500kV并行雙回架設線路高抗隔離開關感應電流仿真分析

超高壓柳州局 李海生 李洪坤 張健全 周 韋

南方電網科學研究院 馮 賓

500kV并行雙回架設線路高抗隔離開關感應電流仿真分析

超高壓柳州局 李海生 李洪坤 張健全 周 韋

南方電網科學研究院 馮 賓

為進一步縮短退運并聯高抗的電氣操作時間，針對500kV帶并聯高壓電抗器運行的并行雙回架設線路，本文探討了在線路冷備用狀態下直接拉合高抗隔離開關的操作可行性。通過電磁暫態仿真計算軟件ATP-EMTP，分別計算了當一回線路停運，一回線路運行時，流經500kV山河甲乙線高抗隔離開關的感應電流值，對可能影響感應電流值的幾個因素進行了討論分析。同時計算出高抗隔離開關拉合高抗時的恢復過電壓值，為線路高抗隔離開關的改造、選型提供參考。

并行雙回架設線路；感應電流；ATP-EMTP；恢復過電壓值

隨著電力需求的不斷增長，電網規模不斷擴大，南方電網的主網架輸電線路呈現出交直流并聯運行、遠距離、大容量、電壓等級高的特點。對于遠距離輸電線路，為補償長線路電容效應，降低操作過電壓，通常采用隔離開關將并聯高壓電抗器接入輸電線路中。在南方電網日常電力運行、檢修工作中，針對并聯高壓電抗器的停電檢修、線路復電前的線路絕緣測試和直流融冰操作，仍需先將線路并聯高壓電抗器與系統隔離后才可進行，待上述工作結束后還需要將并聯高壓電抗器接入系統。據統計，單次退運并聯高壓電抗器的倒閘操作時間可達40多分鐘，工作程序繁瑣且效率不高。若不合上線路側接地刀閘，在線路冷備用狀態下直接拉合并聯高抗隔離開關，單次退運的倒閘操作時間僅不到10分鐘，由此可見，設想的操作模式能夠大大減少了停運并聯高壓電抗器的倒閘操作時間，減輕運行人員勞動強度，提高了工作效率。

對于500kV并行單回架設線路，考慮相互間的靜電耦合和電磁耦合作用，當一回運行, 一回停運時，運行線路將在停運線路中產生感應電壓和感應電流。若停運線路帶有高壓并聯電抗器時，由于高壓并聯電抗器補償線路對地電容量的作用，運行線路在停運線路上產生的靜電感應電壓將顯著增加，故帶高壓并聯電抗器的并行單回架設線路彼此間存在著較強的電氣聯系[1-2]。停運線路高抗未與系統隔離前，會有較大的感應電流流過高抗隔離開關。目前如何設計出具備開斷大感應電流的高抗隔離開關仍是電力設備研究的熱點。為此，本文將對某500kV并行單回架設線路帶高抗運行條件下電磁感應問題進行研究，在線路冷備用狀態下，拉合并聯高壓電抗器隔離開關，評估此操作方式的可行性，進而提高停運高壓并聯電抗器的電氣倒閘操作效率。

下文將以南方電網500kV山河甲乙線為例，采用電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP，模擬并行單回架設線路中運行線路對停運線路的電磁感應，計算流經停運線路高壓并聯電抗器隔離開關的感應電流，討論分析線路輸送功率、線路運行電壓、導地線對地高度、土壤電阻率、線行間距等因素對感應電流值的影響，同時也對隔離開關拉合高壓并聯電抗器時的斷口恢復過電壓、高抗側操作過電壓進行仿真分析計算[3-5]。

1.計算參數選取

500kV山河甲乙線采用兩個單回路平等架設，其中500kV山河甲線線路長約199.247km，500kV山河乙線線路長約198.222km，其線路架設情況如圖1所示。

圖1 500kV山河甲乙線架設情況示意圖

500kV山河甲乙線在河池站配置一組三臺單相式并聯電抗器，容量為3×50Mvar，并聯電抗器中性點經中性點小電抗器接地，容量為520Ω。

1.1 塔型的選取及回路布置

對于500kV山河甲乙線，直線塔采用酒杯型桿塔和拉V塔，耐張塔采用干字型桿塔。全線三分之一的桿塔采用ZB1型。為此，本文仿真時，以ZB1型直線塔尺寸建立桿塔模型，主力桿塔呼稱高度取36m，導線懸垂串長5m。平均檔距取400m，導線弧垂取12m，地線弧垂取9m。ZB1直線塔型結構尺寸以及導地線布置形式如圖2所示。

圖2 500kV山河甲乙線ZB1直線塔型

500kV山河甲、乙線兩個單回路線行之間的距離從65m至1500m不等，偏嚴考慮，假設兩條線路線行中心距均為65m。

1.2 導地線參數

500kV山河甲乙線采用型號為4×LGJ-400/35、4×LGJ-400/50兩種導線。其中500kV山河甲線共進行了3次換位，各換位導線長度分別為52.479km、39.687km、54.389km、52.692km；500kV山河乙線共進行了3次換位，各換位導線長度分別為5.693km、87.368km、52.236km、52.925km。如圖3所示。

圖3 500kV山河甲乙線線路換位示意圖

500kV山河甲線地線1根為OPGW光纖架空復合地線，1根為普通地線；500kV山河乙線兩根地線均為普通地線，普通地線型號為GJ-80、LJB20A-80、LBGJ-120-40AC，OPGW全線逐塔接地，普通地線不接地。

2.感應電流計算結果及分析

基于南方電網2016年1月大方式運行數據，采用潮流計算程序BPA將交流系統分別等值到獨山和河池站的500kV母線處，等值計算結果如表1和表2所示。

表1 500kV山河甲乙線系統等值自阻抗計算結果

表2 500kV山河甲乙線系統等值互阻抗計算結果

根據等值結果并結合線路參數情況在電磁暫態程序ATP-EMTP中建立500kV山河甲乙線的雙端簡化等值電磁暫態計算模型。

根據所建模型，計算500kV山河甲乙線一回線路停運，一回線路運行時，流過停運線路高抗隔離開關的感應電流。具體講，將計算結果分成兩種情況：（1）500kV山河甲線正常運行，500kV山河乙線停運時，流過乙線高抗隔離開關的電流；（2）500kV山河乙線正常運行，500kV山河甲線停運時，流過甲線高抗隔離開關的電流。同時本文對可能影響感應電流的輸送功率、線路電壓、導地線對地高度、沿線土壤電阻率、線行間距等因素進行仿真計算分析。

2.1 輸送功率的影響

設定500kV山河甲乙線運行線路兩端母線電壓值為525kV，當線路輸送不同功率時，計算流過停運線路高抗隔離開關的感應電流，其變化趨勢如圖4所示。

圖4（a）山河乙線高抗隔離開關感應電流

圖4（b）山河甲線高抗隔離開關感應電流

雖然線路各段進行了均勻換位，但由于各相的相對距離并不一致，且流過隔離開關的感應電流主要受運行線路對停運線路相間電容影響，導致流過停運線路各相隔離開關的感應電流值也不相等。由圖4中可以得出：（1）當山河甲線輸送一定功率時，流經停運的山河乙線A相高抗隔離開關感應電流最大，B相次之，C相最小；當山河乙線輸送一定功率時，流經停運的山河甲線B相高抗隔離開關感應電流最大，C相次之，A相最小；（2）隨著500kV山河甲線運行線路負荷電流增大，停運的山河乙線各相感應電流變化較小，其中A相稍有減小，B相稍有增大，C相基本保持不變，由此可判流經高抗隔離開關的感應電流主要為靜電感應分量；（3）隨著500kV山河乙線運行線路負荷電流增大，停運的山河甲線各相感應電流變化較小，其中B相、C相稍有減小，A相稍有增大，由此可判流經高抗隔離開關的感應電流主要為靜電感應分量。

2.2 線路電壓的影響

為嚴格考慮，本文將500kV山河甲乙兩條線路線行中心距設為65m，運行線路兩端等值電源相角差為-30°，當改變運行線路線電壓，計算流過停運線路高抗隔離開關的感應電流，其變化趨勢如圖5所示。

圖5（a）山河乙線高抗隔離開關感應電流

圖5（b）山河甲線高抗隔離開關感應電流

從圖5的曲線變化趨勢中可以看出：（1）當運行線路線電壓值不變時，流過停運線路各相高抗隔離開關的感應電流值并不相等。當山河甲線停運時，流經山河乙線高抗隔離開關的感應電流A相最大，B相次之，C相最小；當山河乙線停運時，流經山河甲線高抗隔離開關的感應電流B相最大，A相次之，C相最小；（2）隨著運行線路線電壓增加，流經停運線路各相高抗隔離開關的感應電流值成正比增大趨勢，由此可進一步驗證流經高抗隔離開關的感應電流主要為靜電感應分量。

2.3 導地線對地高度的影響

500kV山河甲乙線獨山站至河池站線路位于廣西北部，線路所經區域地形復雜，若采用導地線實際對地平均距離難以得出與實際情況貼近的仿真計算結果，為此本文通過調整桿塔呼稱高或導地線弧垂，改變導地線對地高度，研究導地線對地高度對流經停運線路高抗隔離開關感應電流的影響。

設定兩條線路線行中心距為65m，運行線路電壓為550kV，輸送電流兩端電源相角差為-30°，通過改變導地線對地高度，計算一回線路運行，一回線路停運時，流過停運線路高抗隔離開關的感應電流，其變化趨勢如圖6所示。

由圖6可以看出，當線路導地線對地高度變化時，流經停運高抗隔離開關的三相感應電流值均隨線路導地線對地高度增高而增大，隨線路導地線對地高度減小而減小，感應電流值正相關于線路導地線對地高度。

圖6（a）山河乙線高抗隔離開關感應電流

圖6（b）山河甲線高抗隔離開關感應電流

2.4 土壤電阻率的影響

經實際測算，500kV山河甲乙線獨山站至河池站的線路桿塔所經沿途土壤電阻率變化較大，大小在100Ω·m～5000Ω·m范圍中變化。現設定運行線路輸送電流兩端電源相角差為-30°、運行線路電壓為550kV時，計算不同土壤電阻率下，流過停運線路高抗隔離開關的感應電流，其變化趨勢如圖7所示。

當土壤電阻率在100Ω·m～2000Ω·m范圍內發生變化時，由圖7中可以得出，流經停運線路隔離開關的感應電流值只發生極微小的改變，表明輸電線路沿線的土地電阻率對并行單回架設線路之間的靜電感應和電磁感應影響非常小。因此，可以得出土壤電阻率不是影響流經停運線路隔離開關感應電流大小的主導因素。

圖7（a）山河乙線高抗隔離開關感應電流

圖7（b）山河甲線高抗隔離開關感應電流

2.5 線行間距的影響

500kV山河甲乙線兩個單回路線行之間的距離從65m至1500m不等。為研究線行間距對流經停運線路高抗隔離開關感應電流的影響，現設定運行線路兩端等值電源相角差為-30°、線路電壓為525kV，計算當兩條線路間距變化時，流過停運線路高抗隔離開關的感應電流值。其變化趨勢如圖8所示。

從圖8可見，流過停運線路高抗隔離開關的電流值受線行間距影響很大，隨著線行距離增加，流過停運線路的感應電流迅速下降到零值附近，感應電流值負相關于線行間距。

圖8（a）山河乙線高抗隔離開關感應電流

圖8（b）山河甲線高抗隔離開關感應電流

2.6 高抗隔離開關開合感應電流的能力要求

通過對以上仿真計算結果分析，并聯高壓電抗器的補償使得停運線路對地電容量減少，運行線路對帶高抗停運線路的感應主要為靜電感應，在此感應作用下流過高抗隔離開關的電流為感性電流。計算出流經500kV山河甲乙線停運線路高抗隔離開關的電流最大值可以對如表3所示。

表3 500kV山河甲乙線高抗隔離開關感應電流峰值（A）

目前相關標準未對隔離開關開合感應電流值作出明確要求[6-7]。隔離開關要求具備開合一定的小電流能力，需指明小電流特指小的電容性電流（如開合短母線）或小的電感性電流（如開合電壓互感器）。在額定電壓下，隔離開關應能可靠開合1.0A感性電流，2.0A電容電流。通過以上仿真計算，現有高抗隔離開關在型式試驗中是無法滿足直接開合感應電流。為使隔離開關具有開合感應電流的能力，需對現有高抗隔離開關結構進行改造，如增加類似于斷路器結構的并聯滅弧室，滅弧介質可以采用SF6或者真空。

3.隔離開關切合高抗斷口恢復電壓

隔離開關能否順利切除高抗，除了與切除電流大小有關外，還與隔離開關斷口兩端的恢復電壓有關，尤其是與電流剛剛過零熄弧后出現在斷口兩端的暫態恢復電壓有關，當斷口間暫態恢復電壓的增長速度超出斷口間介質強度的恢復速度時，隔離開關將發生重燃，進而造成開斷失敗，因此，有必要對隔離開關兩端的暫態恢復電壓進行評估[8-9]。利用上述建立的電磁暫態計算模型對500kV山河甲乙線高抗隔離開關的斷口恢復電壓（包括暫態值與穩態值）進行了仿真，計算結果如表4所示。

表4 隔離開關切除高抗時斷口恢復電壓（峰值）

4.隔離開關分合操作時高抗側的過電壓

高抗隔離開關的分合操作可能會在高抗側產生過電壓，通過計算過電壓值判斷是否會對高抗絕緣性產生影響，進而驗證設想操作方式的可行性[10-11]。利用以上建立的電磁暫態模型分別計算高抗隔離開關分合操作時高抗側的過電壓幅值，如表5、表6所示。

表5 切除高抗時高抗側過電壓幅值（峰值）

表6 合閘高抗時高抗側過電壓幅值（峰值）

由表5、表6可以得出，線路在冷備用狀態下，隔離開關開合高抗時過電壓值遠低于其允許的操作沖擊耐壓水平，不會對高抗絕緣水平造成破壞。

5.結論

本文對500kV山河甲乙線并行單回架設線路一回線路停運時，流經停運線路高抗隔離開關的感應電流及其斷口恢復電壓、高抗側過電壓進行了研究，得到如下結論：

1）線路沿線的土壤電阻率對線路間電磁感應幾乎沒有影響，線路導地線對地高度、運行線路輸送功率、運行線路電壓變化對流過高抗的感應電流有一定影響，兩條單回線路線行間距對感應電流影響較大，且成反比關系，隨線行間距增加，感應電流迅速下降至零附近。當運行線路線電壓為最高，空載，最下層導地線對地平均高度越高，兩單回路線行平均距離取值越小時，流過停運線路高抗隔離開關感應電流最大。

2）對于本文所研究的500kV山河甲乙線，流過停運線路高抗隔離開關感應電流達5.6A，超過現有隔離開關技術條件，需考慮對現有高抗隔離開關進行技術改造并進行試驗驗證。

3）計算了500kV山河甲乙線高抗隔離開關拉合高抗時的斷口恢復電壓，給出了隔離開關斷口暫態恢復電壓和穩態恢復電壓值。

4）計算了500kV山河甲乙線高抗隔離開關拉合高抗時高抗側的過電壓幅值（峰值），得出拉合高抗隔離開關操作不會對高抗絕緣造成破壞。

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李海生（1980-），男，山東淄博人，高級工程師，碩士，從事變電運行管理工作。

李洪坤（1989-），男，河南濮陽人，助理工程師，碩士，從事變電運行工作。

張健全（1983-），男，廣西貴港人，工程師，本科，從事變電運行工作。

周韋（1985-），男，重慶潼南人，工程師，本科，從事變電運行工作。

馮賓（1983-），男，山東冠縣人，工程師，碩士，從事電力系統電磁暫態仿真及過電壓計算工作。