并聯補償線路合閘操作直流偏置研究

黃然,趙現平,馬儀,彭兆裕,張恭源,項恩新

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

并聯補償線路合閘操作直流偏置研究

黃然,趙現平,馬儀,彭兆裕,張恭源,項恩新

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

通過理論推導闡述了帶有并聯電抗器的線路合閘時,斷路器電流直流分量的產生機理和影響因素,建立起基于實際線路參數的500 kV德宏博尚I回輸電工程PSCAD模型,仿真計算并分析合閘電阻、串聯補償裝置、合閘相位、并聯電抗器投入情況對空載合閘操作時線路電流直流分量的抑制效果,提出可實施的抑制并聯補償線路斷路器直流偏置的措施。

1 前言

超高系統中廣泛采用并聯電抗器來補償線路的電容電流,改善長距離輸電線路上的電壓分布,降低工頻暫態過電壓,提高線路的輸送能力。電抗器的容量越接近線路的容性無功,對改善無功平衡的過電壓越有利。由于流過電抗器的電流不能突變,在充電過程中會產生較大的直流電流,當電流工頻分量小于直流分量時,合空線操作后相當長一段時間內流過斷路器的電流將沒有穩定的過零點。若在短時內斷路器因各種原因接到分閘命令,因直流偏置造成的電流持續不過零會導致斷路器主觸頭達到分位后不能及時滅弧,持續數百毫秒的燃弧將燒損滅弧室內部件,劣化SF6氣體,并可能最終發展成對地閃絡等更嚴重的故障。

以上情形在帶高抗線路快速重合閘、合-分-合、分-合-分試驗中都可能出現,在線路進行空載合閘充電操作時,還可能因三相電流較長時間不過零,導致保護誤動,無故障跳開斷路器。因此研究帶高抗線路直流偏置現象的產生機理及影響因素,對開關設備可靠性及系統安全穩定運行有著重要意義[1-4]。

2 帶高抗線路合閘時的直流分量

帶有并聯電抗器的線路,合空線時電流產生直流偏置的根本原因在于電抗器的電流不能突變。以A相為分析對象,假設在t=0時刻斷路器合閘,高抗電感為L,電阻為R,如圖1所示。

圖1 A相合閘等效示意圖

在合閘前,系統中A相的電壓ua和電流ia分別為：

其中,Um、Im分別為A相電壓、電流峰值; α為合閘前電源電壓的初相角;φ為合閘前電壓與電流的夾角。110 kV及以上電壓等級輸電系統中性點直接接地,合閘后根據圖1及基爾霍夫電壓定律可列微分方程：

解微分方程得：

帶入初始條件可求解出合閘后線路電流數學表達式如下：

從式 (5)可以看出,合閘后電流由兩部分構成,一部分為周期性的交流分量,另一部分為隨時間衰減的非周期分量,也就是直流分量,直流分量起始值越大衰減越慢,則合閘后線路電流不過零的時間越長,越不利于斷路器熄弧[5-6]。

3 帶高抗線路投切直流偏置計算

3.1 建模及仿真

以500 kV德宏博尚I回輸電線路為研究對象,線路采用分布參數模型,兩側高抗配置為5.394 H/相,中性點小抗檔位為2.546 H,線路末端帶串聯補償。

不考慮母線上出線數,串補電容,合閘電阻對電流的抑制作用,仿真計算較惡劣初始工況下線路空載合閘操作的三相電流,德宏博尚I回線德宏側1.2 s時刻下空載合閘三相電流波形如圖2。

圖2 帶高抗線路合閘時電流直流偏置kA

空載分閘為三相同期操作,由圖3可見A、C兩相電流有明顯的直流風量,其中C相電流約在2.2 s時刻第一次過零,存在長約700 ms的零偏拖尾;A相電流約在2.8 s時刻第一次過零,零偏時長超過1 s。

3.2 直流偏置影響因素仿真分析

根據第一部分的分析,帶高抗線路合閘電流的非周期分量幅值為Imsin(α-φ)-Impsin(αφk),衰減時間常數為Ta=L/R。電流工頻分量幅值,直流分量衰減起始值及衰減速度是影響直流偏置最直接的因素。一般情況下,電抗器的電感與電阻值之比變化不大,因此直流分量衰減速度大致固定。影響直流偏置的因素主要為電流工頻與直流分量的幅值,當直流分量的幅值大于工頻分量時合閘后線路電流的不過零時間較長;線路空充電流的工頻分量越大,合閘過程中產生的直流偏置越小越有利于合閘后電流快速出現過零點。

在輸電工程實際中,可通過裝設合閘電阻,控制合閘初相位,調整補償度等手段,削弱線路合閘電流的直流偏置。

3.2.1 合閘電阻

500 kV德博I回線德宏側斷路器帶400 Ω合閘電阻,輔助觸頭接入時間為10 ms,帶高抗空載合閘,線路三相電流波形如圖3所示。

斷路器加裝合閘電阻后,增大了滅弧室弧道回路阻尼,合閘電阻接入的時間內有效降低了斷路器電流直流偏置分量的衰減起始值,并且縮短了合閘后電流首次過零的時間。由圖4可見,A、C相電流雖然都出現直流偏置,但充電電流始終都存在過零點,可保證斷路器在短時內接到分閘命令后能及時開斷。

3.2.2 串聯補償裝置

500 kV德博I回線路串聯補償按50%的補償度,三相額定容量620 Mvar,額定電容112.34 μF進行補償,線路帶高抗空載合閘,三相電流波形如圖4所示。對帶串補的線路,在合閘前投入工作狀態的串補裝置,直流偏置可以得到很好的削弱。

圖3 帶合閘電阻三相同期空載合閘

圖4 帶串補三相同期空載合閘

3.2.3 合閘初相位

以A相為合閘初相角參考相,分別以德宏側電源相角0°、45°、90°、180°作為合閘初相位,進行500 kV德博I回線空載合分操作的仿真計算,得到三相電流波形如圖5。

圖5 不同初相角下空載合-分操作電流波形

由圖5可見,三相電流隨合閘初始相位的不同存在不同程度的零偏。在相位為0°或180°(電流瞬時值過零)時刻合閘,產生的直流分量幅值最大,在相位為90°(電流瞬時值為峰值)時刻合閘,產生的直流分量幅值最小。因此通過合閘相位控制可有效控制直流分量衰減的起始值,使合閘時直流風量幅值小于交流分量,達到削弱直流偏置的目的[7-9]。

3.2.4 并聯補償度

直流分量的大小與合閘相位有關,而直流分量是否造成電流沒有過零點并引發斷路器不能熄弧的風險,與交流分量的大小有關,當直流分量的幅值超過交流分量時,則上訴風險可能發生。交流分量的大小等于經電抗器補償后線路剩余的空充電流,因此降低并聯電抗器的補償度,增加空充電流的交流分量,對降低直流偏置的風險有積極作用。按照500 kV德博I回線路空載合閘前,兩側高抗都退出和僅退出德宏側高抗設置初始工況,兩初始工況合分閘初始相位相同,進行德宏側空載合分操作仿真計算,線路電流波形如圖6。

圖6 高抗退出時線路空載合分操作電流波形 (單位：kA)

由圖6可見,兩側都帶高抗線路,在空載合閘操作前僅退出一側高抗,對三相電流的零偏就能起到很好的削弱作用,三相電流始終有過零點。如果空載操作前兩側高抗都退出,在發生故障開關跳開時,線路與高抗之間不構成回路,線路電荷無法通過對地電容與高抗之間的自激振蕩衰減釋放,將產生持續的過電壓 (圖7)。因此,僅退出一側高抗是更安全合理的方式。

圖7 高抗退出時線路空載合分操作電壓波形

4 結束語

帶高抗線路投切時相電流的直流偏置大小與合閘相角、線路參數、補償度等諸多因素有關,但并非理論分析中的影響因素都能在實際設備上實施并取得成效,在實際中可考慮采取的帶高抗長線路投切時直流偏置抑制措施主要包括幾點：

1)裝設帶有合閘電阻的斷路器,合閘電阻增大了滅弧室弧道回路阻尼,有效降低直流分量衰減起始值,同時縮短了合閘后電流首次出現過零點的時間。

2)對帶串聯補償裝置的線路,在線路合閘或重合閘操作之前投入串補。

3)增大合閘時交流分量的幅值,通過降低并聯補償度,線路合閘操作前部分退出兩側的高壓并聯電抗器。

4)削弱合閘時直流分量的幅值,通過合閘相位控制策略實現在峰值時刻合閘。

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Research on DC Offset in Closing Operation of Transmission Lines with Shunt Reactors

HUANG Ran,ZHAO Xianping,MA Yi,PENG Zhaoyu,ZHANG Gongyuan,XIANG Enxin
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

DC component in current of circuit breaker and its influencing factors during transmission line closing operation are analyzed in this paper.Based on the parameters of 500 kV Dehong-Boshang I transmission line,PSCAD over-voltage simulation model is built.The extinction effect from closing resistor,Series compensation,closing phase and parallel compensation degree to DC component in current of circuit breaker are simulation calculated.Based on this,reasonable measures for preventing the failure risks of circuit break brought by DC offset are put forward.

DC offset;shunt reactors;circuit breaker;no-load closing;closing resistor

TM75

B

1006-7345(2014)01-0082-04

2013-08-19

黃然 (1986),女,碩士,工程師,云南電網公司電力研究院,主要研究方向為電力設備外絕緣及電力系統過電壓 (email)ynsy_hr@126.com。

摘要詞：直流偏置;并聯電抗器;斷路器;空載合閘;合閘電阻