交流特高壓輸電線路的工頻過電壓及其抑制

尹中發(fā)

（菏澤供電公司，山東菏澤274000）

交流特高壓輸電線路的工頻過電壓及其抑制

尹中發(fā)

（菏澤供電公司，山東菏澤274000）

隨著傳輸距離的進(jìn)一步增加和傳輸容量的增大，特高壓工頻過電壓問題更加嚴(yán)重，抑制措施較難實(shí)施。對特高壓工頻過電壓進(jìn)行簡要分析并介紹其影響因素。提出采用快速勵(lì)磁式磁控電抗器抑制特高壓工頻過電壓的方法，并對快速勵(lì)磁式磁控電抗器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。指出采用固定電抗和快速磁控電抗器串聯(lián)的方式來對特高壓系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，并對補(bǔ)償效果進(jìn)行了全面數(shù)值仿真計(jì)算，結(jié)果表明特高壓系統(tǒng)的工頻過電壓能夠限制在一個(gè)較穩(wěn)定水平。此外，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其無功容量還可以非常有效地穩(wěn)定線路電壓，在特高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用前景廣闊。

特高壓交流輸電；工頻過電壓；磁控電抗器

0 引言

輸電線路的輸電能力受系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限的限制，且大致與輸電線路電壓的平方成正比，而我國正加緊研究和建設(shè)的1 000 kV特高壓線路的輸電能力大致為500 kV超高壓線路輸電能力的4倍以上。但隨著電壓的進(jìn)一步提升，在傳輸更大容量和跨越更長距離的同時(shí)，特高壓線路工頻過電壓問題也給設(shè)備絕緣和系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定提出了新的更高的要求［1-3］。

對于我國超高壓電力系統(tǒng)來說，其工頻過電壓水平有明確規(guī)定：線路斷路器的變電站側(cè)不應(yīng)大于1.3 pu；線路斷路器的線路側(cè)不應(yīng)大于1.4 pu。但目前還沒有明確的特高壓線路工頻過電壓的限制標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)反復(fù)比較計(jì)算和吸取國外經(jīng)驗(yàn)，我國特高壓工頻過電壓標(biāo)準(zhǔn)暫定為：線路斷路器的變電站側(cè)的工頻過電壓限制在1.3 pu以下，個(gè)別情況下線路側(cè)可短時(shí)允許在1.4 pu以下［1］。

特高壓線路單位長度的容性充電功率大（約為500 kV超高壓線路的5倍）、輸送功率的變化大，加之我國單段特高壓線路的長度比較長，工頻過電壓問題相當(dāng)嚴(yán)重，一旦措施采取不當(dāng)，其幅值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過限制標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響特高壓系統(tǒng)和設(shè)備的安全運(yùn)行［4-6］。因此，研究特高壓輸電長線的工頻過電壓情況并制定明確的限制標(biāo)準(zhǔn)顯得十分迫切。

1 特高壓工頻過電壓

1.1 工頻過電壓及其影響

工頻過電壓的頻率為工頻或接近工頻，是一種穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的工頻電壓升高，具有穩(wěn)態(tài)的性質(zhì)但實(shí)際上卻是短時(shí)產(chǎn)生或者說不允許長期存在的，因而屬于暫時(shí)過電壓的范疇［7］。它產(chǎn)生的主要原因包括空載輸電長線的電容效應(yīng)、不對稱接地故障和系統(tǒng)負(fù)荷的突然變化等。工頻過電壓的持續(xù)時(shí)間相對較長，并且隨著電壓等級(jí)的升高其對系統(tǒng)設(shè)備絕緣水平的決定作用也越來越明顯，因此，工頻過電壓對特高壓系統(tǒng)有非常重要的影響。操作過電壓是在工頻過電壓基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它的大小直接影響操作過電壓的幅值。工頻過電壓是選擇避雷器的重要依據(jù)，而避雷器又決定了系統(tǒng)的過電壓保護(hù)水平。工頻過電壓水平直接決定系統(tǒng)和設(shè)備是否能夠安全運(yùn)行。

1.2 影響工頻過電壓的因素

空載輸電長線的電容效應(yīng)及系統(tǒng)阻抗。根據(jù)輸電線的分布式參數(shù)模型可知特高壓長輸電線路可看作由無窮多個(gè)電感電容串聯(lián)的鏈形回路，且容抗大于感抗。當(dāng)末端空載或輕載時(shí)，線路的入口阻抗為容性。因此容性電流在感抗上的壓降與電源電壓同相疊加抬高了容抗上的壓降，使得線路上各點(diǎn)電壓高于電源電壓，而且沿線電壓呈余弦規(guī)律分布。圖1給出了計(jì)及電源漏抗Xs（曲線a）和未計(jì)及Xs（曲線b）時(shí)空載長線路的沿線電壓分布情況。

圖1 輸電線路的沿線電壓分布曲線

由圖1看出，電源漏抗的存在使線路首端電壓高于電源電動(dòng)勢E，這猶如增加了線路的等效長度，進(jìn)一步加劇了空載長線末端的電壓升高。因此，對于雙端電源特高壓輸電線路在合閘時(shí)應(yīng)先合電源短路容量較大的一側(cè)，線路切除時(shí)則相反，應(yīng)先切除短路容量小的一側(cè)。這樣即可降低由電容效應(yīng)引起的工頻過電壓所造成的危害［7］。

線路不對稱故障。對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)來說，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相的對地電壓將升高為線電壓，這對超／特高壓輸電系統(tǒng)來說是絕對不允許的。因此，超／特高壓系統(tǒng)采用中性點(diǎn)非常有效接地的運(yùn)行方式以降低由單相接地故障引起的工頻電壓升高。盡管如此，當(dāng)特高壓輸電長線發(fā)生不對稱接地故障時(shí)，短路電流的零序電流分量仍會(huì)使非故障相出現(xiàn)工頻電壓升高現(xiàn)象，并且其大小取決于接地系數(shù)

線路故障甩負(fù)荷效應(yīng)。當(dāng)輸電線路傳輸重負(fù)荷時(shí)，線路末端斷路器突然跳閘甩去負(fù)荷也是造成工頻電壓升高的重要原因，它比單純空載輸電長線的容升過電壓更加嚴(yán)重。由于甩負(fù)荷后發(fā)電機(jī)的磁鏈不能突變，將保持甩負(fù)荷前的暫態(tài)電勢E′d，它就決定了甩負(fù)荷過電壓的幅值。假設(shè)甩負(fù)荷前線路輸送功率為P+jQ，則甩負(fù)荷瞬間的暫態(tài)電勢

由式（2）可知，當(dāng)輸電線路和發(fā)電機(jī)參數(shù)一定的情況下，甩負(fù)荷瞬間的發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢與此前輸送的功率大小有關(guān)，輸送功率越大，甩負(fù)荷瞬間的發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢也越高，由此產(chǎn)生的工頻過電壓也越嚴(yán)重。此外，考慮到甩負(fù)荷后發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)過程和原動(dòng)機(jī)調(diào)速器和制動(dòng)設(shè)備的惰性，甩負(fù)荷后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將增加，會(huì)造成電勢和頻率的上升，這也會(huì)進(jìn)一步加重工頻電壓的升高。

2 特高壓磁控電抗器

2.1 特高壓磁控電抗器結(jié)構(gòu)

特高壓磁控電抗器由于容量大、承受電壓高，因此體積龐大，做成三相式可能會(huì)給運(yùn)輸和安裝帶來相當(dāng)大的困難，因此，特高壓磁控電抗器宜采用單相式結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)特高壓磁控電抗器低電壓控制高電壓和小功率控制大功率的目的，控制繞組和工作繞組宜采用隔離的結(jié)構(gòu)形式。圖2給出了適于特高壓磁控電抗器的一種結(jié)構(gòu)形式［8-10］，圖中G1、G2為交流工作繞組，直接與1 000 kV交流特高壓電網(wǎng)相聯(lián)，要承受1 000 kV及以上的高電壓。K1、K2為直流控制繞組，與晶閘管整流裝置相聯(lián)，通過控制系統(tǒng)對晶閘管的觸發(fā)控制來實(shí)現(xiàn)主鐵心的直流偏磁注入。為了使特高壓磁控電抗器具有更好的控制特性，使其諧波特性得到改善，電抗器的主鐵心采用特殊磁閥式結(jié)構(gòu)。即在主鐵心上均勻開設(shè)小窗形成若干等效小截面，以減小邊緣效應(yīng)所造成的影響，使磁控電抗器具有更好的控制特性。當(dāng)磁控電抗器達(dá)到額定容量時(shí)，主鐵心將整體進(jìn)入飽和狀態(tài)。因此，這種結(jié)構(gòu)的磁控電抗器的容量與單磁閥式可控電抗器相比可以做得相對較大。

圖2 特高壓磁控電抗器結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

圖3給出了磁控電抗器組的接線原理圖。3個(gè)單相磁控電抗器的2個(gè)高壓工作繞組分別并聯(lián)后接成星形聯(lián)結(jié)方式，中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地以補(bǔ)償單相接地故障時(shí)的潛供電流。控制繞組接成三角形聯(lián)結(jié)，以減小交流工作繞組中電流的諧波含量。控制繞組由晶閘管整流裝置供電，并且晶閘管交流側(cè)與380 V三相交流站用電源相聯(lián)。根據(jù)特高壓輸電線路輸送功率的變化實(shí)時(shí)地改變晶閘管觸發(fā)角調(diào)節(jié)直流控制繞組中的電流大小，使兩主鐵心柱的等效小截面段逐漸進(jìn)入磁飽和區(qū)。此時(shí)，兩主鐵心柱將分別工作于正向飽和和負(fù)向飽和狀態(tài)，使交流等效電抗值得以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，從而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線路的無功功率。

圖3 電氣接線圖

3 磁控電抗器限制工頻過電壓

根據(jù)今后特高壓輸電網(wǎng)的實(shí)際發(fā)展情況，設(shè)某發(fā)電基地的發(fā)電機(jī)組通過特高壓輸電線路與另一地區(qū)的500 kV骨干網(wǎng)相聯(lián)，向該地區(qū)電網(wǎng)供電。系統(tǒng)接線圖如圖4所示，發(fā)電基地有8臺(tái)600 MW發(fā)電機(jī)組，并且每臺(tái)機(jī)組都采用發(fā)電機(jī)變壓器單元接線接入500 kV超高壓匯流母線Bus1，匯流母線將每臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能匯集起來，然后經(jīng)特高壓變壓器T3二次升壓，并最終通過一條長600 km的雙回1 000 kV特高壓輸電線路送往某負(fù)荷中心的大區(qū)500 kV電網(wǎng)，并且中間設(shè)立開關(guān)站，受端500 kV超高壓電網(wǎng)以等值發(fā)電機(jī)進(jìn)行等值。特高壓輸電線的母線出口處接有高壓電抗器以補(bǔ)償線路的充電功率，并且電抗補(bǔ)償采用固定電抗補(bǔ)償和可控電抗補(bǔ)償兩種補(bǔ)償方式，兩種補(bǔ)償方式所占比例的變化會(huì)對補(bǔ)償性能和補(bǔ)償配置的經(jīng)濟(jì)性有顯著影響。固定部分容量和可控部分容量需要根據(jù)線路長度和線路實(shí)際輸送功率的變化情況來確定。

圖4 特高壓輸電系統(tǒng)接線

對于圖4所示系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)值仿真計(jì)算分析結(jié)果表明，當(dāng)不用高壓電抗器對特高壓輸電線路進(jìn)行補(bǔ)償，僅對特高壓線路進(jìn)行加壓試驗(yàn)（線路沒有有功功率傳輸）時(shí)，送端母線Bus2、中間開關(guān)站母線Bus3及受端母線Bus4的運(yùn)行電壓分別達(dá)到了1.13 pu、1.15pu和1.07pu。顯然，沒有高壓電抗進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，特高壓線路的沿線電壓將明顯超出線路的最高允許運(yùn)行電壓1 100 kV。由于沿線電壓的升高，使得線路容性充電無功比正常運(yùn)行時(shí)大得多，平均每100 km特高壓線路的充電無功此時(shí)可以達(dá)到650 Mvar。一旦線路故障引起三相甩負(fù)荷跳閘，線路將產(chǎn)生嚴(yán)重的工頻過電壓，例如當(dāng)受端一回線路發(fā)生無故障三相甩負(fù)荷跳閘時(shí)，Bus4處的工頻電壓升高可以達(dá)到1.34 pu。并且還可以發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組是通過兩次升壓后才接入特高壓線路的，這使得發(fā)電廠出口處短路電流減小，系統(tǒng)阻抗增加，因此母線Bus2的電壓升高明顯大于母線Bus4的電壓升高，這也就要求，在用高壓電抗器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，母線Bus2處的高抗補(bǔ)償容量比受端母線Bus4處要相應(yīng)大些。下面就只采用固定電抗的傳統(tǒng)補(bǔ)償方式和采用固定電抗加可控電抗的混合補(bǔ)償方式的補(bǔ)償效果分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

3.1 固定電抗補(bǔ)償

當(dāng)采用固定電抗對特高壓線路進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償容量應(yīng)根據(jù)線路輸送容量的變化范圍來定。并且考慮到輸電線路靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的限制，特高壓輸電線路兩端的等值電源電動(dòng)勢的功角一般不應(yīng)超過45°，再加上特高壓輸電線路一般會(huì)對線路最小輸送容量有所限制［11］。因此，通過對圖4所示特高壓輸電線路的潮流分析計(jì)算，最終確定在每回線路上的Bus2和Bus4處的高抗補(bǔ)償容量分別為590 MVar和560 MVar，中間開關(guān)站母線Bus3的兩側(cè)高抗的補(bǔ)償容量均為490 MVar。當(dāng)線路輸送不同容量有功功率時(shí)，沿線電壓及線路的有功損耗情況見表1；Bus4處發(fā)生無故障三相甩負(fù)荷（狀態(tài)1）和單相接地三相甩負(fù)荷（狀態(tài)2）兩種狀態(tài)下的工頻電壓升高情況見表2。

表1 沿線電壓及線路有功損耗（固定補(bǔ)償）

表2 三相甩負(fù)荷過電壓（固定補(bǔ)償）

由上面的分析可知，在采用固定電抗進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，線路的工頻過電壓可以得到限制，但如果線路輸送的功率接近或超過線路自然功率時(shí)，線路和補(bǔ)償電抗的無功就不能實(shí)現(xiàn)自我平衡，這時(shí)線路要吸收大量的無功功率且會(huì)隨線路輸送有功的變化而變化，使得特高壓線路有功損耗增加，電壓控制的難度也大大增加，甚至?xí)绊懢€路的輸送能力。但如果采用可控電抗補(bǔ)償代替固定電抗補(bǔ)償，將能兼顧無功平衡與線路工頻過電壓限制這兩個(gè)方面的問題，大大提高特高壓線路的運(yùn)行穩(wěn)定性和輸電效率。

3.2 混合補(bǔ)償

如果完全采用可控電抗對特高壓線路進(jìn)行補(bǔ)償，并聯(lián)電抗器的調(diào)節(jié)范圍是得不到充分利用的，這種補(bǔ)償方式是不經(jīng)濟(jì)的，也是完全沒有必要的。補(bǔ)償電抗中固定部分和可控部分的補(bǔ)償容量各占多大比例則要由特高壓線路輸送功率的變化范圍來確定。通過對圖4所示的特高壓輸電線路進(jìn)行潮流計(jì)算分析可知，當(dāng)功角在20°～45°范圍內(nèi)變化時(shí)，補(bǔ)償電抗中的可控部分容量與固定部分容量的比例可以定為1∶5。采用這種固定電抗加可控電抗的混合補(bǔ)償方式后，不同功角下線路的輸送功率及沿線的電壓分布如表3所示。

表3 沿線電壓及線路有功損耗（混合補(bǔ)償）

通過表1與表3的對比分析可以看出，當(dāng)采用了固定電抗加可控電抗的混合補(bǔ)償方式后，在同樣的功角下，線路輸送的有功功率明顯增加，并且由于可控電抗可以隨線路輸送功率的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，改善了線路的無功平衡，因此特高壓線路的沿線電壓可基本保持穩(wěn)定。此外，與只有固定電抗補(bǔ)償時(shí)相比，線路的有功損耗也得到了顯著降低。

當(dāng)采用了固定電抗加可控電抗的混合補(bǔ)償方式后，在抑制特高壓線路工頻過電壓方面的效果也是不比單獨(dú)采用固定電抗時(shí)差的，表4給出了在采用混合補(bǔ)償方式后的無故障三相甩負(fù)荷過電壓（狀態(tài)1）與單相接地三相甩負(fù)荷過電壓（狀態(tài)2）的情況。與只采用固定電抗補(bǔ)償時(shí)相比，混合補(bǔ)償方式通過對可控電抗的調(diào)節(jié)可將這兩種工頻過電壓均勻地限制在限定水平以下。

表4 三相甩負(fù)荷過電壓（混合補(bǔ)償）

4 結(jié)語

特高壓線路的工頻過電壓是操作過電壓的基礎(chǔ)，且是選擇避雷器的重要依據(jù)。空載輸電長線的電容效應(yīng)及系統(tǒng)阻抗，線路不對稱故障以及線路的甩負(fù)荷效應(yīng)都會(huì)影響特高壓線路的工頻過電壓的大小。給出了一種適用于特高壓線路的磁控電抗器結(jié)構(gòu)，它的控制特性和諧波特性都較好。對固定電抗補(bǔ)償和混合補(bǔ)償兩種不同補(bǔ)償方式的特高壓線路進(jìn)行的仿真分析結(jié)果表明，有可控電抗器的混合補(bǔ)償方式能夠?qū)⒕€路的工頻過電壓限制在較穩(wěn)定水平，可控電抗器的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)還可以平衡線路無功，穩(wěn)定線路電壓，化解特高壓線路在過電壓抑制與無功平衡方面的矛盾。

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Power Frequency Overvoltage Suppression of UHV AC Transmission Line

The power frequency over-voltage of ultra-high voltage（UHV）is more serious along with the increase of the transmission distance and transmission capacity，and the over-voltage suppression methods are more difficult to be implemented.The power frequency overvoltage of UHV is briefly introduced and its influencing factors are analyzed in this paper.The magnetic controllable reactor in suppressing power frequency overvoltage is recommended，and the structure of the reactor is introduced.Then，we compensate for UHV system by using fixed reactors and fast magnetic controllable reactor in series，and simulate the compensation effect，and prove that the power frequency overvoltage could limit at a stable level.The voltage of the transmission line can be stabilized through dynamically modulating the compensation capacity of the reactor.The magnetic controllable reactor can be applied widely in UHV system.

UHV AC transmission；power frequency over-voltage；magnetic controllable reactor

TM477

：B

：1007－9904（2014）04－0024－05

2014-04-28

尹中發(fā)（1970—），男，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行、變電站運(yùn)行維護(hù)工作。