超高壓混合串補(bǔ)線路瞬態(tài)恢復(fù)電壓暫態(tài)特性

何柏娜,孟凡濤,董彥辰,林莘,劉洋,吳碩,代維漢,尉元龍,王碩,張東進(jìn)

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,淄博 255049; 2.國(guó)網(wǎng)山東淄博供電公司,淄博 255049;3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),特種電機(jī)與高壓電器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 110870)

超高壓輸電技術(shù)改善中國(guó)能源與負(fù)荷中心分布不均問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián),克服輸電容量不足、線路損耗大等缺點(diǎn),提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性[1-3]。然而隨著中國(guó)電力需求快速增長(zhǎng),系統(tǒng)規(guī)模日趨復(fù)雜,導(dǎo)致電網(wǎng)輸送功率頻繁變更,電力輸送壓力日益加劇,為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出新的挑戰(zhàn)[4-5]。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展,串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)為優(yōu)化電力系統(tǒng)提供新方向。其中,可控串聯(lián)補(bǔ)償(thyristor controlled series compensation,TCSC)與固定串聯(lián)補(bǔ)償(fixed series capacitor compensation,FSC)利用容性阻抗補(bǔ)償系統(tǒng)感性阻抗,縮短機(jī)組間電氣距離,減少功率輸送引起的電壓降與功角差,進(jìn)而改善系統(tǒng)穩(wěn)定性,提升網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸送能力[6-8]。但串聯(lián)補(bǔ)償裝置的應(yīng)用使超高壓電網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)一步復(fù)雜化,電磁暫態(tài)問(wèn)題更加突出[9-11]。因此有必要對(duì)加裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置的超高壓電網(wǎng)斷路器開斷特性進(jìn)行分析。

超高壓串聯(lián)補(bǔ)償線路發(fā)生單相接地故障,其斷路器兩端瞬態(tài)恢復(fù)電壓(transient recovery voltage,TRV)特性與常規(guī)線路相比有很大的差異[12-14]。受串聯(lián)補(bǔ)償電容器組殘壓的影響,TRV峰值相比無(wú)串補(bǔ)時(shí)明顯升高,影響斷路器正常開斷[15-17]。TRV特性受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)設(shè)備等效參數(shù)、斷路器電弧特性及故障類型等因素的影響,串聯(lián)補(bǔ)償?shù)拇嬖诟淖兂邏弘娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與TRV影響因素,進(jìn)而對(duì)輸電線路暫態(tài)特性產(chǎn)生影響[18-19]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于串聯(lián)補(bǔ)償線路針對(duì)斷路器暫態(tài)特性開展研究。文獻(xiàn)[5]以特高壓輸電線路為背景,研究高補(bǔ)償度下FSC與TCSC對(duì)潛供電弧的影響。文獻(xiàn)[6]研究串聯(lián)補(bǔ)償裝置短接時(shí)間對(duì)TRV波形特征的影響。文獻(xiàn)[7]利用EMTP(electromagnetic transient program)對(duì)多個(gè)特高壓串聯(lián)補(bǔ)償線路斷路器TRV特性及影響因素進(jìn)行研究,并對(duì)各種TRV抑制措施的效果進(jìn)行對(duì)比。雖然上述研究對(duì)TRV產(chǎn)生機(jī)理及影響因素進(jìn)行研究,但針對(duì)輸電線路安裝混合串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)串補(bǔ)度對(duì)TRV峰值與上升率的影響還未進(jìn)行研究。

現(xiàn)基于500 kV德宏-博尚-墨江超高壓串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng),分析安裝FSC與TCSC的超高壓線路發(fā)生單相接地故障時(shí)斷路器兩端TRV及短路電流變化規(guī)律,研究串補(bǔ)度對(duì)斷路器開斷特性的影響,并分析不同F(xiàn)SC和TCSC串補(bǔ)度配置方案對(duì)瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升率(rate-of-rise of restriking voltage,RRRV)與峰值的宏觀分布特性影響,得到合理的串補(bǔ)配置方案,為TCSC與FSC推廣提供必備的理論支撐與技術(shù)支撐。

1 串補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)TRV特性影響分析

基于電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高與輸送功率的增長(zhǎng),輸電線路無(wú)功功率變化更為頻繁,給系統(tǒng)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)提高電網(wǎng)輸送能力已成為當(dāng)今學(xué)者研究熱點(diǎn)之一。其中,TCSC與FSC通過(guò)串補(bǔ)度影響電感支路等效阻抗,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié),達(dá)到對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率控制的目的。圖1所示為串補(bǔ)系統(tǒng)電氣主回路構(gòu)造原理圖。

圖1 串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)電氣主回路

TCSC補(bǔ)償模塊由電容器C與晶閘管SW控制電感L所組成的TCR支路并聯(lián)構(gòu)成;金屬氧化物限壓器MOV、火花間隙G、阻尼回路D與旁路斷路器S構(gòu)成串補(bǔ)系統(tǒng)保護(hù)模塊;其中MOV是電容器組過(guò)電壓保護(hù)的必要措施,火花間隙G是電容器組后備保護(hù),i為線路電流。

超高壓串補(bǔ)系統(tǒng)基波阻抗受電容器電流iC的影響,導(dǎo)致斷路器兩端TRV變化更為復(fù)雜。因此,基于輸電系統(tǒng)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),建立安裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置的超高壓線路單相接地故障等效模型,分析串聯(lián)補(bǔ)償對(duì)TRV暫態(tài)特性的影響,如圖2所示。

U為等效電源;iA為電源側(cè)等效電流;RA、LA、CA為電源側(cè)等效電阻、電感與電容;QF為斷路器;UA與UB為斷路器兩側(cè)A、B點(diǎn)對(duì)地電壓;RX、LX、CX為斷路器發(fā)生單相接地故障時(shí)線路側(cè)的等效電阻、電感與對(duì)地電容;UC為TCSC電容電壓;iTCSC為TCSC等效電流;L為TCSC等效電感;SW為TCSC晶閘管閥

線路發(fā)生單相接地故障時(shí),設(shè)穩(wěn)態(tài)電流為IA。斷路器斷口電弧熄滅前,A點(diǎn)對(duì)地電壓為

(1)

式(1)中:ω為電源角頻率;U為系統(tǒng)相電壓有效值。

以斷路器QF的電弧電流熄滅時(shí)刻作為時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn),定義為t0,此時(shí)出現(xiàn)弧隙電壓的恢復(fù)過(guò)程。此時(shí)電源側(cè)回路方程為

(2)

式(2)中:UA為斷路器左側(cè)A點(diǎn)對(duì)地電壓;Um為電源電壓幅值;φ為線路故障時(shí)的功率因數(shù)角,由RA、LA、L、LX與RX決定。

求解式(2)可得

(3)

t0時(shí)刻電源側(cè)電壓UA起始條件為:t0=0,iC=0,UCA=UAm。

代入式(3)求得

(4)

由于δ?ω′,因此e-δ=1,式(4)可簡(jiǎn)化為

UA=Umsinφ+cosω′t(Umsinφ-UAm)

(5)

由于線路側(cè)TCSC隨著晶閘管閥的導(dǎo)通與關(guān)斷在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間切換,因此可根據(jù)晶閘管閥觸發(fā)角α得到TCSC阻抗數(shù)學(xué)模型,即

(6)

根據(jù)TCSC電容電壓波形的對(duì)稱特性,設(shè)0時(shí)刻電容電壓為UC(0)=U0,t0時(shí)刻線路側(cè)電流i=Imsin(ωt+δ),線路側(cè)電壓與電流的計(jì)算公式為

(7)

式(7)中:UB為斷路器右側(cè)B點(diǎn)對(duì)地電壓;UTCSC為TCSC電壓;UFSC為FSC電壓。

求解線路側(cè)電流iTCSC得

Imcosλsinωt

(8)

因此,瞬態(tài)恢復(fù)電壓UTRV為

UTRV=UA-iTCSC(RX+XLX+XFSC)+UTCSC

=Umsinφ+cosω′t(Umsinφ-UAm)-

(RX+XLX+XFSC+XTCSC)

(9)

如式(9)所示,斷路器兩端TRV由兩部分組成,一部分與電源側(cè)等值電壓源U相關(guān),另一部分與TCSC基準(zhǔn)阻抗、FSC電容器、晶閘管觸發(fā)角、電容器組殘壓等因素有關(guān),而TCSC與FSC混合復(fù)用串補(bǔ)度決定串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)中電容器的容抗值,影響TRV峰值與上升率RRRV。

2 仿真模型構(gòu)建與串補(bǔ)參數(shù)確定

2.1 系統(tǒng)模型

依托500 kV德宏-博尚-墨江超高壓交流示范線路,考慮電網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)與輸電線路頻變特性,結(jié)合實(shí)際潮流分布,利用PSCAD電磁仿真軟件研究不同串聯(lián)補(bǔ)償方式對(duì)線路暫態(tài)特性的影響,探究輸電線路單相接地故障下串補(bǔ)度對(duì)斷路器兩端TRV的影響。超高壓串聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)等值模型如圖3所示,500 kV德宏-博尚-墨江超高壓交流輸電線路采用單回路雙端等值模型,線路全長(zhǎng)412 km,西起德宏,東至墨江站,中途在博尚設(shè)有串補(bǔ)站,具體參數(shù)如表1、表2所示;AC1與AC2為德宏與墨江變電站的等效電源;DK1、DK2為線路首、末端并聯(lián)電抗器;QF1與QF2為線路首、末端斷路器;TCSC與FSC為線路串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備。

表1 等效電源參數(shù)

表2 超高壓串補(bǔ)線路參數(shù)

圖3 串補(bǔ)系統(tǒng)等值模型

2.2 串補(bǔ)系統(tǒng)參數(shù)及方案確定

電磁暫態(tài)分析與串補(bǔ)配比是串補(bǔ)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。TCSC與FSC最優(yōu)串補(bǔ)配比影響系統(tǒng)潮流分析與絕緣配合,是開展串補(bǔ)技術(shù)研究與裝置研制的基礎(chǔ)。

目前,中國(guó)超、特高壓串補(bǔ)度一般為40%左右,對(duì)大于400 km的線路需加裝更高補(bǔ)償度串補(bǔ)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)?；?00 kV示范線路,在德宏-博尚、博尚-墨江采用雙平臺(tái)兩側(cè)分散布置方式加裝不同的串聯(lián)補(bǔ)償裝置,研究串補(bǔ)度在30%～70%范圍內(nèi)變化對(duì)系統(tǒng)TRV特性的影響。其中,串補(bǔ)參數(shù)由式(10)確定,串補(bǔ)度配置方案如表3所示。

表3 串補(bǔ)度配置方案

(10)

式(10)中:K為串補(bǔ)度;C為TCSC與FSC電容值;LTCSC為可控串補(bǔ)電感;l為線路長(zhǎng)度;LX為線路電感。

3 串補(bǔ)配置方案對(duì)TRV的影響

加裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置的超高壓線路發(fā)生單相接地故障時(shí),若流過(guò)串補(bǔ)模塊的短路電流小于MOV啟動(dòng)電流,則串聯(lián)補(bǔ)償裝置不會(huì)被旁路,受電容器殘壓影響,導(dǎo)致TRV峰值大幅升高。以500 kV德宏-博尚-墨江超高壓輸電線路為研究背景,通過(guò)改變串補(bǔ)配置方案與串補(bǔ)度配比,研究串補(bǔ)保護(hù)裝置不能可靠動(dòng)作時(shí)斷路器TRV變化曲線。模擬線路A相于999 ms在串補(bǔ)站后側(cè)發(fā)生單相接地故障,考慮斷路器固有分閘時(shí)間,設(shè)首端斷路器故障后35 ms動(dòng)作、末端斷路器故障后50 ms動(dòng)作,分析不同串補(bǔ)度配比對(duì)TRV峰值與上升率的影響。

3.1 FSC雙平臺(tái)分段布置對(duì)TRV特性影響

針對(duì)博尚串補(bǔ)站加裝FSC,考慮串補(bǔ)采用雙平臺(tái)分段布置方式、不采用TRV抑制措施,計(jì)及FSC不同串補(bǔ)度的影響,對(duì)斷路器清除故障時(shí)的TRV峰值、上升率及短路電流進(jìn)行仿真計(jì)算,TRV仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 TRV仿真結(jié)果

圖4中,當(dāng)線路僅加裝FSC時(shí),隨著串補(bǔ)度的提高,TRV峰值、上升率RRRV與短路電流峰值分別在590.32～1 020.24 kV、0.95～2.96 kV/μs、7.60～9.33 kA范圍內(nèi)變化。當(dāng)FSC單平臺(tái)布置時(shí),短路電流峰值隨串補(bǔ)度增大不斷上升,串補(bǔ)度70%時(shí),短路電流達(dá)到最大峰值9.33 kA;相同串補(bǔ)度下,FSC雙平臺(tái)分段布置減小串補(bǔ)電容,使短路電流峰值小于單平臺(tái)布置。線路故障后,由于電容器組殘壓的作用,導(dǎo)致TRV峰值增大、時(shí)延減小,進(jìn)而影響RRRV,當(dāng)FSC配比為20%+20%時(shí),RRRV最大可達(dá)2.75 kV/μs。

當(dāng)串補(bǔ)度小于50%時(shí),FSC雙平臺(tái)分段布置時(shí)TRV峰值小于單平臺(tái)布置方案。當(dāng)FSC配比為10%+20%時(shí),TRV峰值降低至590.32 kV;串補(bǔ)度大于50%時(shí),FSC為線路提供高補(bǔ)償度串補(bǔ),FSC雙平臺(tái)分段布置時(shí)TRV大于單平臺(tái)布置方案。當(dāng)FSC配比為45%+15%時(shí),TRV工況最為嚴(yán)峻,TRV峰值達(dá)到1 020.24 kV,接近國(guó)標(biāo)值1 123 kV,對(duì)斷路器造成威脅[20]。針對(duì)TRV峰值最嚴(yán)峻工況,仿真波形如圖5所示。

圖5 TRV最嚴(yán)峻工況

當(dāng)輸電線路采用FSC雙平臺(tái)時(shí),電容殘余電荷通過(guò)串補(bǔ)電容與穩(wěn)態(tài)電流的工頻分量疊加,使TRV峰值與短路電流峰值明顯增大。如圖5所示,輸電線路于999 ms發(fā)生單相接地故障,35 ms后斷路器觸頭分離,進(jìn)入大電流階段,斷路器性能顯著影響線路中電壓與電流。1.046 s弧后電流熄滅,瞬態(tài)恢復(fù)電壓達(dá)到峰值1 020.24 kV,影響斷路器正常開斷。

針對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償雙平臺(tái)布置方式,固定一側(cè)FSC串補(bǔ)度(德宏-博尚或博尚-墨江),分析另一側(cè)FSC串補(bǔ)度對(duì)TRV與短路電流的影響,如圖6所示。

圖6 TRV仿真結(jié)果

圖6中,固定線路一側(cè)串補(bǔ)度時(shí),隨著另一側(cè)串補(bǔ)度提高,短路電流峰值呈衰減趨勢(shì);由于墨江側(cè)線路長(zhǎng)度(155 km)小于德宏側(cè)(257 km),致使墨江側(cè)串補(bǔ)度變化對(duì)短路電流影響更大,導(dǎo)致短路電流快速衰減。隨著串補(bǔ)度提高,TRV峰值呈指數(shù)形式不斷增大。當(dāng)串補(bǔ)配比為50%+10%時(shí),TRV最大峰值為1 008.37 kV。固定線路FSC串補(bǔ)度為10%、20%、30%,TRV峰值升高幅度呈衰減趨勢(shì),因此線路僅加裝FSC時(shí),高串補(bǔ)度線路串補(bǔ)度變化對(duì)TRV峰值影響大于正常串補(bǔ)線路。圖6中,改變墨江側(cè)串補(bǔ),RRRV先增大后緩慢衰減;改變德宏側(cè)串補(bǔ),RRRV可達(dá)峰值3.2 kV/μs,受串補(bǔ)電容影響,當(dāng)串補(bǔ)度大于30%時(shí),RRRV超標(biāo)概率大幅增加。

3.2 TCSC+FSC對(duì)TRV特性影響

針對(duì)博尚側(cè)加裝TCSC,墨江側(cè)加裝FSC,考慮串補(bǔ)采用雙平臺(tái)分段布置方式,分析串補(bǔ)度變化對(duì)TRV峰值、RRRV與短路電流峰值影響,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7中,TRV峰值、RRRV與短路電流峰值分別在545.55～1 409.31 kV、0.91～3.9 kV/μs、7 600.1～9 333.84 A范圍內(nèi)變化。整體串補(bǔ)度相同的條件下,隨著TCSC串補(bǔ)占比不斷增大,TRV峰值呈上升趨勢(shì);線路加裝混合串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)TRV大于固定串聯(lián)補(bǔ)償,當(dāng)串補(bǔ)配置比為45%+15%時(shí)TRV峰值達(dá)到最大值1 409.31 kV,相比FSC雙平臺(tái)布置升高389.07 kV。超高壓線路串補(bǔ)度從30%提高至70%時(shí),TRV超標(biāo)工況不斷增加。TCSC串補(bǔ)配比較大時(shí),RRRV超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值,最大可達(dá)3.9 kV/μs。線路加裝TCSC后,短路電流峰值大于FSC雙平臺(tái)布置,但隨著TCSC串補(bǔ)配比的增大第一峰值呈減小趨勢(shì),當(dāng)串補(bǔ)配比為52.5%+17.5%時(shí),第一峰值達(dá)最小值7 492.44 A。當(dāng)TCSC串補(bǔ)度為0時(shí),短路電流第一峰值隨著串補(bǔ)度上升而增大。針對(duì)TRV最嚴(yán)峻工況,仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8中,串補(bǔ)站后側(cè)發(fā)生單相接地故障后,短路電流快速增大,35 ms斷路器觸頭分離后,進(jìn)入大電流階段,斷路器性能顯著影響線路中電壓與電流。由于TCSC的存在,1.042 s斷路器電弧電壓發(fā)生顯著變化,斷路器進(jìn)入相互作用階段,短路電流的增加影響斷路器兩端的電壓以及輸入觸頭間隙的能量,造成線路側(cè)對(duì)地電壓升高,使斷路器斷口兩側(cè)電壓差值增大。1.046 s弧后電流熄滅,斷路器進(jìn)入高電壓階段,此時(shí)斷路器線路側(cè)電壓與串補(bǔ)兩端電壓同向,恢復(fù)電壓由斷路器端子的交流電壓與緩慢衰減的直流電壓組成,TRV峰值為1 409.31 kV。圖8中流過(guò)串補(bǔ)模塊的短路電流峰值較小,導(dǎo)致MOV電流與能耗均比較小,此時(shí)TCSC保護(hù)設(shè)備不動(dòng)作,電容器殘壓的存在導(dǎo)致串補(bǔ)站后側(cè)發(fā)生故障時(shí)的TRV峰值明顯提高,超過(guò)IEC、GB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許值1 141 kV,威脅斷路器正常開斷。

針對(duì)TCSC+FSC雙平臺(tái)布置方式,固定線路一側(cè)串補(bǔ)度(德宏-博尚或博尚-墨江),分析另一側(cè)串補(bǔ)度變化對(duì)TRV峰值與短路電流的影響,仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 TRV仿真結(jié)果

如圖9所示,采用不同F(xiàn)SC+TCSC配置方案時(shí)TRV峰值與RRRV變化明顯,串補(bǔ)配比為30%+10%時(shí),RRRV可達(dá)3.89 kV/μs。TCSC串補(bǔ)度不變時(shí),TRV峰值隨著FSC串補(bǔ)度上升而增大;FSC串補(bǔ)度不變時(shí),隨著TCSC串補(bǔ)度不斷增大,TRV峰值明顯升高,且增長(zhǎng)幅度呈上升趨勢(shì),由511.21 kV上升至740.19 kV,大于FSC雙平臺(tái)分段布置的TRV峰值,當(dāng)串補(bǔ)配比為40%+30%時(shí),最大TRV峰值為1 262.48 kV。加裝TCSC后,隨著串補(bǔ)度的提高,回路的感性短路阻抗減小,TRV回路振蕩頻率升高,導(dǎo)致TRV峰值與RRRV易發(fā)生超過(guò)斷路器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況,影響斷路器正常開斷。

圖9中,當(dāng)線路整體串補(bǔ)度為40%,TCSC串補(bǔ)度小于或等于FSC時(shí),TRV峰值、RRRV與短路電流峰值均在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi),更有利于電弧快速熄滅,可提高重合閘的成功率。

4 結(jié)論

以500 kV、412 km德宏-博尚-墨江超高壓示范線路為背景,建立安裝混合串聯(lián)補(bǔ)償?shù)某邏狠旊娋€路模型,從混合串聯(lián)補(bǔ)償配置方式與串補(bǔ)度兩個(gè)方面,分析混合串聯(lián)補(bǔ)償對(duì)TRV暫態(tài)特性的影響,得出以下結(jié)論。

(1)建立了混合串聯(lián)補(bǔ)償與TRV數(shù)學(xué)模型,揭示了混合串聯(lián)補(bǔ)償線路TRV產(chǎn)生機(jī)理。仿真結(jié)果表明:當(dāng)輸電線路采用FSC雙平臺(tái)分段布置時(shí),TRV峰值接近斷路器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、RRRV易出現(xiàn)超標(biāo)工況;線路采用TCSC+FSC布置方案時(shí),相比FSC雙平臺(tái)布置,TRV峰值大幅上升,最嚴(yán)峻工況達(dá)到1 409.31 kV,超過(guò)斷路器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),影響斷路器正常開斷。

(2)當(dāng)線路整體串補(bǔ)度為40%,且TCSC串補(bǔ)度小于或等于FSC時(shí),TRV峰值、RRRV與斷路器短路電流峰值均在斷路器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),有利于電弧快速熄滅,提高重合閘成功率,保證輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行。