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(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

在我國超高壓輸電系統(tǒng)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(shè)高壓并聯(lián)電抗器。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求不斷增加，新建變電站的數(shù)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(dǎo)致線路高補償、過補償現(xiàn)象越來越多。若線路高抗停運，基于電力系統(tǒng)分層分區(qū)系統(tǒng)無功補償?shù)脑瓌t，存在區(qū)域性無功補償不足的問題，若線路繼續(xù)帶高抗運行，則線路在合閘操作中的直流偏置現(xiàn)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(xiàn)線路空充電流較長時間不過零現(xiàn)象，此時若由于線路故障或開關(guān)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(xù)數(shù)百毫秒的燃弧將燒損滅弧室內(nèi)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(chǎn)生的原因及影響因素，提出相適應(yīng)的控制策略[4-7]，使其適應(yīng)新形勢下的電力系統(tǒng)安全運行顯得尤為重要。

1 線路產(chǎn)生直流偏置的機理

基于電路學(xué)原理，線路產(chǎn)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(shè)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(shù)等效)

考慮并聯(lián)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(shù)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(guān)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(tǒng)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(chuàng)的電磁暫態(tài)計算程序，是電網(wǎng)暫穩(wěn)態(tài)仿真分析及電力系統(tǒng)諧波分析的有力工具。利用EMTP模擬計算中，保留河北南網(wǎng)全部500 kV線路、變壓器、發(fā)電機組和全部220 kV線路、發(fā)變組，全部220 kV變電站視為用電負荷節(jié)點，采用R-L模型進行用電負荷等值。在有省際聯(lián)絡(luò)線的變電站500 kV母線上對外省500 kV電網(wǎng)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(shù)特性的序參數(shù)模型LINEZT_3。本文以在武邑側(cè)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(guān)的線路序參數(shù)見表1，相關(guān)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖2。武邑側(cè)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(fù)電壓梯度最小時中性點小電抗應(yīng)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(shè)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(shù)

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(wǎng)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(shù)，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(guān)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(jié)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(guān)的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)類似駝峰現(xiàn)象，峰值出現(xiàn)在補償度120%左右。因此，應(yīng)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(shè)；并聯(lián)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(lián)的電阻(即合閘電阻)阻值約幾百Ω。以ABB生產(chǎn)的500 kV斷路器為例，斷路器由具有滅弧能力的主開關(guān)Kz和不具備滅弧能力的與合閘電阻串聯(lián)輔助開關(guān)Kf，見圖5。在斷路器合閘過程中，Kf先合上，把Rf接入系統(tǒng)中，經(jīng)過約10 ms，Kz再合上，再過幾十毫秒，Kf斷開，把Rf退出系統(tǒng)。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(jié)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，其穩(wěn)態(tài)工頻分量必然發(fā)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(wěn)態(tài)值計算結(jié)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(jié)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(jié)果可知，順序合閘不同階段對空充電流的直流偏置結(jié)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(jīng)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(yōu)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(tǒng)無功補償?shù)男枰部梢栽诓扇∫欢ù胧r，保留線路高抗，以滿足系統(tǒng)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(jīng)驗表明，增加合閘電阻會增加斷路器的故障概率，給設(shè)備的安全穩(wěn)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(shù)為通過相控技術(shù)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(jié)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(tǒng)非全相保護的時間為2.5 s，可將選相合閘和順序合閘結(jié)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(jié)論

a.線路空充電流的直流偏置與其補償度并非呈正相關(guān)的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)類似駝峰現(xiàn)象，峰值出現(xiàn)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(qū)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(xiàn)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(jié)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(tǒng)非全相保護的時間2.5 s，可將選相合閘和順序合閘結(jié)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。