串聯諧振法在高壓直流輸電線路參數測試中的應用

王慶玉，張高峰，張青青

(山東電力科學研究院，山東 濟南 250002)

0 引言

輸電線路參數的頻率特性，是進行操作過電壓的研究和計算、內過電壓模擬以及電力系統其他暫態過程研究的重要依據。

導線和大地在交變電流作用下的集膚效應使得線路參數隨頻率而變。 頻率升高時，線路電阻明顯增大，電感有所減小，線路電容在頻率低于1MHz時，不隨頻率而改變。

直流輸電線路頻率特性的計算，是以長線的電磁場方程為基礎，計及導線和大地的集膚效應等因素，借助Bessle函數和Carson公式推算得到有關結果。重點介紹串聯諧振法在直流長距離輸電線路參數測試中的應用，計算時，做了許多簡化，如把土壤看成是均勻的，導線高度是恒定的等等，而沒有考慮線路的各種具體情況［1］。

1 研究內容

1.1 測量方法研究

1.1.1 諧振法

超高壓輸電線路Q值大，實測表明，能在±1 Hz內精確地調出諧振點。 在諧振頻率下，線路的入端阻抗很小，電源能輸出數安培的電流，抗干擾能力較強。測量時，根據欲測的參數，選用不同的試驗接線，對線路施加頻率可變的正弦電壓，調節電源頻率，使線路達到諧振狀態，測取線路末端短路和開路狀態下的諧振頻率和諧振阻抗［2］。

諧振次數與線路的損耗有關。 若是無損耗，則有無窮多個諧振點。損耗愈大諧振次數愈少。諧振法測試簡單，測量頻率范圍較寬。

1.1.2 相位法

相位法的基本原理同諧振法一樣，都是在正弦電壓下測量輸電線路的入端阻抗。當電源頻率為線路諧振頻率時入端阻抗是實量，即為諧振法。 而在一般情況下入端阻抗是復量，須測量其模和幅角，這就是相位法。

相位法原理簡單、數據處理簡便，但其測量頻率范圍有限，一般在50～200 Hz左右。 但是一方面由于輸電線路的Q值很高，當遠離諧振頻率時和端阻抗的幅角接近90°，幅角測量的較小誤差將引起線路參數的較大誤差，因而對相位角測量的精度要求較高；另一方面，由于電源的容量有限，而線路的入端阻抗隨頻率變化很大。當入端阻抗很大時，電源輸出的電流很小，干擾的影響使波形畸變，不易獲得準確結果。

1.1.3 電容放電法

將充電電容器組向末端短接的輸電線路放電，產生衰減振蕩電流。經過2～3個半波以后，高次諧波分量已衰減完畢，此時用一個π型電路足以等價真實線路。 改變充電電容C1的電容量可得到不同的振蕩頻率。從電流波形圖可測得振蕩頻率和衰減因子，經過計算，可得出線路單位長度的電阻與電感。

電容放電法能測量線路參數在較低頻段的頻率特性，放電電流大，電壓高，抗干擾能力較強。但為使C1＞10Cn，這就限制了測量頻率。

通過比較得知，現場測試容易實現且能保證測量結果的方法為諧振法。

1.2 串聯諧振法

諧振法簡化計算公式。

對于串聯諧振：

對于并聯諧振：

實測時宜用串聯諧振點，因為在其頻率下入端阻抗小，電源能輸出較大的電流。隨著頻率的增高，串、并聯諧振的入端阻值的差異減小，在較高頻段并聯諧振點測量的數據也可采用。

2 現場測試概況

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程，起于寧夏寧東換流站，止于青島換流站，途經寧夏、陜西、山西、河北、山東五省區，線路長度1 335 km，線路跨越500 kV線路14回次，跨越330 kV線路11回次，跨越220 kV線路47次。導線采用4×JL/G3A-1000/45型鋼芯鋁絞線，地線采用JLB20A-150鋁包鋼絞線。

本次測試工作共進行了以下參數的測量：線路直流電阻測量，線路工頻正序阻抗測量，線路工頻零序阻抗測量，線路工頻正序電容測量，線路工頻零序電容測量，線路參數頻率特性測量［3］。

3 現場試驗內容及結果

3.1 線路直流電阻測量

線路直流電阻測量接線如圖1所示，測量采用四極法接線方式，消除測量引線引起的測量誤差。

圖1 直流電阻測量示意圖

單極直流電阻值為R=9.725 Ω。

3.2 線路工頻正序阻抗測量

線路工頻正序阻抗測量接線如圖2、圖3所示。測量采用四極法接線方式，消除測量引線引起的測量誤差［4-5］。

圖2 正序短路阻抗測量示意圖

圖3 正序開路阻抗測量示意圖

線路工頻正序阻抗為Z1=12.8828+j376.8705Ω。

3.3 線路工頻零序阻抗測量

線路工頻零序阻抗測量接線如圖4所示。 測量采用四極法接線方式，消除測量引線引起的測量誤差。

圖4 零序短路阻抗測量示意圖

圖5 零序開路阻抗測量示意圖

線路工頻零序阻抗Z0=127.893+j585.264 Ω。

3.4 線路工頻正序電容測量

線路工頻正序電容測量接線如圖6所示。測量采用四極法接線方式，消除測量引線引起的測量誤差。

圖6 正序電容測量示意圖

線路工頻正序電容C1=17.221 5 μF。

3.5 線路工頻零序電容測量

線路工頻零序電容測量接線如圖7所示。測量采用四極法接線方式，消除測量引線引起的測量誤差。

圖7 零序電容測量示意圖

線路工頻零序電容C0=10.813 5 μF。

3.6 線路參數頻率特性測量

線路參數頻率特性測量接線如圖2、圖3、圖4、圖5所示，為得到準確結果，采用諧振法測量。測量采用四極法接線方式，消除測量引線引起的測量誤差。

3.6.1 正序參數頻率特性測量

正序末端開路計算結果如表1所示，正序末端短路計算結果如表2所示。

表1 正序末端開路計算結果

表2 正序末端短路計算結果

正序電感頻率特性曲線如圖8所示，正序電阻頻率特性曲線如圖9所示。

圖8 正序電感頻率特性曲線

圖9 正序電阻頻率特性曲線

3.6.2 零序參數頻率特性測量

零序末端開路計算結果如表3所示，零序末端短路計算結果如表4所示。

表3 零序末端開路計算結果

表4 零序末端短路計算結果

零序電感頻率特性曲線如圖10所示，零序電阻頻率特性曲線圖11所示。

圖10 零序電感頻率特性曲線

圖11 零序電阻頻率特性曲線

4 結語

隨著電網發展，超高壓遠距離輸電線路越來越多，特別是超高壓直流輸電的發展，線路參數測試已經變得越來越重要。通過本次現場測試發現，諧振法測試簡單，在測試過程中，根據欲測的參數，選用不同的試驗接線，可以較為簡單捕捉到諧振點，對線路施加頻率可變的正弦電壓，調節電源頻率，使線路達到諧振狀態，測取線路末端短路和開路狀態下的諧振頻率和諧振阻抗。而且測量頻率范圍較寬，抗干擾能力較強，測量結果完全能滿足工程實際需要。