500 kV 線路安裝串聯電抗器后斷路器TRV 分析

尹元明，謝天喜 ，周志成

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103)

隨著電力系統規模的不斷擴大，電網的短路電流水平日益提高，已經成為制約電網發展的重要因素之一[1]。根據“2015～2020年江蘇500 kV 電網發展規劃研究報告”的規劃網架和短路電流計算，“十二五”末至“十三五”期間，江蘇電網在采取目前已有的控制方式后，500 kV 石牌—常熟南線路的短路電流將超過斷路器的額定短路電流開斷水平，需要采取適當的措施限制短路電流。限制電網短路電流主要是優化網絡結構和提高電網設備容量兩個方面，包括提高電網電壓等級、優化電網接線方式、采用串聯電抗器、高阻抗變壓器等。上述方法各有特點，其中采用串聯電抗器是一種技術較為成熟、工程實施可行性高且經濟成本相對較低的措施[2]。目前國外已有巴西、美國、加拿大等多國應用了這項技術。在國內，華東電網也于2008年在500 kV 泗涇—黃渡線上安裝了串聯電抗器，限制了電網短路電流水平，是500 kV 串聯電抗器在國內的首次應用[3]。

為抑制石牌變電站的短路電流，江蘇電網擬在線路的石牌變電站側安裝串聯電抗器。然而，由于串聯電抗器的存在，斷路器開斷線路短路電流時，電抗器和設備雜散電容、線路分布電容間將出現振蕩，從而在斷路器斷口產生高頻、高幅的暫態恢復電壓（TRV），導致斷路器重燃而無法正常開斷，危及線路和設備的安全運行[4，5]。為防止該線路加入串抗后斷路器TRV 超過其絕緣水平，需要對不同故障下的TRV 進行研究，以便采取相應的措施抑制TRV。

1 網架結構及模型

江蘇電網500 kV 石牌—常熟南線路為雙回線，總長約30 km，導線采用四分裂LGJ-400/35 型鋼芯鋁絞線，分裂間距為45 cm，地線采用LLBJ-95/55 型，該線路相關網架結構如圖1 所示。串聯電抗器采用干式空心結構，阻抗為28 Ω，安裝于石牌變出線端。以實際網架結構、電站及線路參數為基礎，將與石牌站、常熟南站相連的變電站均等值為電源，石牌—常熟南雙回線路采用分布阻抗模型，其他站與站之間的線路等值為集中參數阻抗，運用電力系統電磁暫態仿真計算軟件ATP/EMTP 建立模型對斷路器TRV 進行仿真計算。

圖1 江蘇電網500 kV 網架結構示意圖

2 斷路器TRV 分析

斷路器TRV 是指斷路器電弧熄滅后，在斷路器觸頭上出現的具有顯著瞬變特性的恢復電壓。該電壓取決于回路和斷路器的特性，由工頻分量和暫態分量疊加而成。TRV的波形隨著實際回路的布置變化而不同。在某些情況下，特別是在電壓110 kV 及以上的系統中，且短路電流相對于所考慮地點的最大短路電流而言是比較大的，TRV 包括一個高上升率的起始階段，隨之而來的較低上升率的階段。這種波形一般可以用四參數法確定的3 條線段組成的包絡線充分地表示，如圖2 所示[6]。圖中曲線拐點處參數如表1 所示。

圖2 用四參數參考線對規定的TRV 波形的表示

表1 用四參數法表示的額定電壓550 kV預期TRV的標準值

在系統電壓高于110 kV 而短路電流相對于最大短路電流較小且經過變壓器供電的條件下，TRV 近似于一種阻尼的單頻振蕩。這種波形一般可以用兩參數法確定的2 條線段組成的包絡線充分地表示，如圖3所示。圖中曲線拐點處參數如表2 所示。

圖3 用兩參數參考線對規定的TRV 波形的表示

表2 用兩參數法表示的額定電壓550 kV預期TRV的標準值

計算結果表明，石牌側安裝串聯電抗器后，線路單相接地故障下，石牌側最大短路電流為9.26 kA；三相接地故障下，石牌側最大短路電流為13.35 kA。可見，石牌—常熟線路接地故障電流約為斷路器額定開斷短路電流63 kA的21%，相對較小，因而本文計算參照兩參數表示法標準，即斷路器TRV 波形在兩參數表示法包絡線之內時滿足要求。

2.1 單相接地故障下TRV 分析

統計數據表明，超高壓輸電線路發生故障的時候，60%～70%為單相接地故障，因而有必要針對單相接地故障下斷路器的TRV 進行研究。當單相接地故障發生在不同位置時，因線路阻抗變化，會導致TRV 有所區別。針對石牌側串抗出線端、石牌側近區（3 km）、線路中點和常熟側出線端4個位置發生故障進行計算。

當單相接地故障發生在串抗出線端時，石牌側斷路器TRV 如圖4（a）所示，此時TRV 較為嚴重，幅值達到約為775 kV，振蕩頻率約50 kHz，上升率為12 kV/μs；常熟側斷路器TRV 如圖4（b）所示，該側電壓幅值約600 kV，上升率約為2.5 kV/μs，可見常熟側TRV 滿足兩參數標準要求。

圖4 串抗出線端發生單相接地故障時TRV

單相接地故障發生在不同位置時石牌側斷路器TRV 情況如表3 所示。由表3 可知，當石牌側串抗出線端發生接地故障時，因沒有線路阻抗限制其振蕩電壓，石牌側斷路器TRV 最為嚴重；隨著故障位置向常熟側移動，石牌側TRV 幅值逐漸降低，但始終不滿足兩參數標準要求，在實際運行過程中可導致斷路器重燃，無法正常開斷，因而需要采取措施對其進行抑制。

表3 單相接地故障發生在不同位置時石牌側斷路器TRV

2.2 TRV 抑制措施分析

由于TRV 是由串抗與線路電容互相充放電產生振蕩，根據LC 振蕩回路基本原理可知，增大電容可以降低振蕩頻率，因而可以在串抗上并聯電容器以降低恢復電壓上升率，抑制斷路器TRV，安裝方式如圖5所示。

圖5 串抗兩端并聯電容器接線示意圖

當電容值為10～50 nF時，斷路器TRV 如表4 所示，串抗上并聯電容后，由于電容器的儲能作用，振蕩回路內能量增加，使斷路器TRV 幅值略有增大。當電容值大于或等于35 nF時，斷路器TRV 可滿足兩參數標準要求，如圖6 所示。

表4 單相接地故障下串抗并聯不同電容時石牌側斷路器TRV

圖6 串抗兩端并聯35 nF 電容器時石牌側斷路器TRV

3 結束語

基于江蘇500 kV 網架實際參數建立仿真模型，計算線路安裝串聯電抗器后斷路器的TRV，提出相應的抑制措施并進行了計算驗證，得出以下結論：

（1）石牌側安裝串聯電抗器后，該側斷路器TRV幅值和上升率較高，且隨故障位置不同有所差異，串抗出線端故障時最為嚴重，此時TRV 恢復電壓幅值為775 kV，上升率為12 kV/μs，不滿足標準要求，需要采取措施加以抑制。

（2）在串聯電抗器上并聯35 nF 以上的電容器可有效抑制石牌側TRV，使恢復電壓上升率降低至5 kV/μs，滿足標準要求。

[1]齊曉曼，宋 平.日本短路電流限制技術的研究和應用對華東電網的借鑒[J].華東電力，2010(10)：1640-1644.

[2]葉 琳，戴 彥.短路電流限制技術在浙江電網的應用[J].華東電力，2005(5)：23-26.

[3]赫 濤，周 敏，周 圣.多斷口斷路器在我國及越南長距離輸電線路的適用性[J].科技信息，2010(23)：1022-1900.

[4]劉 偉，孟慶剛，商 姣，等.一種新型級聯多電平動態電壓恢復器的研究[J].江蘇電機工程，2012，31(5)：27-31.

[5]吉亞民，周志成，馬 勇，等.真空斷路器投切并聯電抗器過電壓故障分析[J].江蘇電機工程，2014，33(2)：12-14.

[6]GB 1984—2003，高壓交流斷路器[S].