高補償過補償線路合閘電流直流偏置問題研究

張佳鑫，鄭雄偉

(國網河北省電力公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021)

在我國超高壓輸電系統中，為滿足無功平衡和限制過電壓的需要，一般在長距離輸電線路上裝設高壓并聯電抗器。隨著我國經濟的發展，電力需求不斷增加，新建變電站的數量也隨之不斷增加，采用對原有長線進行線路破口π入新建變電站的方式極為常見。帶有線路高抗的百公里長線越破越短，導致線路高補償、過補償現象越來越多。若線路高抗停運，基于電力系統分層分區系統無功補償的原則，存在區域性無功補償不足的問題，若線路繼續帶高抗運行，則線路在合閘操作中的直流偏置現象比較明顯，尤其是高補償線路[1-2]。補償線路在進行合閘后，出現線路空充電流較長時間不過零現象，此時若由于線路故障或開關偷跳等原因使線路立即三相跳閘，可能由于電流長時間不過零而無法息弧，持續數百毫秒的燃弧將燒損滅弧室內部器件、劣化絕緣氣體，甚至造成斷路器損壞[3]。

因此，對此類高補償、過補償線路的直流偏置問題進行深入研究，弄清此類線路直流偏置產生的原因及影響因素，提出相適應的控制策略[4-7]，使其適應新形勢下的電力系統安全運行顯得尤為重要。

1 線路產生直流偏置的機理

基于電路學原理，線路產生直流偏置的基本原因是電抗器電流不能突變。基于線路的π型等值電路，見圖1。設電壓合閘相角為φ，母線電壓為u(t)=Umcosωt，通過拉普拉斯變換，合空線電流可表示為

(1)

圖1 帶高抗線路的π型等值電路(若忽略線路中的高頻分量，線路可采用集中參數等效)

考慮并聯電抗器電阻R<

I(t)=UmcosφCδ(t)-Um[ωC-1/(ωL)]sin(ωt+φ)-Um/(ωLsinφe-t/τ)

(2)

由式(2)可知，合空線的時域電流由3部分組成：第1部分是沖擊函數表示合閘后的瞬時振蕩過程；第2部分是頻率為工頻的交流電流；第3部分是幅值與電抗值、合閘相角相關的衰減直流分量。影響空充電流直流偏置的因素有合閘相角、系統的阻性分量和線路的補償度。

2 線路空充電流直流偏置的仿真分析

2.1 仿真模型的建立

EMTP(Elctro Magnetic Transient Program) 是加拿大H.W.Dommel教授首創的電磁暫態計算程序，是電網暫穩態仿真分析及電力系統諧波分析的有力工具。利用EMTP模擬計算中，保留河北南網全部500 kV線路、變壓器、發電機組和全部220 kV線路、發變組，全部220 kV變電站視為用電負荷節點，采用R-L模型進行用電負荷等值。在有省際聯絡線的變電站500 kV母線上對外省500 kV電網進行多端口或單端口等值簡化。線路模型采用計及分布參數特性的序參數模型LINEZT_3。本文以在武邑側帶高抗的臺邑一線為對象，對影響直流偏置的因素進行仿真分析，相關的線路序參數見表1，相關電網結構見圖2。武邑側有線路高抗一組，高抗型號為BKD-50000/500，中性點小電抗的型號為XKD-810/154，有3個檔位668.84/759.01/853.08 Ω，計算表明：使線路帶高抗運行時的潛供電流和恢復電壓梯度最小時中性點小電抗應置于最低檔。因此，文中中性點小電抗均取668.84 Ω檔。計算中高抗的阻值選取為設計值，即高抗電阻取額定值的0.2%，中性點小電抗的電阻取其電抗值的3%。

圖2 臺邑一線連線示意圖

表1 臺邑一線參數

2.2 線路補償度對空充電流直流偏置的影響

目前，河北南網帶高抗線路的補償度范圍為131%～351%，因此，以臺邑一線帶高抗進行仿真計算時，通過修改線路長度參數，使線路補償度在60%～360%變化，得到空充電流無過零點時間與補償度關系見圖3。

圖3 線路空充電流隨線路的無功補償度的變化曲線

由計算結果可知，線路空充電流的直流偏置與其補償度并非呈正相關的線性關系，而是呈現類似駝峰現象，峰值出現在補償度120%左右。因此，應盡量避免線路補償度在80%～160%，如此則偏置時間可控制在1 s以下。

2.3 合閘相位對空充電流直流偏置的影響

由于工頻電壓電流的對稱性，選取臺邑一線A相電壓合閘角0°～90°變化時，對其空充電流的無過零時長進行計算，計算結果見圖4。

圖4 線路空充電流隨線路合閘時刻電壓相位的變化曲線

由計算結果可知，合閘相角對線路空充電流的影響明顯，在電壓為90°時合閘，直流偏置時間最長，在電壓為0°～20°時合閘沒有偏置現象。若將合閘時刻電壓相角控制在0°～50°，可將空充電流偏置時間控制在0.6 s以下。

2.4 合閘電阻對空充電流直流偏置的影響

為了限制合空線過電壓，在長距離的超高壓輸電線路中，將斷路器裝設；并聯電阻作為限制合空線過電壓的主要措施。這種為限制合空線過電壓而并聯的電阻(即合閘電阻)阻值約幾百Ω。以ABB生產的500 kV斷路器為例，斷路器由具有滅弧能力的主開關Kz和不具備滅弧能力的與合閘電阻串聯輔助開關Kf，見圖5。在斷路器合閘過程中，Kf先合上，把Rf接入系統中，經過約10 ms，Kz再合上，再過幾十毫秒，Kf斷開，把Rf退出系統。這樣就完成了1次合閘的全部操作。計算空充電流隨合閘電阻的變化曲線見圖6。

圖5 合閘電阻示意圖

圖6 空充電流隨合閘電阻的變化曲線

由計算結果可知，空充電流的直流偏置時間隨斷路器合閘電阻的增加而線性降低。線路斷路器合閘電阻大于200 Ω時，即可將直流偏置時間約由1 s降至0.5 s。

2.5 合閘方式對空充電流直流偏置的影響

通過分析，線路單相、兩相、三相時線路的空充電流因網絡拓撲結構的變化，其穩態工頻分量必然發生變化。通過仿真計算，線路單相、兩相、三相時的空充電流的穩態值計算結果見表2。為驗證不同方式下空充電流直流偏置的大小，開展三相不同合閘階段空充電流直流偏置的仿真計算，計算結果見表3。

表2 臺邑一線在不同合閘方式下空充電流 A

表3 ABC單相順序合閘不同階段偏置電流無過零點時間 ms

由計算結果可知，順序合閘不同階段對空充電流的直流偏置結果有較大影響。僅單相合入時偏置電流無過零時間最短，合入兩相后最后一相合入時，偏置電流無過零時間最長。

3 討論

經過不同因素對空充電流直流偏置時間的影響分析，通過控制線路的補償度、斷路器的合閘電阻、合閘相角及合閘方式4種途徑，均可抑制空充電流的直流偏置時間。

a.優缺點對比

線路的補償度對舊線路而言，一般很難改變，只能對新建線路補償度進行控制，達到抑制其合閘操作時直流偏置的目的。對新建線路，建議線路補償度小于70%，對于舊線路，若補償度超過200%，考慮系統無功補償的需要，也可以在采取一定措施時，保留線路高抗，以滿足系統感性無功的缺額。

斷路器的合閘電阻對線路空充電流直流偏置時間的影響明顯，可以說合閘電阻對抑制直流偏置效果較好，但運行經驗表明，增加合閘電阻會增加斷路器的故障概率，給設備的安全穩定運行帶來不利影響，一般不建議通過加裝合閘電阻抑制直流偏置。

b.建議

日益成熟的選相合閘技術為通過相控技術達到抑制直流偏置的目的提供了可能，但對于500 kV斷路器，合閘操作時，斷路器機械性能分散性較大。順序合閘方式的計算結果表明，單相、兩相合閘時直流偏置時間較三相合閘明顯縮短，考慮到系統非全相保護的時間為2.5 s，可將選相合閘和順序合閘結合起來，通過合理確定不同階段的合閘時間間隔，將空充電流的直流偏置時間降至最低。

4 結論

a.線路空充電流的直流偏置與其補償度并非呈正相關的線性關系，而是呈現類似駝峰現象，峰值出現在補償度120%左右。盡量避免線路補償度在80%～160%，在此補償度區間外偏置電流無過零點時間可控制在1 s以下。

b.合閘相角對線路空充電流的影響明顯，在電壓為90°時合閘，直流偏置時間最長，在電壓為0°～20°時合閘沒有偏置現象。若將合閘時刻電壓相角控制在0°～50°，可將空充電流無過零點時間控制在0.6 s以下。

c.空充電流的直流偏置時間隨斷路器合閘電阻的增加而線性降低。線路斷路器合閘電阻大于200 Ω時，即可將空充電流無過零點時間約由1 s降至0.5 s。

d.線路單相、兩相、三相合閘方式對空充電流的直流偏置結果有較大影響，單相合閘時直流偏置最輕，三相合閘時直流偏置最嚴重。

e.建議考慮到系統非全相保護的時間2.5 s，可將選相合閘和順序合閘結合起來，通過合理確定不同階段的合閘時間間隔，將空充電流的直流偏置無過零點時間降到最低。