考慮土壤電阻率的特高壓直流輸電線路過電壓抑制措施

李海峰, 趙洪峰, 曹培芳, 楊興, 渠敬河

(新疆大學電氣工程學院, 烏魯木齊 830017)

隨著中國經濟的飛速發展,東部、沿海等發達地區對電力的需求與日俱增,然而中國能源主要集中在西北部地區,能源與需求呈逆向分布的問題日益突出。現階段,中國要通過實施“西電東送、北電南供”的發展戰略,來解決能源與需求呈逆向分布的問題,并且完成“碳中和、碳達峰”的目標。特高壓直流輸電以輸送功率大、損耗少、走廊占地少等顯著優勢成為實施該戰略及目標的最優方案[1-2]。

根據現有特高壓直流輸電工程的歷史運行數據,直流線路過電壓與絕緣配合是特高壓直流輸電工程中最主要的影響因素之一,它不僅會影響到輸電線路絕緣強度合理化的設計,而且還決定特高壓直流系統的安全性與穩定性[3]。目前,已有大量文獻對直流輸電線路過電壓進行仿真分析。文獻[4]對特高壓直流線路一極發生接地故障,沿線路分布的非故障極過電壓進行了研究,并對影響過電壓的部分因素進行了分析。文獻[5]分析了直流濾波器對線路過電壓的影響,表明直流濾波器的主電容對過電壓的影響最大,其主電容越小,直流輸電線路的過電壓也越小;文獻[6]對新形勢下線路換流器高壓直流工程取消直流濾波器的可行性評價,提出±1 100 kV特高壓直流輸電系統中可以把直流濾波器簡化為2/12雙調諧濾波器,降低了線路最大過電壓;文獻[7]分析了±800 kV特高壓直流輸電線路一極發生接地故障,非故障極過電壓產生兩次躍升的機理,并分析了部分因素對過電壓的影響;文獻[8]對準東—華東±1 100 kV直流線路上的過電壓沿線路方向的分布特性進行研究,結果表明:輸電系統中兩端換流站的波阻抗對沿線路分布的非故障極過電壓有關鍵性的影響,建議加裝線路避雷器可有效抑制輸電線路上的過電壓。但是,當前大多數文獻主要考慮線路參數、接地電阻、接地位置等因素對過電壓的影響,而對土壤電阻率影響線路過電壓的研究嚴重匱乏。

現基于準東—皖南±1 100 kV 特高壓直流輸電線路,采用行波理論對輸電線路過電壓進行理論分析,并通過電磁暫態計算軟件PSCAD進行仿真。研究土壤電阻率對線路最大過電壓的影響。針對直流線路不同平均土壤電阻率和四季實際土壤電阻率進行仿真分析,得到土壤電阻率會對換流站的折反射產生影響,進而對過電壓產生影響;實際土壤電阻率會使最大過電壓位置向送電側偏移,通過改進線路避雷器的裝設位置,使其對線路過電壓抑制效果更好,為以后的特高壓直流工程提供重要參考。

1 研究背景

研究的±1 100 kV直流輸電工程系統采用雙極運行,逆變側換流站采用分層接入交流電網。直流雙極輸送12 GW功率,電流為5.454 kA, 直流線路長度為3 324 km。 輸電極導線型號為8×JL1/G3A-1250/70或8×JL1/G3A-1250/100,架空地線型號為LBGJ-240-20AC,其中典型的輸電線路導線參數如表1所示。在輸電線路兩端換流站一共配置4組簡化為2/12雙調諧直流濾波器,具體參數及電路如表2和圖1所示。

圖1 雙調諧直流濾波器結構示意圖

表1 ±1 100 kV導線參數

表2 雙調諧直流濾波器參數

2 直流線路過電壓機理分析

特高壓直流輸電線路的過電壓會受多方面因素的影響,根據現已運行的特高壓直流輸電工程的運行結果及相關經驗,直流系統線路過電壓最嚴重的情況出現在雙極運行時,一極中點發生接地故障,健全極產生的過電壓。因此主要對其進行機理分析。

在直流輸電雙極運行情況下,對線路一極故障進行仿真的時候,一般會不考慮輸電線路中架空地線的影響,只考慮正極、負極兩條線路,正極為極1,而負極為極2。當線路發生接地故障后,波在兩極導線中傳播,極線間將產生耦合作用。所以計算的直流系統電壓方程為

(1)

式(1)中:Z11、Z22為導線自波阻抗;Z12、Z21為導線間互波阻抗,可以由式(2)求得,即

(2)

式(2)中:ε0為空氣介電系數;μ0為空氣導磁系數;req為直流導線等值半徑;h1、h′1、H12、D12分別為極線對地高度、極線對鏡像對地高度、一極導線與另一極導線鏡像之間的距離、極線間距,其關系如圖2所示。當大地為理想導體時,h1=h′1,但實際中大地為非理想導體,因此h1

圖2 直流輸電線路橫截面

以負極線路發生接地故障為例進行分析,正極同理。當輸電線路負極發生接地故障后,使負極故障點電壓瞬間降低為零,根據疊加原理,相當于在負極的故障位置等效的施加了一個Ux的直流電壓源,在負極上將會出現-Ux的前行波,使之在故障的時候故障點的電壓降低為零。且該電壓會通過極間耦合作用在正極產生一個感應過電壓-kUx,如圖3所示。

圖3 負極線路故障等效電路

研究-Ux在正極上所產生的耦合電壓時,可根據式(1),可認為Δi1=0,Z12=Z21,則可得

(3)

式(3)中:Δu1、Δu2分別為輸電線路正極和負極上的疊加電壓。

由工程桿塔參數計算得k=0.221,通過式(3)得接地故障后,在健全極(極1)產生的耦合電壓為243 kV,這是電壓第一次升躍。圖4為直流線路故障極(極2)中點發生接地故障時,健全極中點過電壓波形。圖4中 1.5 s 處為極2發生接地故障,極線間通過耦合作用在極1產生耦合電壓,使極1的電壓階躍。在圖4中可以看出在1.5 s時電壓升高了266 kV與計算出的耦合電壓有差距但差距不大,這是因為直流輸電的電壓中存在諧波,故在仿真的時候產生的升壓是耦合電壓和諧波電壓進行了疊加所得到的。

圖4 直流線路健全極中點過電壓

圖5和圖6為故障后故障點左側附近故障極線路和整流側正極直流濾波器電流波形,從中可以看到直流濾波器的電流的最大值出現在約1.505 8 s時,而圖4中直流線路最大過電壓出現在1.514 3 s時,兩者傳播的時間存在2倍以上的差距,并且從線路故障后的電壓波形情況,可以看出其符合換流站內阻抗呈現出電感性的形式[8],并且健全極過電壓最大值出現在線路中點發生故障。

圖5 故障點左側附近故障極線路電流

圖6 整流側正極直流濾波器電流

3 土壤電阻率對線路過電壓的影響

當前大多數文獻主要考慮線路參數、接地電阻、接地位置等因素對過電壓的影響,而對土壤電阻率影響線路過電壓的研究較少。文獻[4]僅指出土壤電阻率會對線路過電壓有影響,兩者呈正相關。故對土壤電阻率影響線路過電壓的理論進行分析。

3.1 土壤電阻率對線路過電壓機理分析

首先,當直流線路負極發生故障時,會在健全極產生感應電壓,而兩極間產生的電壓波會從故障點位置沿線路向兩端換流站傳播,但行波傳播速度接近光速,使得波在傳播到兩端換流站的時候,保護系統來不及動作,換流站波阻抗和線路波阻抗不同,使行波傳到換流站后會出現反射和折射現象,而引起線路第二次電壓升躍的反射波將會沿直流線路的方向進行傳播。

直流線路上的總電壓為正向波uf和反行波ub的和,即

U=uf+ub

(4)

設入射波為E,線路的波阻抗為Z,則當線路末端(換流站波阻抗)電阻為R,電容為C,電感為L時,反射波UbR、UbC、UbL如式(5)～式(7)所示。

(5)

UbC=E-2Ee-t/TC

(6)

UbL=-E+2Ee-t/TL

(7)

式中:TC=CZ;TL=L/Z。

根據式(2)可知,線路的波阻抗與ε0、μ0、req、h1、h′1、H12、D12的值有關,一般ε0、μ0、req、h1、D12是不變的,當大地為理想導體時,波會被完全反射沒有能量的損失,即h1=h′1,H12不變;但實際中大地為非理想導體,波會發生折射和反射使能量產生損失,故線路的波阻抗在增大,即h1

根據式(6)和TC=CZ,換流站波阻抗呈為容性的形式時,入射波經過換流站反射后的波和直流線路中的正向波方向是相反的,線路中的電壓幅值先升高后降低。隨著土壤電阻率的增大,線路波阻抗Z也增大,使TC增加,導致反射波UbC增加,讓線路過電壓變大。

根據(7)和TL=L/Z,換流站內阻抗呈現出電感性的形式時,所以入射波經過換流站反射后的波和直流線路中的正向波方向是相同的,線路中的電壓幅值是先降低后升高。隨著土壤電阻率的增大,線路波阻抗Z也增大,使TL減小,導致反射波UbL增加,讓線路過電壓變大。

3.2 基于平均土壤電阻率下的線路最大過電壓仿真分析

采用PSCAD分別計算了直流線路土壤電阻率分別為50、100、200、500、1 000、1 500 Ω·m時,一極發生接地故障,健全極線路上的最大過電壓,仿真結果如表3所示。

表3 不同土壤電阻率對線路最大過電壓的影響

從表3可以看出,平均土壤電阻率為1 500 Ω·m,比50 Ω·m的最大過電壓高近104 kV,隨著土壤電阻率的增大,線路的最大過電壓也增加,表明線路最大過電壓與土壤電阻率成正相關。從圖7看出,隨著土壤電阻率的增大,健全極中點過電壓反而在增大,在圖8中整流側正極直流濾波器和故障點左側附近故障極線路電流都在減小,說明從直流濾波器中釋放的能量減少,而直流線路上的總電壓為正向波和反行波的和,而線路中的正向波是不變,說明從換流站反射波增大,使得線路過電壓增大,驗證了理論分析。

圖7 土壤電阻率對健全極中點過電壓的影響

圖8 土壤電阻率對故障點左側附近故障極線路電流及整流側正極直流濾波器電流的影響

3.3 基于實際土壤電阻率下線路最大過電壓仿真分析

根據文獻[9-12]可知,準東—華東±1 100 kV特高壓直流輸電線路的土壤電阻率分布是不均勻的,所以按照其土壤電阻率分布進行建模仿真,測量四季不同時期的最大過電壓的位置,仿真結果如表4所示。

表4 不同季節下的線路最大過電壓

從表4可以看出,土壤電阻率的分布不均勻,導致最大過電壓的位置會向送電側發生偏移,但是最大過電壓的值變化不大,這是因為這條線路的左邊線路的土壤電阻率比右邊的高,把左右土壤電阻率互換,可以得到最大過電壓的位置向右偏移,說明土壤電阻率分布對最大過電壓位置是有影響的。同時從四季的過電壓和文獻[13]的線路土壤電阻率比例的簡要計算,可以看出其最大過電壓與平均土壤電阻率為1 000 Ω·m時的最大過電壓基本相同,所以在考慮其他影響因素對線路最大過電壓影響的時候,準東—皖南±1 100 kV 特高壓直流輸電線路模型可以選擇平均土壤電阻率為1 000 Ω·m進行計算仿真。

4 抑制措施

選擇在輸電線路上裝設DB避雷器,具體參數如表5所示。

表5 避雷器參數

4.1 實際土壤電阻率對過電壓分布的影響

圖9為直流線路沿線過電壓分布圖,其曲線1為平均土壤電阻率1 000 Ω·m下的直流線路過電壓分布,曲線2為四季實際土壤電阻率下的直流線路過電壓最大輪廓分布。從圖9中可以看出,在b段(1 262～1 962 km)曲線1和曲線2的過電壓幅值都超過1.5 p.u.,并且最大過電壓幅值達到1.58 p.u.,但曲線2最大過電壓的位置向送電側發生偏移;曲線2的兩端的過電壓幅值比曲線1低且其過電壓幅值的差值在負荷側最大,而中部比曲線1高且左側增大的長度比右側多,這是因為這條線路兩端的土壤電阻率比1 000 Ω·m低,但在500 km后的土壤電阻率普遍比1 000 Ω·m高,而在直流線路中點右側的土壤電阻率普遍比500 Ω·m低,只有部分高山地段土壤電阻率較高,所以通過改進線路上加裝避雷器位置對實際土壤電阻率下的過電壓進行抑制。

圖9 直流線路沿線過電壓分布圖

4.2 改進線路上加裝避雷器

現在的研究線路過電壓抑制的措施主要是通過在線路中部加裝線路避雷器來進行抑制過電壓,如在±1 100 kV 準東—華東輸電線路的中部加裝避雷器來抑制過電壓[14-15],這些在考慮加裝避雷器的時候沒有考慮實際土壤電阻率的影響,以下是對考慮實際土壤電阻率后,對線路上加裝避雷器位置進行改進的效果。

4.2.1 線路上加裝1臺線路避雷器

如圖10所示, 曲線1為不加裝避雷器過電壓分布,曲線2為考慮實際土壤電阻率在中點加裝避雷器過電壓分布,曲線3為考慮實際土壤電阻率在最大過電壓處加裝1臺避雷器過電壓分布。

圖10 考慮實際土壤電阻率后加裝1臺避雷器直流線路沿線過電壓

4.2.2 線路上加裝4臺線路避雷器

經研究在不考慮實際土壤電阻率時,在線路長度的1 462、1 562、1 662和1 762 km各裝一臺避雷器能使將線路沿線過電壓降低至 1.5 p.u.以下,但在考慮實際土壤電阻率后,最大過電壓的位置向送電側偏移,改變在中點加裝避雷器位置,使其更好地抑制過電壓。如圖11所示為考慮實際土壤電阻率,改進線路上加裝避雷器位置的效果對比圖。曲線1為不加裝避雷器過電壓分布,曲線2為原安裝位置的過電壓分布,曲線3為改進后過電壓分布。

圖11 考慮實際土壤電阻率后加裝4臺避雷器直流線路沿線過電壓

從圖10和圖11可以看出,在考慮實際土壤電阻率后,改進線路上加裝避雷器位置的效果比在原加裝避雷器的效果更佳,對最大過電壓的抑制效果更好,可以更有效的保護線路。

5 結論

通過PSCAD仿真軟件,研究了土壤電阻率對準東—皖南±1 100 kV 特高壓直流輸電線路最大過電壓的影響。針對直流線路不同平均土壤電阻率和隨季節變化的實際土壤電阻率進行仿真計算,得到以下結論。

(1)隨著土壤電阻率的增大,故障極線路電流和直流濾波器電流減小,但健全極中點過電壓反而增大,而在直流線路上的總電壓為正向波和反行波的和,正向波不變,說明換流站反射波在增大。

(2)四季實際土壤電阻率下線路最大過電壓幅值與平均土壤電阻率為1 000 Ω·m時基本相同,因此,在研究最大過電壓的其他影響因素時,可以把線路土壤電阻率等效為1 000 Ω·m,簡化計算。

(3)四季實際土壤電阻率的線路最大過電壓位置與平均土壤電阻率為1 000 Ω·m相比,會向送電側偏移了20 km左右,這是因為條線路的左邊線路的土壤電阻率比右邊的高,而把左右土壤電阻率互換,得到最大過電壓的位置向負荷側偏移,說明土壤電阻率分布會對最大過電壓的位置產生影響。

(4)在考慮實際土壤電阻率情況下,通過優化線路避雷器的加裝位置,使抑制過電壓效果更好,能夠更有效地保護線路。