基于ATP-EMTP的特高壓交流輸電線路潛供電流仿真分析

張前雄，殷雷，劉耀中，王凱

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院，合肥市 230601)

0 引言

潛供電流的大小和恢復(fù)電壓的上升速度直接影響電弧熄滅的速度，故障電弧可能會(huì)經(jīng)歷燃燒、熄滅、重燃、熄滅的反復(fù)過程，最終會(huì)造成電弧未能完全熄滅而導(dǎo)致重合閘失敗［1-2］。

理論分析表明，潛供電流及故障點(diǎn)恢復(fù)電壓都是由相間電容的靜電耦合作用產(chǎn)生的靜電感應(yīng)分量和相間互感的電磁耦合產(chǎn)生的電磁分量組成［2］，其大小不僅與線路參數(shù)有關(guān)，還與線路的長度及故障點(diǎn)位置有關(guān)系。

潛供電弧在空氣中或者絕緣子表面游離，在一個(gè)被短路的“電感性自由電弧”中流過，并在被游離化的弧道中形成和發(fā)展，恢復(fù)電壓的上升波形受回路中電容的大小制約［3-6］。潛供電弧在空氣中自由發(fā)展，沒有強(qiáng)制滅弧條件，熄滅潛供電弧是比較困難的。

本文在分析潛供電流產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立基于ATP-EMTP的特高壓示范工程仿真模型，驗(yàn)證潛供電流隨故障點(diǎn)位置、弧道電阻等條件的變化特性。

1 潛供電流的產(chǎn)生機(jī)理分析

1.1 潛供電流產(chǎn)生機(jī)理

圖1為潛供電流的產(chǎn)生原理，圖中:M為相間互感;C12為相間電容;C0為單相線路對(duì)地電容。當(dāng)C相發(fā)生單相接地后，C相兩側(cè)的開關(guān)K1、K2斷開，由線路兩側(cè)流經(jīng)C相進(jìn)入大地的巨大短路電流被切斷，接地電弧熄滅后，合上開關(guān)K1、K2，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖1 潛供電流產(chǎn)生原理Fig.1 Principle of secondary arc current

根據(jù)圖1可列出故障相上的電壓、電流表達(dá)式

由式(1)、(2)可以得到任意點(diǎn)處單相跳開后故障相上的恢復(fù)電壓與潛供電流為

由式(3)、(4)可以得出如下結(jié)論:

(1)由電容引起的靜電感應(yīng)電壓分量沿線分布是一個(gè)常數(shù)，與故障點(diǎn)位置無關(guān)。

(3)由電感關(guān)系引起的恢復(fù)電壓、電磁感應(yīng)分量是以線路的中點(diǎn)為中心、呈左右對(duì)稱分布，大小相等方向相反，如圖2、3所示。

(4)潛供電流電磁分量與故障點(diǎn)的位置密切相關(guān)。當(dāng)故障點(diǎn)出現(xiàn)在線路最左端時(shí)，電流的方向是由大地流向線路，其潛供電流最大;當(dāng)故障點(diǎn)在線路最右端時(shí)，電流的方向是由線路流向大地，其值與前者相同。

圖2 恢復(fù)電壓與故障點(diǎn)位置的關(guān)系Fig.2 Relationship between recovery voltage and fault location

圖3 潛供電流與故障點(diǎn)位置的關(guān)系Fig.3 Relationship between secondary arc current and fault location

1.2 潛供電弧的熄滅時(shí)間

潛供電弧在空氣中燃燒，只能靠風(fēng)力以及電弧燃燒產(chǎn)生的熱氣流拉弧，因此熄弧的外界力量不大，熄滅時(shí)間主要與電流大小有關(guān)。由于外界條件的復(fù)雜性，不存在精確的潛供電弧模型，只能根據(jù)試驗(yàn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得到經(jīng)驗(yàn)公式。前蘇聯(lián)電力科學(xué)研究院根據(jù)500kV線路的試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出了潛供電弧熄滅時(shí)間 t、電流大小 I之間的經(jīng)驗(yàn)公式［1］。

由式(5)可得，當(dāng) I=20 A時(shí)，t=0.75 s。

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速為1.5～2.5 m/s時(shí)，未經(jīng)補(bǔ)償?shù)臐摴╇娀∠ɑr(shí)間(按照90%的概率統(tǒng)計(jì))可參考表1中的數(shù)據(jù)，表中潛供電流數(shù)值是指潛供電流基波工頻分量有效值。

表1 潛供電流的熄滅時(shí)間Tab.1 Quenching time of secondary arc current

由表1可知，潛供電弧熄滅時(shí)間與電流大小關(guān)系非常密切，潛供電流越小，其電弧自熄滅的時(shí)間越短。

2 特高壓輸電線路潛供電流仿真

2.1 模型參數(shù)

1000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流輸電示范工程，北起山西省長治縣晉東南變電站，經(jīng)河南省南陽開關(guān)站，南止于湖北荊門變電站。系統(tǒng)額定電壓為1000kV，最高運(yùn)行電壓為1100kV［7-8］。

該工程一期采用單回路設(shè)計(jì)，導(dǎo)線全線換位，典型桿塔有IVI水平排列、VVV水平排列、IVI三角排列和VVV三角排列等4種，導(dǎo)線的最低對(duì)地高度在非居民區(qū)為22 m，居民區(qū)為27 m［7］。本文所采用的塔型為自立式酒杯塔，桿塔按IVI水平方式排列，絕緣子串長為10 m，導(dǎo)線型號(hào)為8×LGJ－500/45，導(dǎo)線的分裂半徑為400 mm，子導(dǎo)線按正八邊形對(duì)稱排列。避雷線的型號(hào)為LBGJ－150－20AC，其計(jì)算直徑為0.855 mm。導(dǎo)線及避雷線的弧垂均為18 m。

根據(jù)塔桿尺寸，再結(jié)合線路設(shè)計(jì)資料以及土壤情況，采用ATP-EMTP所提供的輸電線路子程序Line Constants對(duì)該工程的輸電線路參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算中土壤情況按一般黃土考慮，電阻率為300 Ω·m，計(jì)算所得的線路參數(shù)如表2所示。

表2 1000kV線路LCC模型等效參數(shù)Tab.2 Equivalent parameters of LCC model in 1000kV transmission line

2.2 特高壓輸電線路潛供電流仿真計(jì)算

根據(jù)計(jì)算得到的線路參數(shù)，建立了1000kV特高壓輸電線路南陽—荊門段的仿真模型。仿真結(jié)果為:南陽側(cè)，ˉE1(∠0°)=1100kV，系統(tǒng)等效零序阻抗 Z10=0.8Ω +j10.89 Ω，正序阻抗 Z11=0.86 Ω +j52.74 Ω;荊門側(cè)，ˉE2(∠－25°)=1100kV，等效零序阻抗Z20=3.15 Ω +j8.15 Ω，正序阻抗 Z21=5.69 Ω +j14.18 Ω。南陽側(cè)裝設(shè)720 Mvar的磁控高抗，而荊門側(cè)裝設(shè)600 Mvar的固定高抗。仿真時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)在1.1 s時(shí)經(jīng)10 Ω電阻發(fā)生單相接地故障，經(jīng)過0.06 s后故障被切除，潛供電流產(chǎn)生，再經(jīng)過0.24 s，潛供電弧熄滅。圖4為不投并聯(lián)電抗器時(shí)潛供電流波形。

圖4 潛供電流波形Fig.4 Waveform of secondary arc current

3 影響潛供電流大小的因素

3.1 故障點(diǎn)位置對(duì)潛供電流的影響

根據(jù)仿真模型，計(jì)算了不同故障點(diǎn)的潛供電流數(shù)值，結(jié)果如圖5所示，圖中L為南陽—荊門段輸電線路長度。

計(jì)算結(jié)果表明:故障發(fā)生在線路中間時(shí)潛供電流最小，此時(shí)的潛供電流互感分量前、后兩段相互抵消，其值幾乎為0;而故障發(fā)生在線路兩側(cè)時(shí)潛供電流最大。

圖5 故障點(diǎn)位置對(duì)潛供電流的影響Fig.5 Effect of fault location on secondary arc current

3.2 弧道電阻的影響

弧道電阻與線路對(duì)地電容構(gòu)成串聯(lián)回路，弧道電阻的存在會(huì)使得潛供電流有所下降［9］。弧道電阻通常是非線性的，為計(jì)算方便常將其視為線性。功角為25°、在線路兩端和中間發(fā)生單相接地故障時(shí)，弧道電阻與潛供電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示，圖中R為弧道電阻。

圖6 潛供電流與弧道電阻的關(guān)系Fig.6 Relationship between secondary arc current and arc resistance

由圖6可看出，潛供電流隨弧道電阻的增加而減小，變化趨勢是非線性的。

3.3 線路輸送潮流的影響

潛供電流電磁感應(yīng)分量主要與線路間的互感以及線路輸送的潮流有關(guān)系，而對(duì)于靜電感應(yīng)分量主要體現(xiàn)在當(dāng)線路潮流增大后，導(dǎo)致沿線電壓分布下降，從而使?jié)摴╇娏鞯撵o電感應(yīng)分量略有下降。

接地電阻20 Ω時(shí)，潛供電流與功角變化之間的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可看出:當(dāng)故障發(fā)生在線路兩側(cè)時(shí)，潛供電流隨著功角的增大而增大;故障發(fā)生在線路中間時(shí)，潛供電流隨著功角的增大而減小;功角較小時(shí)，故障發(fā)生在兩側(cè)時(shí)的潛供電流小于發(fā)生在線路中間的潛供電流，而當(dāng)功角較大時(shí)，故障發(fā)生在兩側(cè)時(shí)的潛供電流大于故障發(fā)生在線路中間。

圖7 潛供電流隨功角變化曲線Fig.7 Curves of secondary arc current varing with power angles

3.4 影響潛供電流的其他因素

影響潛供電流大小的因素還有很多，如并聯(lián)電抗器的接入、線路長度、系統(tǒng)運(yùn)行電壓等。并聯(lián)電抗器的存在增加了對(duì)地電流的分流通道，潛供電流會(huì)略有降低。線路長度很大程度上決定了線路的對(duì)地電容及相間電容大小。在電壓等級(jí)以及輸電容量已確定的情況下，潛供電流的數(shù)量級(jí)直接決定于輸電線路的長度。系統(tǒng)運(yùn)行電壓越高，其靜電感應(yīng)電壓越大，對(duì)應(yīng)的潛供電流也增大。

線路換位對(duì)潛供電流也有影響。在我國，超高壓輸電線路超過100 km需要換位，線路換位主要是為了使線路三相之間的電容以及對(duì)地電容相互平衡。

4 抑制潛供電流和故障點(diǎn)恢復(fù)電壓的措施

為保證重合閘的成功，必須采取措施來減小潛供電流、降低恢復(fù)電壓。當(dāng)潛供電流在20 A以下時(shí)，可以靠風(fēng)力、上升氣流力等作用快速熄滅，但是我國已建和在線的特高壓輸電線路長度為幾百km，其潛供電流數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了20 A，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小潛供電流。

4.1 采用快速接地開關(guān)減小潛供電流

這種方法在日本、韓國得到了廣泛應(yīng)用，適用于線路長度較短，不用裝設(shè)并聯(lián)電抗器，線路換位不均勻的線路。

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障相兩側(cè)的斷路器斷開，故障線路通過兩端的快速接地開關(guān)接地，使得故障相的對(duì)地電容被短路，故障點(diǎn)潛供電流和恢復(fù)電壓大大降低。

使用快速接地開關(guān)也會(huì)帶來一些不利的影響，比如在帶串聯(lián)補(bǔ)償?shù)木€路中，當(dāng)故障單相切除后合上接地開關(guān)，補(bǔ)償電容和線路本身電感將形成串聯(lián)諧振回路，潛供電流將進(jìn)一步增大使得電弧更加難以熄滅。

4.2 電抗器中性點(diǎn)加小電抗抑制潛供電流

在輸電線路上并聯(lián)三角形聯(lián)接的電抗器XL12來補(bǔ)償相間電容C12;再并聯(lián)1組Y形聯(lián)接，中性點(diǎn)直接接地的電抗L0來補(bǔ)償輸電線路的相對(duì)地電容，以增大潛供電流縱向分量的回路阻抗，達(dá)到減小潛供電流縱分量的目的。由星形與三角形變換原理可知，上述2組并聯(lián)電抗器的效果可以由1組中性點(diǎn)經(jīng)電抗XN接地的電抗器XL1來代替。

5 結(jié)論

(1)仿真計(jì)算表明，1000kV晉東南—南陽—荊門特高壓輸電示范工程的潛供電流約為100 A，潛供電弧無法自熄滅，必須采取措施加以限制。

(2)影響潛供電流大小的因素有:影響潛供電流的靜電感應(yīng)分量，比如線路長度、線路換位、系統(tǒng)運(yùn)行電壓等;影響潛供電流的電磁感應(yīng)分量，比如輸送容量、故障點(diǎn)位置等;影響潛供電流形成回路的阻抗，比如弧道電阻等。

(3)快速接地開關(guān)適用于線路比較短的情況;對(duì)于長距離輸電網(wǎng)絡(luò)，在裝有并聯(lián)電抗器的情況下應(yīng)優(yōu)先采用并聯(lián)電抗器中性點(diǎn)加裝小電抗的措施。

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