中俄聯網500kV輸電線路過電壓研究

胡遠婷，郭 裊，高 穎，劉 進，周柏茹

(1.黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150030;2.大慶電業局，黑龍江 大慶163000)

中俄“背靠背”聯網輸電工程是中俄兩國繼石油、天然氣之后在電力方面的能源合作項目，工程投產后俄遠東電網預計每年向中國黑龍江省輸送36～43億kW·h電量。因此，為保證電網的安全穩定運行，本文根據聯網后的運行方式對線路整體情況進行了仿真，利用EMTPE軟件對線路的工頻電壓分布情況及工頻過電壓和操作過電壓進行了分析［1］。

1 系統運行參數

1.1 系統網架結構

興黑線的網架結構如圖1所示，圖1中只畫出了與所研究系統相連的線路。興黑線是中俄之間唯一的一條500 kV電力輸送通道，同時也是北部電網和中部電網之間唯一的一條500 kV聯絡線。該線路一端是500 kV黑河換流站，另一端是500 kV興福變。興福變通過500 kV興松線、永興線、群興線分別與500 kV松北變、永源變、群林變相連。另外，黑河換流站和興福變均有220 kV出線，通過黑河變、錦江變、孫吳變、北安變、海倫變、綏化變等220 kV變電站之間的聯絡線與500 kV系統構成電磁環網。

圖1 興黑線附近網架結構示意圖

1.2 線路參數配置

500 kV興黑線線路全長410.664 km，鐵塔共計1 012基，導線型號為4×LGJ－400/35，四分裂，分裂間距為450 mm，導線直徑為26.82 mm，直流電阻率為0.073 9 Ω/km。土壤電阻率為100 Ω/m，地線型號為 GJ－80，直徑為14.25 mm，直流電阻率為2.46 Ω/km。線路避雷器型號為Y20W5－444/1063，額定電壓為444 kV，雷電沖擊殘壓為1 063 kV。導線的排列方式及換位情況如圖2所示。

圖2 500 kV興黑線線路排列方式及換位情況(單位:km)

興黑線兩側各裝設一組容量為210 Mvar的高抗，高抗額定電壓為525 kV。中性點小電抗為272 Ω。

桿塔形式大部分為“酒杯型”鐵塔，中間相和左右相導線最低弧垂點距地面的平均高度分別為45.0 m和42.5 m，地線對地的平均高度為57.8 m。

2 系統建模

2.1 建模原則和等值網絡

仿真計算模型的建立過程通常分為兩步:首先將不需研究的區域進行簡化;之后選取合適的模型對關鍵區域進行等值，形成以關鍵區域為主的等值簡化模型。對操作線路進行電磁暫態計算，一般采用以下原則:

1)保留操作線路的饋電側母線上同一電壓等級(500 kV)的所有線路，因而至少需要保留到饋電側母線的前一級母線。

2)各保留節點的電壓和功角與潮流計算結果相符［2］。

按照以上原則對興黑線進行建模，利用PSASP的靜態和動態等值模塊對不需要研究的區域進行等值，等值子系統的邊界母線為220 kV呼瑪變、錦江變、海倫變、康金變、500 kV松北變、永源變和群林變。系統運行方式為2012年冬季大負荷。邊界母線的等值電壓和相角如表1所示。等值子系統的正序阻抗和零序阻抗如表2和表3所示。

表1 等值子網絡邊界母線信息

表2 等值子網絡的正序阻抗

表3 等值子網絡的零序阻抗

2.2 研究對象仿真模型建立

當架空線路的長度超過300 km時，即為長線路，對于這種線路，需考慮它們的分布參數特性和線路參數與頻率相關的線路模型［3］。在EMTPE中這種線路模型為J.MARTI模型，J.MARTI模型可用來計算一定頻率范圍內的線路參數，由于引入了頻率因素，因此該模型的設置過程較為復雜［4］。在EMTPE中若用J.MARTI模型來模擬N個導體的分布參數輸電線路，則應首先調用線路支持程序。這樣，根據線路的幾何尺寸(包括線路長度、大地電阻率等)就可以得到相應的頻率相關線路參數。

500 kV興黑線屬于長線路，且在進行過電壓計算時，不能忽略相間電容及相對地電容所產生的影響，需考慮線路的分布參數特性，因此應該采用J.MARTI模型對興黑線進行仿真計算。由于長線路之間存在線路之間的耦合作用，因此用軟件進行仿真時，線路的長度不宜超過30 km，綜合考慮興黑線線路的換相情況，仿真計算時將線路分成18段。研究對象的簡化模型如圖3所示。

圖3 研究對象簡化仿真模型

3 計算結果

3.1 工頻電壓分布

由于輸電線路存在阻抗，因此線路首末端電壓及沿線電壓是不相同的，根據興黑線的實際運行及線路換位情況，將線路運行參數代入模型中進行計算，可得到全線路19個節點穩態運行時的電壓分布，如表4和圖4所示。

圖4 興黑線穩態運行時線路電壓分布

3.2 工頻過電壓

當線路斷路器進行單相或兩相分閘(或合閘)操作時，三相輸電線路為非全相運行，由于線路相間電容和互感的作用，因此在開斷相上會產生電壓。當線路上裝設并聯電抗器時，若參數配合不當，可能出現工頻諧振。斷開相上出現較高的工頻諧振過電壓，對高抗的絕緣不利。對于這類工頻諧振過電壓，可以通過高抗中性點接入合適阻值的小電抗加以限制和消除［5］。興黑線非全相運行時的工頻過電壓如表5所示。

3.3 操作過電壓

按照中華人民共和國電力行業標準《交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合》中的要求，空載線路合閘、單相重合閘和成功的三相重合閘(如運行中使用時)，在線路上產生的相對地統計過電壓，對500 kV 系統不宜大于 2.0 p.u.(1 p.u.=550 ×興黑線最高相對地2%統計操作過電壓的計算結果如表6所示。

表4 興黑線穩態運行時沿線電壓分布

表5 興黑線非全相運行時的工頻過電壓 kV

表6 興黑線相對地2%統計操作過電壓 p.u.

4 結論

1)線路正常運行時，興黑線上的工頻電壓分布均勻，各相電壓的大小與相角和線路的相序有很大關系。

2)500 kV興黑線線路故障單相跳閘后，故障相的最高電壓為76.94 kV，高抗中性點小電抗的電壓為45.18 kV。500 kV興黑線線路故障兩相跳閘后，故障相的最高電壓為90.75 kV，高抗中性點小電抗的電壓為56.66 kV，均不會發生諧振。

3)對500 kV興黑線進行單相重合閘操作和合空線操作時，母線側相對地最高操作過電壓均不超過2.0 p.u.，滿足電力行業標準的要求。

4)直流急停情況下，母線及黑河—綏化沿線操作過電壓最高為1.54 p.u.，電壓較低避雷器未動作。

［1］崔金靈，童軍心.500 kV夢羅I回調試過電壓的計算與分析［J］.江西電力，2005，5(29):34 －37.

［2］彭向陽，鄭彬，梁文近.500 kV線路高抗退出運行及選擇備用電磁暫態［J］.高電壓技術，2010，3(36):699 －704.

［3］魯鐵成.電力系統過電壓［M］.北京:中國水利電力出版社，2009.

［4］施圍，邱毓昌，張喬根.高電壓工程基礎［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［5］侯益靈，楊高才.永州宗元500 kV輸變電工程過電壓計算研究［J］.湖南電力，2010，1(30):8 －10

［6］中華人民共和國電力工業部.交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合［S］.北京:中國電力出版社，1997.