郭永明,劉觀起

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 0710032)

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限流電抗器在華北油田配電網(wǎng)中的應(yīng)用仿真

郭永明,劉觀起

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 0710032)

結(jié)合華北油田配電網(wǎng)電壓暫降實(shí)際情況,在PSASP平臺(tái)上進(jìn)行建模仿真。根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn),以敏感母線為目標(biāo),通過加裝限流電抗器來抑制電壓暫降。仿真結(jié)果表明,短路故障發(fā)生時(shí),限流電抗器能夠維持敏感母線的電壓水平,起到保護(hù)重要負(fù)荷的目的。與此同時(shí),限流電抗器產(chǎn)生的電能損耗也不容忽視。

電壓暫降;短路故障;限流電抗器;敏感母線

為了保護(hù)電氣設(shè)備在短路時(shí)不受損害,需要采取有效的限流措施,以確保電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。目前常用的限流方法為改變電網(wǎng)運(yùn)行方式、改造電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和安裝限流設(shè)備等[1-2]。前兩種方式在限制短路電流的同時(shí),也改變了電網(wǎng)的初始狀態(tài),在一定程度上犧牲了電網(wǎng)的可靠性,而安裝限流設(shè)備是最直接有效的方式。限流電抗器[3-4]是當(dāng)今限流設(shè)備之一,其本質(zhì)是通過增加電氣元件之間的阻抗的方式,使故障點(diǎn)和敏感母線之間的電氣距離增大,降低電網(wǎng)的稠密度,從而減小短路電流的沖擊。本文通過分析華北油田任丘地區(qū)配電網(wǎng)的特點(diǎn),在總結(jié)其因短路引起的電壓暫降案例[5-6]基礎(chǔ)上,確定易受電壓暫降影響的敏感母線,并通過PSASP仿真平臺(tái)建立電網(wǎng)模型,加裝限流電抗器進(jìn)行仿真,分析其在抑制敏感母線電壓暫降方面的作用。

1 華北油田配電網(wǎng)建模

1.1 華北油田配電網(wǎng)模型

華北油田區(qū)域配電網(wǎng)在正常情況下以開環(huán)方式輻射狀運(yùn)行。其中,220 kV的趙店和留古為主要電源點(diǎn),在建模中等效為平衡節(jié)點(diǎn),章西和雄縣電源容量相對(duì)較小。正常運(yùn)行方式如下:

A:趙店-任東1號(hào)變-任北線、石化東線、石化西線、任五甲線-石化東1號(hào)變、石化西2號(hào)變-任五1號(hào)變-任北站(單主變運(yùn)行,低壓側(cè)并列)、任岔線(充電)。

B:留古-任東2號(hào)變-任城線(充電)、任青線(充電)、石化共用線、石化西線、任五乙線-石化東2號(hào)變、石化西1號(hào)變-任五2號(hào)變-任留線(充電)。

C:雄縣-岔河集1號(hào)變(單主變運(yùn)行,低壓側(cè)并列)。

D:章西-留路1號(hào)變(單主變運(yùn)行,低壓側(cè)并列)。

圖1 華北油田配電網(wǎng)模型示意圖

基于電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP(Power System Analysis Software Package)建立華北油田任丘地區(qū)配電網(wǎng)35 kV以上(包括部分6 kV)系統(tǒng)模型如圖1所示。運(yùn)行方式的調(diào)整可直接在界面的接線圖上進(jìn)行修改,如斷路器的開關(guān)狀態(tài)、變壓器投運(yùn)狀態(tài)等。

1.2 故障仿真模擬

華北油田配電網(wǎng)多數(shù)電壓暫降問題是由短路故障引起的。短路故障發(fā)生的頻次高,波及的范圍廣。短路故障發(fā)生時(shí),繼電保護(hù)需要經(jīng)過一定的延時(shí)才能切除故障,在此期間,非故障設(shè)備需要承受著電壓暫降的考驗(yàn)。

根據(jù)華北油田電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況,石化東站和石化西站負(fù)荷為重點(diǎn)負(fù)荷,相鄰線路或母線發(fā)生短路故障時(shí),易受到影響。因此,確定石化東和石化西變電站6 kV母線為重點(diǎn)敏感目標(biāo),重點(diǎn)關(guān)注這2個(gè)變電站母線的電壓暫降情況。通過PSASP仿真平臺(tái),分別設(shè)置110 kV線路故障點(diǎn)和35 kV母線故障點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬,華北油田敏感母線電壓暫降情況如表1和表2所示。

對(duì)比表1和表2中的數(shù)據(jù)可知,110 kV等級(jí)的故障對(duì)敏感母線電壓的影響較大,且故障點(diǎn)與敏感母線電氣距離越近,其電壓跌落越嚴(yán)重。為方便起見,以110 kV任五甲線和任北35-1母線為例,設(shè)置不同的短路故障,進(jìn)行深入研究。統(tǒng)一設(shè)置故障起始時(shí)間為0.3 s,持續(xù)時(shí)間為0.1 s,石化東和石化西母線電壓分別如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知,兩相接地短路和三相短路對(duì)電壓暫降的影響較單相短路嚴(yán)重,且電氣距離越近,對(duì)敏感母線電壓影響越大。

表1 110 kV線路故障下敏感母線電壓

表2 35 kV母線故障下敏感母線電壓

圖2 任北35-1母線故障下石化東6-1母線電壓

圖3 任五甲線路故障下石化西6-2母線電壓

2 限流電抗器應(yīng)用仿真

2.1 電抗器選取原則

電抗器的選取原則主要按照額定電壓、額定電流和電抗百分?jǐn)?shù)選取,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行母線殘壓、電抗器壓降、動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定校驗(yàn)。其中,電抗器壓降損失表示為

(1)

式中:UN、IN分別表示額定電壓、電流;XL為電抗器百分?jǐn)?shù);φ為功率因數(shù)角。正常運(yùn)行方式下,電抗器的壓降損失不能超過額定電壓的5%。

母線殘壓表示為

(2)

式中,I″為最大短路沖擊電流,母線殘壓不應(yīng)低于額定電壓的60%～70%。

在任北線和任五甲線出口加裝限流電抗器。均選額定電壓為110 kV的電抗器,其中任北線限流電抗器額定電流為0.12 kA,直流電阻3.24 Ω;任五甲線限流電額定電流為0.2 kA,直流電阻1.75 Ω?？紤]到任北35-4母線短路故障對(duì)石化東母線電壓暫降影響比任五甲線短路故障時(shí)小,其電抗器的百分?jǐn)?shù)選取也相對(duì)較小。最大運(yùn)行方式下,認(rèn)為此時(shí)每條線路的電流為Imax,當(dāng)電抗取不同值時(shí),相應(yīng)的電壓損失分別如表3和表4所示。值得注意的是,由于無功補(bǔ)償裝置和變壓器接頭調(diào)整的作用,無電抗器時(shí),母線電壓高于額定電壓的5%左右。

由表3和表4可知,最大運(yùn)行方式下,在線路出口加裝限流電抗器后,電抗器的壓降損失均小于5%,滿足式(1)的校驗(yàn)要求。

表3 任北線加裝電抗器后電壓損失情況

表4 任五甲線加裝電抗器電壓損失情況

2.2 電抗器限流作用仿真

任北線、任五甲線加裝不同電抗百分?jǐn)?shù)的限流電抗器時(shí),以石化東、石化西站6 kV敏感母線電壓暫降情況進(jìn)行仿真。式(2)的校驗(yàn)為安裝電抗器線路所在母線的殘壓要求,當(dāng)目標(biāo)定為敏感母線時(shí),本文將這一要求提高,即短路故障時(shí)敏感母線電壓不低于額定電壓的85%,依次為標(biāo)準(zhǔn)配置電抗器,仿真結(jié)果如表5和表6所示。

表5 任北35-1母線短路后敏感母線殘壓(p.u.)

表6 任五甲線50%處短路后敏感目標(biāo)母線殘壓(p.u.)

Table 6 Bus residual voltage after 50% line Ren Wujia short circuit fault

由表5和表6可知,在任北線出口加裝電抗值為2%的電抗器即可抑制母線35-1短路電流沖擊,使石化東6-1母線不低于額定電壓的85%,而任五甲線則需配置電抗值為14%的電抗器。限流電抗器全年(8760 h)電能損耗情況如表7所示。

表7 任北線(任五甲線)限流電抗器電能損耗情況

正常運(yùn)行方式下,通過潮流計(jì)算,任北線和任五甲線的有功功率分別為9.7 MW和27.1 MW,任五甲線的傳輸功率較大,電抗器電能損耗也較大。由于電抗器本身存在電阻,在起到限制電壓暫降作用的同時(shí),也增加了網(wǎng)損。兩條線路上加裝限流電抗器一年的電能損耗大約相當(dāng)于一臺(tái)35 MW發(fā)電機(jī)一小時(shí)滿載的發(fā)電量,若每條線路均加裝限流電抗器,其電能損耗將更加嚴(yán)重。因此,線路電抗器應(yīng)在個(gè)別重點(diǎn)線路上加裝,在較低電能損耗的前提下保證重要負(fù)荷的供電可靠性。

3 結(jié) 語

本文在PSASP仿真平臺(tái)上對(duì)華北油田配電網(wǎng)進(jìn)行了電壓暫降模擬,避免了難度較高的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。針對(duì)敏感母線電壓暫降的防治,提出了加裝限流電抗器抑制短路電流的方法。通過仿真驗(yàn)證了限流電抗器能夠在短路時(shí)維持敏感母線水平的作用,但在正常運(yùn)行的情況下,由于限流電抗器電阻的存在,電能損耗增加。因此在實(shí)際的生產(chǎn)中,靈活自動(dòng)投切限流電抗器將是解決電抗器自身電能損耗的一種方法,只是其可靠性有待進(jìn)一步考證。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research on the application simulation of current limiting reactor in Huabei Oilfield power distribution network

GUO Yongming, LIU Guanqi

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Combining with the actual situation of voltage sag in Huabei Oilfield power distribution network, this paper established a model and simulated it through PSASP.According to the characteristics of power grid operation, it discovered that sensitive buses were deemed as target and voltage sags were inhibited by means of installing current limiting reactor.The simulation results show that current limiting reactor has good effect on maintaining the voltage level, which achieves to protect important load when short circuit faults happen.Meanwhile, electric energy loss caused by current limiting reactor can not be ignored.

voltage sag;short circuit fault;current limiting reactor;sensitive bus

2016-03-22。

郭永明(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制。

TM471

A

2095-6843(2016)04-0395-04