超高壓電網(wǎng)中高壓并聯(lián)電抗器探析范文

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《電網(wǎng)與清潔能源雜志》2016年第7期

摘要：

隨著超高壓電網(wǎng)網(wǎng)架的不斷加強(qiáng)和結(jié)構(gòu)調(diào)整，部分配置在系統(tǒng)中限制工頻過(guò)電壓水平及潛供電流的高壓并聯(lián)電抗器在電網(wǎng)中的配置型式亟需優(yōu)化。從超高壓電網(wǎng)工頻過(guò)電壓及潛供電流產(chǎn)生和抑制的基本機(jī)理出發(fā)，結(jié)合電網(wǎng)工程實(shí)際案例，建立了基于PSASP7.0程序的仿真模型，在系統(tǒng)工頻過(guò)電壓水平及潛供電流仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了工程所涉及高壓電抗器的優(yōu)化配置方案，并對(duì)高壓電抗器優(yōu)化配置后的系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電壓和穩(wěn)定校核，計(jì)算結(jié)果證明了研究所提出方法的有效行和可行性。

關(guān)鍵詞：

超高壓電網(wǎng)；工頻過(guò)電壓；潛供電流；高壓電抗器；仿真；優(yōu)化配置

我國(guó)330kV及以上超高壓電網(wǎng)從1972年始建到現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模得到長(zhǎng)足發(fā)展，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)格局基本形成[1]，各區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)330kV及以上超高壓電網(wǎng)逐步呈現(xiàn)出變電站落點(diǎn)多、接入系統(tǒng)線路逐步縮短等新趨勢(shì)。隨著超高壓線路的不斷增加以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，部分作為抑制長(zhǎng)線路工頻過(guò)電壓水平和潛供電流的高壓并聯(lián)電抗器的接入系統(tǒng)方式，亟需結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化、系統(tǒng)工頻過(guò)電壓計(jì)算以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)榷喾矫婢C合分析，進(jìn)行優(yōu)化配置[2-3]。本文從超高壓電網(wǎng)工頻過(guò)電壓及潛供電流的產(chǎn)生和抑制的基本機(jī)理出發(fā)，根據(jù)330kV電網(wǎng)工程實(shí)例，建立了基于PSASP7.0程序的仿真模型，在系統(tǒng)工頻過(guò)電壓及潛供電流仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了工程所涉及的高壓并聯(lián)電抗器優(yōu)化配置方案，以期能對(duì)類似工程高壓并聯(lián)電抗器配置方式提供參考借鑒。

1工頻過(guò)電壓及潛供電流產(chǎn)生和抑制的基本機(jī)理及措施

1.1工頻過(guò)電壓

產(chǎn)生工頻過(guò)電壓的主要原因有空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)、不對(duì)稱接地以及發(fā)電機(jī)的突然甩負(fù)荷[4]。

1.1.1空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)

由于空載長(zhǎng)線是由無(wú)窮多個(gè)電感-電容串聯(lián)的鏈形回路，線路容抗大于感抗，因此在電源電勢(shì)作用下，容性電流在感抗上的壓降把容抗壓降抬高，使得線路上各點(diǎn)電壓高于電源電壓，而且愈靠近空載線路末端，電壓升高愈嚴(yán)重[5]。

1.1.2不對(duì)稱接地

當(dāng)長(zhǎng)線路中發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)，短路電流引起的零序電流分量會(huì)使健全相出現(xiàn)工頻電壓升高現(xiàn)象。其大小取決于接地系數(shù)α：α=姨31+K+K2姨K+2，K=Xr0Xr1（1）式中：Xr0，Xr1分別為系統(tǒng)的正序和零序電抗。實(shí)際的工頻電壓升高與電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地方式有關(guān)，在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，線路的對(duì)地容抗很大，健全相電壓升高至運(yùn)行線電壓的1.1倍左右。中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低阻抗接地系統(tǒng)的零序電抗是感抗，系統(tǒng)正序電抗是感性的，非故障相的電壓隨K值增大而上升，最大為系統(tǒng)的線電壓值。

1.1.3發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷

當(dāng)線路重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，若線路末端斷路器由于某種原因突然跳閘甩去負(fù)荷，將會(huì)造成線路上的工頻電壓升高。

1）甩負(fù)荷前，由于線路上輸送著相當(dāng)大的有功及感性無(wú)功功率。因此電源電動(dòng)勢(shì)必高于母線電壓。甩負(fù)荷后，根據(jù)磁鏈不變?cè)恚娫磿簯B(tài)電動(dòng)勢(shì)E′d維持原來(lái)數(shù)值。E′d的大小同線路傳輸功率及功率因數(shù)有關(guān)。跳閘前輸送的功率越大，E′d越大，工頻電壓升高越多。

2）線路末端跳閘后，原負(fù)荷的電感電流對(duì)發(fā)電機(jī)主磁通的去磁效應(yīng)突然消失，而空載線路的電容電流對(duì)發(fā)電機(jī)主磁通起助磁作用，加劇了工頻電壓的升高。

3）當(dāng)發(fā)電機(jī)突然甩掉負(fù)荷后，由于原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)有一定的慣性，不能立即達(dá)到調(diào)速效果，以致電動(dòng)勢(shì)和頻率上升，加劇了線路的電容效應(yīng)。

1.2潛供電流

當(dāng)超高壓線路發(fā)生單相瞬時(shí)接地故障時(shí)，單相重合閘裝置使故障相兩端斷路器跳閘。由于故障相和兩個(gè)非故障相之間存在電容和電感耦合，即使故障相已于系統(tǒng)隔離，故障處的電弧仍不能迅速熄滅，以致快速單相重合閘不能成功。高壓線路的潛供電流由容性和感性兩個(gè)分量組成。容性分量是由于2個(gè)非故障相的工作電壓通過(guò)相間電容向故障相進(jìn)行電容性供電而產(chǎn)生的，感性分量是由于非故障相的工作電流通過(guò)相間互感向故障相進(jìn)行感應(yīng)供電而產(chǎn)生。容性分量和線路運(yùn)行電壓有關(guān)，而和線路上故障點(diǎn)位置無(wú)關(guān)，感性分量不但和非故障相通過(guò)的電流有關(guān)，而且和線路上故障點(diǎn)的位置有密切關(guān)系[6]。潛供電流的允許值取決于潛供電弧的自滅時(shí)間要求，潛供電流的自滅時(shí)間等于單相自動(dòng)重合閘無(wú)電流間隙時(shí)間減去弧道去游離時(shí)間，單相自動(dòng)重合閘無(wú)電流間隙時(shí)間由系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算決定，弧道區(qū)游離時(shí)間可取0.1~0.15s，并考慮一定裕度。根據(jù)1974年國(guó)家大電網(wǎng)會(huì)議資料，無(wú)電流間隙時(shí)間（單位s）和潛供電流（單位A）的關(guān)系可表示為t≈0.25×（0.1I+1）（2）

1.3工頻過(guò)電壓及潛供電流抑制機(jī)理及措施

根據(jù)超高壓、長(zhǎng)距離輸電線路基于分布參數(shù)特性的輸電線路長(zhǎng)線方程：U1=U2chγl+I2Zcshγl（3）I1=I2chγl+（U2/Zc）shγl（4）式中：U1、I1、U2、I2為輸電線首、末端的電壓、電流矢量；Zc=姨（R+j覣L）/（G+j覣C）為線路的波阻抗；γ=姨（R+j覣L）（G+j覣C）為輸電線路的傳輸常數(shù)；l為線路長(zhǎng)度；L、C、R、G分別為單位長(zhǎng)度線路的電感、電容、電阻、對(duì)地漏電導(dǎo)[7]。在一般線路長(zhǎng)度情況下，雙端電源供電的空載線路沿線電壓升高并不嚴(yán)重，而單端電源供電時(shí)電壓升高卻不能忽視，在單端電源空載長(zhǎng)線路電容效應(yīng)下，可得沿線電壓表達(dá)式：Ux=chγxchγl+（Zs/Zc）shγlE=kE（5）式中：x為線路上任一點(diǎn)距線路末端的距離；k為電壓升高系數(shù)，對(duì)于超高壓線路，k一般大于1，并在線路末端電壓達(dá)到最大值。圖1為無(wú)損線路末端接有并聯(lián)電抗器示意圖，根據(jù)式（5）可定性得出，在線路末端接入高壓電抗器，相當(dāng)于減小了線路長(zhǎng)度，因而降低了電壓傳遞系數(shù)，削弱了長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)，能有效抑制工頻電壓升高的問(wèn)題[8]。當(dāng)然，高壓電抗器的補(bǔ)償度及安裝位置的選擇，必須綜合考慮實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、可能出現(xiàn)的運(yùn)行方式及故障形式等因素，然后確定合理的方案。在工程實(shí)際應(yīng)用中，為抑制超高壓電網(wǎng)工頻過(guò)電壓及潛供電流，消弱空載或輕載線路電容效應(yīng)，改善線路沿線電壓分布，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和送電能力，減低系統(tǒng)工頻穩(wěn)態(tài)電壓[9-10]，常常在330kV及以上超高壓配電裝置的某些線路側(cè)裝設(shè)同一電壓等級(jí)的高壓并聯(lián)電抗器，補(bǔ)償超高壓線路的容性充電功率，作為限制工頻過(guò)電壓的措施。高壓并聯(lián)電抗器的容量可通過(guò)其補(bǔ)償度Kl來(lái)確定：Kl=QLQC（6）式中：QL為并聯(lián)電抗器容量，MV•A；QC為線路的充電功率，Mvar。一般取補(bǔ)償度Kl=40%~80%。80%~100%補(bǔ)償度是一相開斷或兩相開斷的諧振區(qū)，應(yīng)盡量避免采用[11]。同時(shí)，在高壓電抗器中性點(diǎn)上接小電抗來(lái)補(bǔ)償線路相見及相對(duì)地電容，加速潛供電弧自滅，則有利于單相快速重合閘的實(shí)現(xiàn)，電抗器中性點(diǎn)接小電抗等值回路圖如圖2所示（Xn為中性點(diǎn)小電抗的電抗，Xp為每相高壓電抗器的電抗）。

2工程實(shí)例研究

2.1研究原則

2.1.1工頻過(guò)電壓抑制水平

工頻過(guò)電壓是確定超高壓遠(yuǎn)距離輸變電設(shè)備絕緣水平的重要依據(jù)，其幅值影響保護(hù)電器的工作條件和保護(hù)效果，其持續(xù)時(shí)間對(duì)設(shè)備絕緣及運(yùn)行性能有很大影響，并且長(zhǎng)線中的操作過(guò)電壓是在工頻過(guò)電壓的基礎(chǔ)上振蕩產(chǎn)生的。根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T620－1997）中規(guī)定了系統(tǒng)工頻過(guò)電壓水平，超高壓網(wǎng)絡(luò)的工頻過(guò)電壓水平，線路斷路器的變電所側(cè)及線路側(cè)應(yīng)分別不超過(guò)網(wǎng)絡(luò)最高相電壓（有效值，kV）的1.3及1.4倍。

2.1.2潛供電流抑制水平

加速潛供電弧自滅，一般采用電抗器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的辦法來(lái)補(bǔ)償線路相間及相對(duì)地電容，有利于單相快速重合閘的實(shí)現(xiàn)。潛供電流的允許水平，工程實(shí)際一般采用武漢高壓研究所1975年《關(guān)于超高壓線路上潛供電弧持續(xù)現(xiàn)象的研究》中提出的超高壓線路為滿足0.4~0.5s實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)重合，需要將潛供電流降至12A以下的標(biāo)準(zhǔn)值[12]。

2.2工程概況

根據(jù)某區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃成果，為提高區(qū)域電網(wǎng)水火電交換能力，加強(qiáng)超高壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，規(guī)劃新建750kV寶站及其配套330kV送出工程、新建330kV硤站；將雍站—秦站、天站、眉站線路接入寶站，將硤站接入馬站—漢站、新建寶站—硤站雙回線路、新建硤站—漢站線路，新建雍站—馬站第II回線路，相關(guān)區(qū)域電網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃接線如圖3、圖4所示（含高壓電抗器配置）[13]。由圖4可以看出，750kV寶站、330kV硤站按規(guī)劃方案投運(yùn)后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和線路長(zhǎng)度均發(fā)生了相應(yīng)變化，亟需結(jié)合系統(tǒng)不同方式下的潮流計(jì)算結(jié)果對(duì)涉及高壓電抗器的相關(guān)線路進(jìn)行工頻過(guò)電壓及潛供電流仿真計(jì)算，為區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)秦站、雍站、漢站線路側(cè)高壓電抗器配置方式優(yōu)化布置提供依據(jù)。表1給出了以上三站所配高壓電抗器容量及其中性點(diǎn)小電抗參數(shù)。

2.3仿真計(jì)算

本次研究應(yīng)用中國(guó)電力科學(xué)研究院PSASP7.0軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算和潮流計(jì)算。

2.3.1工頻過(guò)電壓及潛供電流計(jì)算

仿真校核計(jì)算線路選擇長(zhǎng)度較長(zhǎng)的寶站—天站線路（214km），硤站—漢站線路（181km），寶站—秦站線路（185km）。工頻過(guò)電壓故障型式選取線路一側(cè)發(fā)生單相接地、三相斷開或僅發(fā)生無(wú)故障三相斷開2種情況，潛供電流故障型式選單相瞬時(shí)性接地。

1）寶站—天站線路計(jì)算結(jié)果分析

寶站—天站330kV線路工頻過(guò)電壓及潛供電流仿真計(jì)算結(jié)果見表2、表3，計(jì)算選擇冬小、夏小、冬大、夏大4種運(yùn)行方式。根據(jù)寶—天線路工頻過(guò)電壓仿真計(jì)算結(jié)果，變電站側(cè)最高相電壓倍數(shù)發(fā)生在夏小方式天站側(cè)、值為1.01824，線路側(cè)最高相電壓倍數(shù)發(fā)生在夏小方式寶站線路側(cè)、值為1.31924，計(jì)算結(jié)果均未超過(guò)變電所側(cè)及線路側(cè)網(wǎng)絡(luò)最高相電壓的1.3及1.4倍，寶—天線工頻過(guò)電壓水平符合規(guī)程規(guī)定要求，本期工程不需加裝線路側(cè)高壓電抗器。根據(jù)寶～天線路潛供電流計(jì)算結(jié)果，由于線路較長(zhǎng)且故障相和兩個(gè)非故障相之間存在電容和電感相互耦合，寶站、天站側(cè)潛供電流仿真計(jì)算值分別為15.66A、14.19A均超出規(guī)程允許的12A，建議根據(jù)潛供電流計(jì)算結(jié)果，利用計(jì)算式（2），對(duì)單相重合閘時(shí)間進(jìn)行整定，待故障處電弧熄滅，線路重合閘采取慢重方式。

2）硤站—漢站線路計(jì)算結(jié)果分析

硤站—漢站330kV線路工頻過(guò)電壓及潛供電流仿真計(jì)算結(jié)果見表4、表5，考慮區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷特性，計(jì)算選擇冬大、夏小2種運(yùn)行方式。根據(jù)硤—漢線路工頻過(guò)電壓仿真計(jì)算結(jié)果，變電站側(cè)最高相電壓倍數(shù)發(fā)生在夏小方式硤站側(cè)、值為0.99849，線路側(cè)最高相電壓倍數(shù)發(fā)生在夏小方式漢站線路側(cè)、值為1.23359，計(jì)算結(jié)果均未超過(guò)變電所側(cè)及線路側(cè)網(wǎng)絡(luò)最高相電壓的1.3及1.4倍，硤—漢線工頻過(guò)電壓水平符合規(guī)程規(guī)定要求；硤站、漢站側(cè)潛供電流仿真計(jì)算值分別為15.24A、14.47A均超出規(guī)程允許的12A。綜上，硤—漢線工頻過(guò)電壓水平滿足規(guī)程要求，原加裝在漢站線路側(cè)的高壓電抗器已不能有效發(fā)揮其抑制工頻過(guò)電壓水平的作用，綜合考慮硤站所在地區(qū)電網(wǎng)感性無(wú)功補(bǔ)償現(xiàn)況，方案研究建議漢站線路側(cè)的高壓電抗器改接至漢站330kV母線，僅作無(wú)功補(bǔ)償裝置使用[14]，其中性點(diǎn)小電抗退出系統(tǒng)，硤—漢線路重合閘方式同寶—天線，采取慢重方式。

3）寶站～秦站線路計(jì)算結(jié)果分析

寶站～秦站330kV線路工頻過(guò)電壓及潛供電流仿真計(jì)算結(jié)果見表6、表7，考慮區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷特性，計(jì)算選擇夏大、冬小2種運(yùn)行方式。根據(jù)寶—秦線路工頻過(guò)電壓仿真計(jì)算結(jié)果，秦站線路側(cè)夏大、冬小2種方式下分別為1.3658、1.3571，仿真結(jié)果接近規(guī)程規(guī)定的線路1.4倍的限值，方案研究建議保留秦站側(cè)高壓電抗器原配置方案。潛供電流校核計(jì)算顯示，秦站中性點(diǎn)小電抗值滿足熄弧要求，結(jié)果見表7。

2.3.2電壓及穩(wěn)定校核計(jì)算

1）電壓校核

根據(jù)規(guī)劃網(wǎng)架，雍—天線在寶站接入后，形成新的雍—寶線、線路長(zhǎng)度僅6km，理論上不存在工頻過(guò)電壓及潛供電流問(wèn)題，綜合考慮雍站所在區(qū)域電網(wǎng)感性無(wú)功補(bǔ)償度現(xiàn)況，建議原雍站出線側(cè)高壓并聯(lián)電抗器正常運(yùn)行時(shí)開關(guān)常開。在相關(guān)高壓電抗器優(yōu)化配置后，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)主要節(jié)點(diǎn)在冬大、冬小、夏大、夏小四種不同運(yùn)行方式下的電壓水平進(jìn)行了校核計(jì)算，結(jié)果如表8所示。由校核結(jié)果可知，按照方案研究提出的高壓電抗器配置方案，區(qū)域電網(wǎng)在4種不同運(yùn)行方式下的最高運(yùn)行電壓未超過(guò)系統(tǒng)額定電壓的＋10％且不低于網(wǎng)絡(luò)額定電壓的95%，符合規(guī)程規(guī)定。

2）穩(wěn)定校核

為確保電網(wǎng)網(wǎng)架安全穩(wěn)定，方案研究分別在冬大、夏大方式下進(jìn)行了相關(guān)網(wǎng)架單相永久故障，三相永久故障，寶硤、硤漢同塔雙回線路異名相跨線接地故障等模擬電網(wǎng)故障對(duì)相關(guān)高壓電抗器配置方式優(yōu)化后的網(wǎng)架進(jìn)行了穩(wěn)定校核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表9。穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果顯示，系統(tǒng)功角保持穩(wěn)定，故障切除后電壓快速回升，不同運(yùn)行方式下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，不因高壓電抗器優(yōu)化配置后產(chǎn)生新的電網(wǎng)失穩(wěn)問(wèn)題。

3結(jié)論

高壓電抗器作為超高壓電網(wǎng)發(fā)展初期用作抑制長(zhǎng)線路工頻過(guò)電壓及潛供電流的無(wú)功補(bǔ)償裝置，隨著線路的不斷增加和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷變化，部分高壓電抗器由于和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不相適應(yīng)，其接入電網(wǎng)的方式亟需優(yōu)化。本文結(jié)合330kV超高壓電網(wǎng)工程實(shí)例，根據(jù)新工程實(shí)施后的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建立了基于PSASP7.0程序的仿真模型，對(duì)工程涉及的變電站線路工頻過(guò)電壓水平和潛供電流值進(jìn)行了仿真計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果提出了所涉及變電站高壓電抗器接入電網(wǎng)的優(yōu)化配置方案，最后進(jìn)行了系統(tǒng)電壓及穩(wěn)定校核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，工程涉及的高壓電抗器按照優(yōu)化方案配置后，系統(tǒng)電壓運(yùn)行正常、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)保持了穩(wěn)定，方案的有效性得到了驗(yàn)證。

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作者:姚金雄 付彬 李文輝 鄒彬 王芝麟 單位:國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 國(guó)網(wǎng)渭南供電公司 國(guó)網(wǎng)西安供電公司