飽和鐵芯型超導可控電抗器對線路工頻過電壓影響

彭俊臻,嚴玉廷,宋萌,胡南南,王斐宏

(1.昆明理工大學云南電網公司研究生工作站,昆明 650217; 2.昆明理工大學,昆明 650000; 3.云南電網公司電力研究院,昆明 650210)

飽和鐵芯型超導可控電抗器對線路工頻過電壓影響

彭俊臻1,2,嚴玉廷3,宋萌3,胡南南3,王斐宏1,2

(1.昆明理工大學云南電網公司研究生工作站,昆明 650217; 2.昆明理工大學,昆明 650000; 3.云南電網公司電力研究院,昆明 650210)

分析飽和鐵芯型超導可控電抗器的工作原理,在PSCAD/EMTDC中建立其電磁暫態模型,接入到500 kV超高壓輸電系統中進行時域仿真,觀察其對不同類型線路工頻過電壓的影響,分析飽和鐵芯型超導可控電抗器的投入對高壓輸電系統抑制線路工頻過電壓的效果。

飽和鐵芯型超導可控電抗器;工頻過電壓;時域仿真

1 前言

電抗器是一種重要的電氣裝置,在電力系統中廣泛地應用于限制工頻過電壓、消除發電機自勵磁、限制操作過電壓、補償線路容性充電功率、抑制潛供電流、限制短路電流和平波等領域[1]。

隨著電力系統的不斷發展,對電抗器的性能要求越來越高,在許多場合希望電抗器的電抗值可實時調節或控制。超導可控電抗器是基于超導材料的超導電特性制成的,在低溫下運行的超導可控電抗器和傳統意義上的可控電抗器相比,具有體積小、重量輕,效率高,阻燃,諧波小等優點,大大降低了裝置的成本和空間,提高了系統的穩定性。

以下通過對超導可控電抗器原理研究,分析超導可控電抗器抑制不同工頻過電壓的作用,對電抗器在各種工況下調節控制進行研究。

2 結構及原理

飽和鐵心型超導電抗器的結構如圖1所示,它由一對鐵心電抗器組成,每個鐵心上有一個交流銅繞組和一個直流超導繞組;由于交流電流的周期變化,任何時刻,其中一個鐵心內的直流磁場與交流磁場同向,而另一個相反。兩個交流繞組串接在輸電線路中。

圖1 飽和型鐵心超導電抗器結構示意圖

圖2 飽和型鐵心超導電抗器工作原理

超導可控電抗器鐵心的磁化曲線示意圖如圖2的曲線1所示。當直流繞組中電流為零時,左右鐵心中只存在交流磁通,交流繞組中的電流如曲線2所示。當直流繞組中通有電流時,分別代表左右心柱電流的曲線3和曲線4對時間軸來說是不對稱。電抗器總的工作電流由兩個交流繞組電流相加得到,如曲線5。將曲線5與曲線2相比較可以看出：在交流電壓保持不變的情況下,增加直流勵磁強度,可使交流繞組電流增加。根據這一特性,即可通過改變直流勵磁的大小,調節交流繞組電流的大小,進而改變電抗器的容量,來達到調節系統無功的目的 (表1)。

表1 飽和鐵芯型超導可控電抗器的調控方式

3 線路工頻過電壓分析

3.1 空載線路工頻過電壓形成原因

隨著輸電線路電壓等級的提高,傳送距離長達幾百或上千公里。研究這樣長度的輸電線路的傳輸特性時,需采用分布參數模型如圖3所示[3-5]。

圖3 均勻分布參數線路模型圖

圖4 長線路的復合二端口網絡

在工頻穩態分析中,為簡便起見,常采用均勻無損線模型,即R0=0,特性阻抗電壓波與電流波之間無相位差。這樣,以線路末端為坐標原點,且己知末端電壓U2=U(0)及末端電流I2=I(0),x為線路上任意一點距離線路末端距離。沿線電壓、電流同末端電壓、電流之間的關系為：

對于一給定的R、L、C串聯電路,若其參數R＜＜ωc＜ωL,且有當有正弦交流電流流過時,由于電感與電容上的壓降U1、Uc反相,且其有效值U＞U1,于是電容上的壓降大于電源的電勢。這就是集中參數電路的 “電感——電容”效應,簡稱 “電容效應”。

系統電源可用電勢E·和串聯一個集中參數的等值電源阻抗Zs來替代.線路末端接一個集中參數負載Z2(當線路為空載時,Z2=∞),如圖4所示,利用復合二端口網絡理論求解并化解得：

3.2 三相甩負荷形成工頻過電壓原因分析

造成線路工頻電壓升高的另一原因是在輸電線路傳輸負荷時,線路末端開關跳閘,突然甩負荷造成的,這就是有載線路無故障斷開時形成工頻過電壓。影響甩負荷引起工頻電壓升高的主要因素有三個：①線路輸送大功率時,發電機的電勢必然高于母線電壓,甩負荷后,發電機的磁鏈不能突變,將在短時間內維持輸送大功率時的暫態電勢E′d。跳閘前輸送的功率越大,則均E′d越高,計算工頻電壓所用等值電勢越大,工頻電壓升高就越大;②線路末端開關跳閘后,空線仍由電源充電,線路越長,電容效應越顯著,工頻電壓越高;③原動機的調速器和制動設備有隋性,甩負荷后不能立即受到調速效果,使發電機轉速升高,造成電勢和頻率都上升的結果,于是網絡工頻電壓升高更嚴重。

如圖5所示,原輸送功率為 (P+jQ),線路末端電壓U2,電流I2,線路首端電壓U1,電流I1,考慮變壓器漏抗和發電機暫態電抗為E′d后的電源等值電抗為Xs,在輸送 (P-jQ)時發電機的暫態電勢為E′d。

圖5 三相甩負荷時形成工頻過電壓系統圖

甩負荷前的穩定電壓：

=U·2cosαl[1+jtanαl(P*-jQ*)] (5)

式中令U22/Zc≈Pλ為每相傳輸的自然功率,且P*=P/Pλ,Q*=Q/Qλ,類似的可得：

因Ed′=U1+jI1Xs,可得甩負荷瞬間的暫態電勢

Ed′的模值為

設甩負荷后短時間內,發電機超速,系統頻率f增到原來的Sf倍。隨著f的增加,電勢也相應正比上升。另外,線路相位系統α及系統電源等值電抗Xs均與f成正比關系,參照有限在電源與空載長線相連時線路末端電壓升高計算式(4),可得甩負荷后線路末端電壓U′2的數值,空長線末端電壓升高的倍數其中U2=

3.3 發生不對稱短路時形成工頻過電壓原因分析

不對稱短路是輸電線路最常見的故障形式,短路電流的零序分量會使健全相出現工頻電壓升高,常稱為不對稱效應,以不對稱效應系數或接地系數表示由此產生的工頻電壓升高程度[6]。系統在發生不對稱故障時,故障點各相電壓和電流是不對稱的,可以采用對稱分量法利用復合序網方便地進行分析,設系統中A相發生單相接地故

·

··障,其邊界條件為UA=0、IB=IC=0,于是由復

·合序網,如圖6所示,圖中EA為正常運行時故障相對地電壓 (正序),Z1、Z2、Z0、分別為從故障點看進去的網絡正序、負序、零序入端阻抗,

······

U1、 U2、U0及 I1、 I2、 I0分別為序網中電壓和電流的正、負、零序分量,計算可得：

健全相電壓則為：

圖6 單相接地故障時的復合序網

表2 超導電抗器的具體參數

4 仿真分析

根據500 kV/300 Mvar單相超導可控電抗器的設計要求,電抗器無功變化范圍為50%～100%,由此可計算電抗器的電抗值和電感變化范圍,計算方法參照國標500 kV/350 Mvar干式空心并聯電抗器專用技術規范,電抗器的具體參數 (表2).據此在PSCAD中建立500 kV輸電系統 (圖7),其中電源電抗Xs=18.8 Ω,線路R1=0.027 78 Ω/km,X1=0.271 6 Ω/km,R0=0.188 3 Ω/km,X0=0.722 2 Ω/km,線路總長l=1 000 km;超導可控電抗器控制特性曲線如圖8所示。需要指出的是,可控電抗器的可控性是基于鐵芯飽和程度的變化,這樣導致了電抗器對電網注入一定量(一般小于5%)低次諧波,因此應配備相應的濾波裝置,避免對電網帶來不利影響[7-10]。

圖7 超導可控電抗器在500 kV輸電系統運用仿真模型

圖8 超導可控電抗器控制特性曲線及諧波分析

4.1 超導可控電抗器對空載線路工頻過電壓作用

為了更好的研究超導可控電抗器對輸電線工頻過電壓影響,分別在輸電線路首末以及中段進行仿真分析。由理論分析知當系統輸入的電源電抗Xs不變時,輸電線路空載容升效應隨線路長度增加而更加明顯,如果不及時進行無功補償,極易對電氣設備絕緣性造成不利影響。

當分別在線路首末,以及中段接入超導可控電抗器時由式 (11)計算得出,抑制線路空載工頻過電壓所需的電抗值以及在控制特性圖中的坐標。據此調節可控電抗器以限制過電壓。

圖9 1000 km空載輸電線路不同位置接入可控電抗器后線路末端電壓

如圖9所示,若將電抗器接在空載線路首端,即使調節補償度至100%線路末端電壓峰值仍高達1 050 kV,對空載長線路的工頻過電壓抑制效果不明顯;若在線路中段 (500 km)處接入電抗器,調節補償度至100%,此時線路末端的電壓與首端電壓比為k=1.213,電抗器提供最大補償容量,可有效降低線路容升效應產生的過電壓;若將電抗器接于空載線路末端,僅需調節電抗器補償度至 86%(控制特性曲線坐標 (3.4, 0.86)),線路末端電壓與首端電壓比降至 k= 0.993,對空載長線路工頻過電壓起到了良好的抑制作用,同時提供了一定的備用容量。

4.2 超導可控電抗器減低線路甩負荷過電壓

當長1 000 km的500 kV輸電線路無故障斷開,所帶負荷與形成工頻過電壓由表3和圖10和所示。長線路輕載時 (負荷1),若不加無功補償裝置,末端電壓仍會高于首端,對輸電系統安全造成不利影響,因此輕載線路末端應投用可控電抗器并調至較高補償度,當線路末端無故障斷開后10個周波內的過電壓平均峰值為434 kV,不用調節或小幅調高補償度即可有效抑制產生的過電壓。長線路重載時 (負荷2),可控電抗器調至較低補償度,就可使線路末端電壓和首端保持一致,當線路無故障切負荷后末端10個周波內平均電壓峰值為1 134 kV,此時可快速調高可控電抗器補償度以減低甩負荷的過電壓,使切負荷后10個周波內的平均電壓峰值為414 kV。

表3 線路帶不同負荷切斷前后電抗器控制坐標

圖10 線路無故障切負荷過電壓波形

4.3 超導可控電抗器對過電壓的抑制

如圖11(a)所示,線路正常運行時,可控電抗器勵磁電流,末端電壓與首端電壓基本一致, 7 s時A相發生接地短路,0.5 s后故障切除線路恢復正常。由于短路電流的零序分量會使健全相出現工頻電壓升高,可控電抗器不動作電壓峰值達700 kV,遠高于首端電壓,當故障發生時可調節可控電抗器的勵磁電流可以有效抑制過電壓。如圖11(b)所示,7 s時將健全相可控電抗器勵磁電流由3.4kA調至3.5 kA使電抗器電抗下降,從而將過電壓峰值減小至530 kV。

圖11 單相故障時工頻過電壓波形及可控電抗器動作曲線

5 結論

常見工頻過電壓包括長線路空載過電壓、三相甩負荷過電壓及單相短路工頻過電壓。本文通過對鐵芯飽和型超導可控電抗器建模仿真,分析其在500 kV超高壓輸電系統中對工頻過電壓的抑制作用得出以下結論：

1)對于超高壓長線路空載時,由于容升效應的作用導致線路末端電壓升高,利用大容量的超導可控電抗器對其進行連續,可靠的調節和補償,保證輸電線路的電氣絕緣安全。

2)當線路發生甩負荷而引起過電壓時,根據線路不同的負載情況,通過調節超導可控電抗器的補償度可快速實現線路過電壓的抑制,由于可控電抗器能平滑連續的調節,保證了輸電系統穩定的同時,還大大提供了系統輸電能力。

3)當線路發生不對稱短路故障時,鐵芯飽和型超導可控電抗器也可以快速響應 (小于0.5 s),有效抑制健全相上的工頻過電壓。

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Analysis of the Influence of Saturated Core Superconducting Controllable Reactor on Line Power Frequency Overvoltage

PENG Junzhen1,2,SONG Meng3,YAN Yuting3,HU Nannan3,WANG Feihong1,2
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650217; 2.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650000; 3.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming,650217)

With the technology of superconducting developing,Superconducting controllable reactor has more significant advantages ,large capacity,small volume,fast response speed,than the traditional reactor.SCSCR(Saturated core superconducting controllable reactor)is simple in structure and plays an important role in limiting over voltage in EHV and UHV transmission system. Through the analysis of the working principle of saturated core superconducting controllable reactor,this paper established the electromagnetic transient model of SCSCR and accessed to the 500 kV EHV transmission system for time domain simulation,By studied on the effect of different types of frequency overvoltage the paper provide theoretical reference for the application of saturated core superconducting controllable reactor in power system.

Saturated core superconducting controllable reactor;over-voltage;time domain simulation

TM86

B

1006-7345(2014)01-0038-06

2013-06-20

彭俊臻 (1988),男,碩士研究生,云南電網公司研究生工作站研究生,研究方向為超導電力技術,電氣工程 (e-mail) 355167214@qq.com。