500 kV輸電線路高抗和串補對過電壓影響分析

侯有韜，楊蕾，向川，肖燦

0前言

異步聯網后，云南電網的高電壓長距離輸電線路增加了很多，而且大部分都配置了線路高抗和串補，高抗和串補的配置極大提高了輸電線路的輸電能力和電力系統的穩定性，但同時也對電力系統的輸電線路的電壓特性造成了一定的影響[1-3]。這些線路大多分布在滇西北、滇北以及滇西南等地區，是西電東送的重要送端通道。線路高抗和串補的投退將會使過電壓水平發生變化，因此，線路在無高抗的情況下，其過電壓水平是否滿足要求，線路能否運行，能否恢復通道送電能力就顯得尤為重要。云南電網曾發生過多起由于高抗漏油、裂紋、異響等缺陷，從而導致線路被迫長期停運的情況。

文獻[4]采用電磁暫態計算程序ATPEM TP，分別對含有串補裝置的合閘操作過電壓進行分析，得出增加串補裝置，能有效的降低過電壓。文獻[5]搭建更精確的真空斷路器電弧模型，提出在站用變和電抗器的電纜末端安裝伏安特性曲線較低的避雷針，能有效抑制過電壓的現象。文獻[6]針對遠距離高壓交流輸電系統的穩定問題，提出串補方案，闡述了串補是提高系統穩定性的一種有效方法，其關注點主要在于串補對穩定性的提升機理，未進行詳細的過壓、過流校核。文獻[7-8]通過對750 kV線路高壓電抗器進行分析，得出需要對線路上的閉鎖回路進行修改，以便提高電氣回路的可靠性。文獻[9]分析并抗在輸電線路單、雙端供電情況下對過電壓的抑制作用，提出750 kV 線路保護與并抗之間動作配合的關系，達到了并抗抑制過電壓的作用。但文獻[7-9]主要從線路或相關裝置動作邏輯配合的角度來進行過電壓抑制分析。

綜上，目前缺少線路高抗和串補綜合作用對線路過電壓影響的研究。本文以500 kV 博尚-墨江線路為例，在串補、高抗綜合不同運行方式下，采用電磁暫態仿真計算軟件EMTDC/PSCAD對線路工頻過電壓、操作過電壓、潛供電流進行了仿真分析，針對空載線路充電、不同類型故障、單回線運行還是雙回線運行等情況給出了計算結果。本文對實際運行時出現高抗或串補的臨時投退的過電壓分析具有一定的指導意義。

1仿真模型

1.1系統等值

基于PSD-BPA 軟件，建立了2018年豐大方式的靜態等值網絡模型。模型保留了A-B雙線的500 kV 線路，分別在A 母線和B母線上進行系統等值，等值示意圖如圖1所示。

圖1系統靜態等值示意圖

PSD-BPA 中采用的是Ward 等值，Ward 等值是一種基于Norton 定理的有源線性網絡化簡的等值方法，它首先列出電網的線性化節點電壓方程，然后按照等值要求，消去外部系統的節點集合。這樣，保留系統的導納矩陣以及保持節點注入的電流不變，所消去的外部系統的注入電流化簡后集中到邊界節點上，形成新的注入電流，消去部分的網絡也經過化簡后集中到邊界節點，形成代替消去網絡的等值網絡矩陣。多端等值是一種改進的Ward 等值法[10]。先前的仿真分析表明，建立的簡化網絡的三相以及單相短路容量與原始網絡基本一致，可以用于在RTDS和PSCAD等軟件中對A-B雙線的相關過電壓進行仿真分析。

1.2參數確定

1）電源

在仿真計算中，基準電壓為525 kV，基準容量為100MVA。電源等值參數如表1所示。

表1電源等值參數

2）線路參數（正序和零序）

線路的總長度為155.3687 km，采用Bergeron 模型，其中A-B線路的正序阻抗的標幺值為0.0001+j0.0122，其中零序阻抗的標幺值為0.001+j0.0748，對地導納的標幺值為B=2.446，零序對地導納的標幺值為為B0=1.082。

3）高壓并聯電抗器和串補電容器

線路兩側均有高抗，三相的高抗容量為180 M var，根據南網企業標準[11]中的規定，單相的額定容量為60 M var，額定電壓為550/ √3，額定電抗為1681Ω，額定損耗為120 kW，通過計算可得單相電感值為5.35 H。

A 側中性點小電抗的電抗值為1213.6歐，電感值為3.86 H，中性點電阻為8歐姆。

A 側串補的容抗值為-j0.0061，計算得到電容值為189.45 uF。

4）避雷器參數

線路避雷器額定電壓設置為444 kV，避雷器的特性如圖2所示。

1.3模型搭建

在EMTDC/PSCAD電磁暫態仿真平臺搭建500 kV A-B線路輸電系統仿真模型，線路采用分布參數模型，結果如圖3所示。

圖2無間隙金屬氧化物避雷器V-A特性曲線

圖3 500 kV A-B線路過電壓仿真模型

2仿真結果及分析

2.1工頻過電壓

電力系統在正常或故障運行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，這種現象稱為工頻過電壓[12-13]。超高壓線路中，工頻過電壓的大小直接影響操作過電壓的幅值，決定了避雷針的額定電壓，進而影響系統過電壓保護水平，還可能威脅設備以及系統的安全運行。工頻過電壓一般由空載長線路的電容效應、不對稱接地故障引起的正常相電壓升高和突然甩負荷等原因引起。過電壓的倍數與電網的結構、系統結構、系統容量及參數、中性點接地方式、電網運行接線等因素有關。

本文針對A-B線空載運行時線路末端發生單相接地故障的工頻電壓進行仿真計算，基準值取550/√3 kV[14]。計算結果如表2所示。

表2單相接地下工頻過電壓計算結果

由仿真結果可以看出，不論高抗是否投入，當串補接入線路時，不對稱故障的工頻過電壓都較大，其中雙回線運行時更容易產生較高的工頻過電壓；串補在線路末端產生的工頻過電壓高于串補在線路首端時產生的；當串補退出時，工頻過電壓水平明顯減小。

串補投入情況下，高抗的投退對線路過電壓的影響較小；串補退出情況下，高抗的投退對線路工頻過電壓的影響較大。

高抗投入情況下，串補的投退對線路過電壓的影響較大；高抗退出情況下，串補的投退對線路工頻過電壓的影響較小。

同時，應注意，在實際運行中，若高抗退出，還需考慮線路復電的過程中，為了保證線路充電時末端電壓不超過最高電壓550 kV，應保證充電端電壓低于530 kV。

2.2潛供電流分析

線路采用單相重合閘時，單相瞬間接地隨之單相線路兩端開斷。單相斷后，另兩相基本上保持原有的相電壓和流過負載電流，通過相間電容和相間互感耦合，故障點弧光通道中仍有一定數值的電流通過，即稱為“潛供電流”，電弧電流（潛供電流）通過自然零點滅弧后，斷開相上（弧道間）就產生傳遞過電壓，就是“恢復電壓”。顯然，如果潛供電流和恢復電壓太大會使電弧發生重燃而延續滅弧，甚至不能最終滅弧，從而導致單相重合閘失敗。

為了采用快速自動重合閘，并確定重合閘的動作時間，需要計算線路的潛供電流和恢復電壓的大小。由于故障時串補首先被旁路，因此計算重合閘時間時僅考慮此情況，但此處仍然增加了串補投入時潛供電流和恢復電壓的分析用作對比，串補退出和投入時的仿真分析結果見表3和表4所示。

表3串補退出和投入時潛供電流仿真結果

表4串補退出和投入時恢復電壓仿真結果

從表3可以看出，最大的潛供電流出現在串補和高抗均退出的情況下，此時最大的潛供電流為55.03 A。

前蘇聯電力科學研究院根據在500 kV 線路上試驗的結果，總結出一個重合閘時間與潛供電流之間的經驗公式如式(1)所示。

根據上述公式，計算得重合閘時間約為1.63 s，大于1.0 s的重合閘整定時間，當線路發生單相故障時可能導致重合閘不成功。

對比表3和表4串補退出和投入的數據可得，串補投入和退出時對潛供電流和恢復電壓影響較小。高抗投入和退出時對潛供電流和恢復電壓影響較大，這主要是高抗帶有中性點小電抗的作用。

2.3操作過電壓分析

操作過電壓[11]主要是指在合空線路或正常方式下重合閘時，電路的狀態發生改變，由此電力系統產生操作過電壓，而重合閘過電壓是過電壓中最嚴重的一種，原因在于這時線路上有一定殘余電荷和初始電壓，重合閘時振蕩將更加劇烈。

本文對500 kV A-B線的空載線路合閘和單相重合閘過電壓進行統計分析。由于故障時串補首先被旁路，線路投入時待兩側斷路器合閘后串補才投入，這里分析操作過電壓均在串補退出的情況下分析，結果如表6所示，其中1 p.u.=√2×550/√3 kV[14]。

表5線路合閘及單重操作相地過電壓

線路合閘及單相重合閘相對地2%統計過電壓最大值分別為1.73 p.u.和1.99 p.u.，均小于限定值2.0 p.u.，滿足規程的要求[15]。

線路合閘及單相重合閘的最大相間2%統計的過電壓最大值分別為3.48 p.u.和3.26 p.u.，小于3.9 p.u.，滿足相間絕緣的要求[15]。

由表6可知，高抗退出時線路的操作過電壓略有增加，這主要是由于操作過電壓實際為暫態量與工頻過電壓量的疊加。

表6線路合閘及單重操作相間過電壓

3結束語

不論高抗是否投入，當串補接入線路時，不對稱故障的工頻過電壓都較大，其中雙回線運行時更容易產生較高的工頻過電壓，當串補退出時，工頻過電壓水平較低。但應注意，高抗退出后線路復電的過程中，需要調整充電端電壓，以保證線路充電時末端電壓不超過最高電壓550 kV。

當高抗退出運行時，不論是單回線運行還是雙回線運行，潛供電流最大值均為55.03 A，重合閘的時間至少為1.63 s，大于1.0 s的重合閘整定時間，當線路發生單相故障時可能會導致重合閘不成功。

根據計算后數據分析，可以得出，當高抗退出運行時，線路最高相地操作過電壓和最高相間操作過電壓均小于限定值，滿足規程的要求。

再結合A-B線等帶串補和高抗的線路進行分析，可以得出以下一般性結論：

1）串補投入的線路產生相比于串補退出的線路會產生更高的工頻過電壓，串補在線路末端產生的工頻過電壓高于串補在線路首端時產生的；

2）串補投退對潛供電流和恢復電壓的影響很小；

3）高抗的投入均會降低線路的工頻過電壓、潛供電流、恢復電壓、操作過電壓，高抗在線路末端降低工頻過電壓效果顯著。

實際運行中，高抗發生缺陷的概率并不低，特別是在地震多發區、重冰區、氣溫溫差極端地區。當高抗出現缺陷時，如果過電壓水平滿足要求，線路可不帶高抗繼續運行，這將會使網架保持完整，保證通道暢通，使輸送能力不受影響。文章為這一運行工況提供了分析思路，并對比了串補和高抗投退對各種過電壓的影響。對實際帶串補和高抗的線路運行具有指導意義。