架空線-電纜混合輸電線路工頻過電壓分布特性

徐 曙，李 勛，黃榮輝，伍國興，姚森敬，安韻竹

(1. 深圳供電局有限公司, 廣東 深圳 518048；2. 山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

架空線-電纜混合輸電線路工頻過電壓分布特性

徐 曙1，李 勛1，黃榮輝1，伍國興1，姚森敬1，安韻竹2

(1. 深圳供電局有限公司, 廣東 深圳 518048；2. 山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

針對單一架空線(電纜)線路和架空線-電纜混合輸電線路三種不同線路結構形式，采用理論分析和數值計算的方法分析線路沿線工頻過電壓分布特性及規(guī)律.仿真計算結果表明，電纜線路的容升效應大于架空線路，超過200km時需采取工頻過電壓限壓措施.架空線-電纜混合線路的工頻電壓升高由等效電路內感抗與尾段線路的容抗串聯引起容升效應和混合線路尾段電容引起的容升效應兩部分組成；對于架空線-電纜混合線路，前者起主要作用，而電纜-架空線混合線路后者起主要作用.研究結論為電力系統(tǒng)混合輸電線路工頻過電壓的防治提供了參考.

過電壓；混合線路；組合次序；容升效應

海上風電場一般使用海底電纜實現海上風電場與陸地電網的并網.2009年，我國建成了長度為32km的500kV海底電纜，實現了南方電網與海南電網的聯網工程，這條海底電纜是目前世界上最長的500kV交流海底電纜.在電力輸送過程中，相比于架空線路，使用高電壓、大截面、長距離的電纜在運行和維護方面會有很大的不同[1-3].當前對于架空線路沿線工頻過電壓研究比較成熟，但對于電纜與架空線路混合輸電的工頻過電壓方面研究相對較少.因此，研究架空線電纜混合輸電線路過電壓及其防護對于海上風電規(guī)劃及運行維護有著重要意義.為了獲得架空線-電纜混合輸電線路工頻過電壓分布特性，本文對單一線路和混合線路的工頻過電壓產生機理進行理論分析，在ATP-EMTP電磁暫態(tài)計算軟件中分別搭建單一線路和混合線路的工頻過電壓計算模型，計算分析單一線路和混合線路的工頻過電壓沿線分布特性，并對比分析混合線路組合方式對線路沿線工頻過電壓沿線分布的影響.

1 線路工頻過電壓沿線分布理論分析

1.1 單一線路工頻過電壓沿線分布規(guī)律

工頻過電壓是電力系統(tǒng)在正常或故障時可能出現幅值超過最大工作相電壓、頻率為工頻或接近工頻的電壓升高[4].長距離輸電線路產生工頻過電壓的主要原因是空載線路的電容效應、不對稱接地故障、發(fā)電機突然甩負荷等[5-7].在不考慮大地回路影響情況下，電力線路的均勻傳輸線方程為

(1)

(2)

(1)、(2)式中：G0為線路單位長度的電導，S/km；C0為線路單位長度電容，C/km；R0為線路單位長度電阻，Ω/km；L0為線路單位長度電感，H/km，u為在t時刻的線路x處的電壓，kV；i為在t時刻線路x處的電流，kA.取式(1)、(2)中均勻傳輸線電阻R0和線間漏電導G0等于零，則線路首末兩端電壓和電流的關系為

(3)

式中:U1、U2為輸電線路首末兩端電壓，kV；I1、I2為輸電線路首末兩端電流，kA；ZC為輸電線路波阻抗;α為輸電線路的相移系數[8]：

(4)

(5)

首端對末端的電壓傳遞系數為

(6)

由式(6)可知，電壓傳遞系數α由線路的相移系數和線路長度決定.

1.2 線纜混合輸電線路工頻過電壓沿線分布規(guī)律

架空線電纜組成的空載線路如圖1所示，假設兩條線路的波阻抗分別為Z1、Z2，線路相移系數分別為α1、α2，長度分別為l1、l2.混合線路兩端電壓與電流的方程關系如式(7)、(8)所示.

圖1 架空線-電纜混合線路連接結構

(7)

(8)

將空載線路I3=0代入式(7)、(8)，并聯立求解可得線路首端電壓U1和末端電壓U3的關系式

(9)

由式(6)可知混合輸電線路的電壓傳遞系數為

(10)

由式(10)可知，架空線-電纜混合輸電線路負荷側的工頻電壓與電源側的比值取決于各段線路的電壓傳遞系數和各段的波阻抗.

(1)當Z1=Z2時，K13=1/cos(α1l1+α2l2)，相當于單一不分段輸電線路，混合輸電線路的電壓傳遞系數為兩段線路的相移之和.

(2)當Z1

(3)當Z1>Z2時，K13>1/cos(α1l1+α2l2)，混合輸電線路的電壓傳遞系數大于兩段線路相移之和.

2 單一輸電線路工頻過電壓沿線分布規(guī)律計算

2.1 仿真模型及參數設置

假設輸電線路電壓等級為220kV，線路電壓損耗為5%，電源的等效阻抗取值為1+j15Ω，負荷等效阻抗為Z=110+j33.5Ω，混合線路采用的電纜截面積為3×500mm2，架空線型號為LGJ-300/ 40，計算時采用單相計算模型.

2.2 空載線路沿線工頻過電壓特點

不考慮架空線損耗過程，將架空線看作無損線路，線路上的傳波速度為3×105km/s，根據式(4)可得單一架空線的相位移系數αl為0.06°/km.取交聯聚乙烯的相對介電常數為2.75，真空的介電常數ε0為8.86×10-12F/m，計算可得電纜的電容0.204μF，根據式(4)可得單一電纜的相位移系數αc為0.32°/km.通過計算可知，單位長度的電纜電感略大于架空線中電感，但電纜線路單位長度的電容卻遠大于架空線的電容，電纜αc為架空線αl的5.3倍，這說明電纜的容升效應遠大于架空線，其產生線路諧振過電壓的概率大于架空線路.

(a)架空線路長度與電壓轉移系數αl的關系

(b)電纜線路長度與電壓轉移系數αc的關系圖2 工頻過電壓沿線分布情況

根據式(5)計算單一架空線和電纜線路的線路長度對工頻過電壓的影響，電壓轉移系數αl與線路長度的變化規(guī)律如圖2所示.由圖2可知，架空線和電纜的線路工頻過電壓均隨著線路長度的增加而增大.由于電纜線路單位長度的電容卻遠大于架空線的電容，所以電纜線路在超過200km時，其電壓轉移系數開始激增，容升效應顯著，可能發(fā)生串聯諧振.而架空線路超過1 200km發(fā)生串聯諧振的可能性增大，對輸電線路工程已經足夠長.因此，實際工程中應避免電纜線路過長引起的工頻過電壓升高.

3 線纜混合輸電線路工頻過電壓沿線分布計算

3.1 架空線-電纜混合線路工頻過電壓沿線分布計算

根據圖1所示的架空線電纜組成的混合輸電線路，混合線路組合方式影響式(10)中電壓轉移系數K13的值.本文采用ATP-EMTP仿真軟件建立對應線路模型，分析不同線路分段次序對電壓轉移系數的影響.仿真模型分別取架空線路長度分別為50km、100km、150km、200km和250km，電纜長度為50km.

圖3 混合線路仿真模型

設定參數值：K13為整條線路U1與U3的電壓轉移系數；K12為混合線路前半段線路U1與U2的電壓轉移系數；K23為混合線路后半段線路U2與U3的電壓轉移系數；K13′為兩段線路電壓轉移系數K12和K23的乘積，無具體物理意義.計算結果如圖4所示.

圖4 架空線-電纜混合線路各段電壓轉移系數

由圖4可知，架空線-電纜混合輸電線路當前段為架空線時，整條線路電壓轉移系數K13與各段電壓轉移系數的乘積K13′在各段線路均小于50km時近似相等，但隨著線路總長度的增加，二者之間差異明顯.架空線路部分雖然其線路長度大于電纜部分的線路長度，但其電壓轉移系數K12小于電纜電壓轉移系數K23，各電壓轉移系數均隨著線路總長度的增大而增大，架空線線路電壓轉移系數增加幅度較小.由計算結果可知，當架空線在混合線路的前端時，系統(tǒng)電源與架空線相連后，從架空線往電源側可視為戴維南等效電路，架空線感抗可以看成是電源內阻抗，等效感抗與海纜電容串聯引起了較大的容升效應.此外架空線自身電容也使得混合線路的電壓轉移系數增大.

3.2 電纜-架空線混合線路工頻過電壓沿線分布計算

當混合線路的前段為電纜時，同樣采用仿真軟件建立對應線路模型，仿真模型分別取電纜線路長度分別為50km、100km、150km、200km和250km，架空線路長度為50km，各段電壓轉移系數同上，計算結果如圖5所示.

圖5 電纜-架空線混合線路各段電壓轉移系數

由圖5可知，當混合輸電線路當前段為電纜時與圖4類似，整條線路電壓轉移系數K13與各段電壓轉移系數的乘積K13′，隨著線路總長度的增加，二者之間差異明顯.架空線路電壓轉移系數K12小于電纜電壓轉移系數K23.

由計算結果可知，當電纜線路處于混合線路的前段時，從電纜往電源側可視為戴維南等效電路，電纜線路的阻抗與電源側的阻抗視為電源等效內阻抗.由于電纜線路感抗值較小而容抗值大，與尾段的架空線連接時，電源等效阻抗中感抗與架空線路阻抗中的容抗的串聯形成容升效應.上述部分容升效應使得電壓轉移系數增大.因此，造成混合線路工頻電壓升高，其原因主要由兩部分組成：一部分是由等效電路內感抗與混合線路尾段線路的容抗串聯而引起容升效應，另一部分主要由混合線路尾段電纜電容引起的容升效應.

若將混合線路前段視為純電感，并與線路尾段電容串聯，在此基礎上單獨考慮前段線路的電容效應，計算可發(fā)現混合線路最終的工頻過電壓升高的原因與混合線路的組合次序有關.架空線-電纜混合輸電線路(架空線在前)中，等效電路內感抗與串聯的混合線路尾段電纜線路的容抗串聯引起容升效應，是引起工頻過電壓的主要部分；電纜-架空線組成混合輸電線路時，混合線路尾段電容的容升效應為工頻過電壓的主要組成部分.

結合以上分析，對比圖4與圖5可知，當混合線路總長度確定為100km，前后兩段線路長度均為50km時，架空線-電纜混合線路整條線路電壓轉移系數為1.219.當前段線路為電纜，此時電纜-架空線混合線路整條線路電壓轉移系數為1.197，這說明在混合線路總長度一定時，線路工頻過電壓升高與線路的排列次序有關.當電纜線路在前時，電纜線路的電容遠大于架空線路，相當于在線路中并聯電抗器[9-10]，起到了一定抑制工頻過電壓的作用.

4 結論

本文分析了單一線路與架空線-電纜混合線路的工頻過電壓沿線分布規(guī)律，并通過仿真計算分析電纜與架空線路組合方式對工頻過電壓分布特點的影響，得到的結論如下：

(1)架空線和電纜的線路工頻過電壓均隨著線路長度的增加而增大.由于電纜線路單位長度的電容遠大于架空線的電容，所以電纜線路容升效應更為顯著.

(2)架空線-電纜混合線路的工頻過電壓沿線分布受混合線路組合方式的影響.混合線路工頻電壓升高一部分是由戴維南等效電路內感抗與尾段線路的容抗串聯從而引起容升效應，另一部分主要由混合線路尾段的電容引起的容升效應.對于架空線-電纜混合線路，前者為主要影響部分，而電纜-架空線混合線路，后者為主要影響部分.

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(編輯：劉寶江)

Research on power frequency overvoltage distribution property along hybrid transmission line

XU Shu1, LI Xun1, HUANG Rong-hui1, WU Guo-xing1, YAO Sen-jing1, AN Yun-zhu2

(1. Shenzhen Power Supply Company Limited, Shenzhen 518048, China；2. School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Three types of transmission lines have been studied in this paper, including pure cable, pure overhead lines and hydrid transmission lines. Anlysis method and simulation method have been applied in this paper to study on the power frequency overvoltage of power lines. The calculation results indicate that capacitive rise effect on cable is more serious than that of on overhead lines. Therefore, prevention measures should be taken to avoide the overvoltage when cable length was over 200 km.

overvoltage; hybrid transmission line; compound mode; cluster effect

2016-11-18

中國南方電網公司科技項目(090000KK52140041)；山東省自然科學基金項目(ZR2016EEQ20)

徐曙,男,15815513590@163.com; 通信作者： 李勛,男, epcman@vip.qq.com

1672-6197(2017)05-0051-04

TM864

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