稱在該電路中是唯一的。然后將傳輸線參數(shù)設(shè)置組件復(fù)制到電路中點擊輸入傳輸線路信息，以及輸入線路長度、穩(wěn)態(tài)頻率和線路信息。接下來點進去這個系統(tǒng)部件然后點應(yīng)用編輯子頁面；點編輯進入子頁面編輯，子頁面需要輸入傳輸線所采用的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)輸入方法。

數(shù)據(jù)輸入方法可以手動完成，也可以通過選擇線路布局圖來完成，如圖5所示。

在圖5中點進去設(shè)置導(dǎo)線的參數(shù)，將選擇的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)模型和數(shù)據(jù)作為輸入方式復(fù)制到上述傳輸線組件的子頁面設(shè)計當(dāng)中，通過系統(tǒng)軟件仿真計算能力得到同塔雙回線路停運一回A相的感應(yīng)電壓值，與理論研究計算值相差無幾，說明企業(yè)理論基礎(chǔ)計算發(fā)展較為準(zhǔn)確。

3 結(jié) 論

以超高壓南寧局在進行倒母線操作時母線電壓值過高導(dǎo)致母線上的高壓斷路器無壓合閘失敗事件為切入點，通過理論計算、試驗分析與仿真計算，研究清楚感應(yīng)電壓的電壓分布，并向其他現(xiàn)場分析研究母線和線路，提出了無壓力定值分析建議或測控裝置技術(shù)建議。