基于高壓設備無壓合閘定值研究分析與應用

何 山，蘇 曉，柳 明

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧 530000）

0 引 言

據統計，2014—2015年，超高壓南寧局在進行倒母線操作時多次出現母線電壓值過高導致母線上的高壓斷路器無壓合閘失敗事件。最后，由作業人員采用人為解鎖方式進行操作。經專業電力作業者進行分析問題，發生無壓合閘失敗事件部分主要原因是由于企業超高壓變電站的線路設計范圍較長，感應電壓高，導致高壓線路在倒閘操作時多次出現無壓合閘失敗的情況發生[1]。針對南寧局高壓斷路器無壓合閘的故障現狀，對高壓設備無壓合閘定值進行了研究分析，并通過在該變電站的實際應用，規范化管理,對無壓設定提供參考。

1 實施方案

本文以500 kV母線為例，對母線感應電壓、線路感應電壓和雙回路感應電壓進行了理論分析和仿真驗證。具體實施方案如下文所述。

1.1 高壓母線感應電壓分析

如圖1所示為母線感應系統電壓的簡化計算等效控制電路圖。母線的一次感應電壓主要由兩點引起：一是母線上的高壓斷路器由運行狀態轉為冷備用狀態時，在所有邊高壓斷路器斷口等效電容（Cb）和雙斷口開關并聯電容（Cn1或者Cn2）就會產生一次感應電壓；二是線路對母線電容（Cx）和母線對地電容（Cd）產生[2,3]。因此，根據理論分析可以估計感應電壓，然后實際電壓是一致的。通過2種方法的比較分析，計算出實際一致的無壓設定值，作為改變測控裝置無壓關閉值的參考值。盡管我國目前存在許多設備已用固定值，但此值可以在以后的技術進行規范修訂中作為一個參考。

圖1 母線感應系統電壓的簡化計算等效控制電路

基于上述，母線感應電壓為

式中：U為母線感應電壓；Ux為系統電壓；Cd為所有邊高壓斷路器等效電容；Cd為母線對地電容，包括母線電容式電壓互感器（Capacity Voltage Transformer，CVT）電容及母線對地雜散電容；Cx為線路對母線電容；ω為系統角頻率。

1.2 單回線路感應電壓分析

如圖2所示，單回路感應電壓簡化了等效電路圖。在單回線路中一次感應電壓也是主要由2點引起：一是，母線上高壓開關由運行狀態轉為冷備用狀態后，通過所有邊高壓斷路器斷口等效電容（Cb）產生感應電壓；二是單回母線電壓（Ux）通過運行線路對母線電容（Cx）和線路對地的電容（Cd）所產生感應電壓[4,5]。因此，可以進行基于理論研究分析預算出感應電壓，然后通過學習相關來試驗驗證兩側熱備用實際工作電壓。通過2種方法的比較分析，計算出實際一致的無壓設定值，作為改變測控裝置無壓關閉值的參考值。

圖2 單回線路感應電壓簡化等效電路圖

圖中：Ux為母線電壓；U為線路感應電壓；Cn1為第n串雙斷口開關并聯第一組電容；Cn2為第n串雙斷口開關并聯第二組電容；Cd為線路對地電容；Cb為所有邊高壓斷路器斷口等效電容。

為此，可計算出單回線路感應電壓為

1.3 同塔雙回感應電壓分析

雙塔雙回線路示意如圖3所示。在雙塔雙回線路中A、B、C線路運行，a、b、c線路檢修，當交流電流流過運行線路時，其周圍會產生交變電磁場，并將檢修線路連接到其上[6]。因此，沿線路方向的縱向電位將在線路上產生，并且根據接地修復線路絕緣度的不同對應于接地電位。由于進行檢修線路和運行控制線路設計之間的磁耦合而產生的感應電壓的大小主要取決于電流可以產生的磁場力、運行線路和檢修線路市場之間的耦合系數分析以及運行線路對地的絕緣程度[7]。因此，當故障電流流過運行線路時，維護線路上的磁感應電壓更加明顯。

圖3 雙塔雙回線路示意

根據維護電路兩端接地開關的不同狀態，對維護電路的a相感應電壓進行分析如下。

（1）A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀態且兩端接地刀閘均不接地。此時停運線路進行電流為0，靜電相互感應使二回介紹線路a相上產生容性感應電壓為

式中：sCa為a相容性感應電壓；CAa為運行線路A相與檢修線路a相單位長度互電容；CBa為運行線路B相與檢修線路a相單位長度互電容；CCa為運行線路C相與檢修線路a相單位長度互電容；C0為檢修線路a相單位長度對地電容；A為運行線路A相電壓；B為運行線路B相電壓；C為運行線路C相電壓。

根據式（3），電容感應電壓與線路電容參數之間存在一定的關系。當線路容量參數固定時，電容感應電壓與線路工作電壓成正比，與線路長度和功率流無關。此時，驗證線路上的感應電流為0，并且可以通過研究電磁耦合在進行檢修線路上產生的感應系統電壓為

式中：sLa為檢修線路a相上產生的感性感應電壓；MAa為運行線路A相與檢修線路a相單位長度互電感；MBa為運行線路B相與檢修線路a相單位長度互電感；MCa為運行線路B相與檢修線路a相單位長度互電感；A為運行線路A相電流；B為運行線路B相電流；C為運行線路C相電流；l為線路長度；ω為系統角頻率。

從上述式（4）可以看出，感應電壓與線路的電感參數相關，并與運行線路的電流和線路長度成正比。

（2）A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀態，其中一端接地刀閘接地。此時，感應電流不存在路徑，流向接地側的電流為電容感應電流，電容感應電流的計算公式為

此時，由于a、b、c線路三相檢狀態且一端接地，其容性感應電壓為0，但非接地側產生感性感應電壓，其計算式與式（4）相同。

（3）A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀態且兩端接地刀閘都接地。此時，線路容性感應電壓為0，線路中存在容性感應電流，其計算式與式（5）相同，通過網絡兩端進行接地刀閘流入大地。由于線路兩端接地，感應電壓為0，計算感應電流為

根據式（6）可知，感應電流與線路的互感參數有關，與線路的傳輸潮流成正比，與線路長度無關。此時，感應控制電流主要是通過感應電流。

2 理論分析與仿真

2.1 母線感應電壓理論計算

由上述分析知：母線感應電壓的計算式為

其中，母線與線路之間的距離較遠，因此母線到線路的電容幾乎可以忽略不計，因此式（7）可以簡化為

已知單位長度母線對地電容的計算方法為母線對地鏡像對稱后2條母線之間的等效電容，計算公式為

式中：C0為單位長度母線對地電容；ε0為介電常數；d為鏡像對稱后兩母線之間的距離；R0為母線的半徑。

由于母線對地的高度遠大于自身的半徑，因此，式（9）可以簡化為

根據不同母線感應系統電壓的計算公式可知，斷路器并聯電容越大時，母線上的感應控制電壓越大。考慮最嚴重的情況即所有斷路器在熱備用時，Ⅰ母只有A相裝有電容式電壓互感器（Capacitance Type Voltage Transformer，CVT）。根據母線感應電壓的計算式可知，未裝設CVT的兩相對地等效總電容只有對地雜散電容，因此母線上的分壓會比裝有CVT的相要高，需考慮B、C兩相的實際情況[8,9]。

3.2 單回線路感應電壓理論計算

500 kV兩回線路對應相之間的距離最小為5 m，同回線路兩相之間距離最小為7.2 m，線路長度最長大約為南寧到玉林的200 km，線路對地最低的高度大約是 13 ～ 15 m。

通過對線路感應電壓式（7）的分析，可以得出結論，不同的接口母線感應電壓如表1所示。

表1 不同界面母線感應電壓

2.3 同塔雙回線路感應電壓理論計算

對同塔雙回線路進行分析，當A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀態且兩端接地刀閘都不接地時，a相的容性感應電壓的計算式為

已知單位線路每相的電流在1 500 A以內，雙回線路每相電流在1 200 A以內，線電壓為540 kV。式中各單位長度互電容以及對地電容均可以用文中提到的雙輸出線路電容的計算式求出，定義A相電壓相位為0°，其他各相按互差120°處理，設A相的電壓為UA∠0°,則BC兩相的電壓分別為UB∠240°、UC∠120°，則可以計算出導線截面分別為300和400時A相的感應電壓幅值。

當A、B、C線路三相運行，a、b、c線路三相檢修狀并且接地刀閘一端接地另一端不接地時，鑒于之前的分析，感應電壓主要為感性分量，A相的感性感應電壓的計算式公式為

各單位長度互感的計算式為

式中：M為單位長度互感；μ0為真空磁導率；L為導線的長度；D為兩導線軸之間的距離。

假設A相的電流為IA∠0°,則BC兩相的電流分別為IB∠240°和IC∠120°，則可以計算出其感應電壓。

2.4 母線或單回線路感應電壓仿真計算

母線或單個電路的感應電壓的本質是電容的部分電壓。在仿真軟件中構建的仿真模型如圖4所示。

圖4 感應電壓仿真模型

搜集到各電容器的參數后，在上述分析模型設計里面可以進行系統設置，就可以測出響應的感應電壓。

2.5 同塔雙回線路感應電壓仿真計算

該模型在電磁暫態仿真軟件中建立，傳輸線模型在元件庫中。首先，將傳輸線元件復制到電路中點進去進行輸入數據傳輸線的名稱和導線的信息，名稱在該電路中是唯一的。然后將傳輸線參數設置組件復制到電路中點擊輸入傳輸線路信息，以及輸入線路長度、穩態頻率和線路信息。接下來點進去這個系統部件然后點應用編輯子頁面；點編輯進入子頁面編輯，子頁面需要輸入傳輸線所采用的數學模型和數據輸入方法。

數據輸入方法可以手動完成，也可以通過選擇線路布局圖來完成，如圖5所示。

在圖5中點進去設置導線的參數，將選擇的數學學習模型和數據作為輸入方式復制到上述傳輸線組件的子頁面設計當中，通過系統軟件仿真計算能力得到同塔雙回線路停運一回A相的感應電壓值，與理論研究計算值相差無幾，說明企業理論基礎計算發展較為準確。

3 結 論

以超高壓南寧局在進行倒母線操作時母線電壓值過高導致母線上的高壓斷路器無壓合閘失敗事件為切入點，通過理論計算、試驗分析與仿真計算，研究清楚感應電壓的電壓分布，并向其他現場分析研究母線和線路，提出了無壓力定值分析建議或測控裝置技術建議。