陰崇智，王 亮，劉新元（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

關(guān)于超高壓輸電線路的潛供電流研究

陰崇智，王 亮，劉新元
（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

闡述了輸電線路一旦發(fā)生單相接地故障后，斷路器會立即單相跳閘，潛供電弧能否快速熄滅是斷路器順利完成單相重合閘的關(guān)鍵因素。通過理論分析和仿真計(jì)算分別研究了不同故障發(fā)生位置、高壓電抗器和線路長度下輸電線路潛供電流的特性，最后以500 kV龍城輸變電系統(tǒng)為例，計(jì)算潛供電流，并給出了單相重合閘時間的推薦值。

潛供電??；單相重合閘；中性點(diǎn)小電抗器

0 引言

500 kV電壓等級的輸電系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用直接接地方式。如果線路上發(fā)生瞬時性單相（假設(shè)為L1相）接地故障，便會形成電流回路，此時故障相將形成很大的短路電流[1]，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置動作，斷路器單相跳閘，位置由合變分；L1相的斷路器經(jīng)固定延時后重合，位置由分變合。

在斷路器的L1相斷開期間，非故障的L2和L3兩相線路及相鄰輸電線路對故障線路L1相的靜電耦合和電磁耦合作用，使得L1相會持續(xù)保持有短期的潛供電弧。潛供電弧使得短路回路的電弧通道去游離過程受到阻礙，降低了斷路器順利單相重合閘的成功率[2]。因此，故障切除后潛供電弧的大小對于單相重合閘時間的選定和合閘的成功率有著關(guān)鍵影響。

1 潛供電流的理論分析

潛供電流由電容分量和電感分量兩部分組成，分別進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。

1.1 電容分量

潛供電流的電容分量由靜電耦合產(chǎn)生，分析電路如圖1所示。

圖1 靜電耦合示意圖

其中Cn為線路每公里的對地電容，Cm為每公里相間電容。輸電線路三相正常運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生L3相接地故障后，保護(hù)動作，線路兩側(cè)的L3相的斷路器斷開，潛供電弧隨之產(chǎn)生，其電容分量IL3見式（1）[3]。

式（1） 中H為線路長度，UL1、UL2和UL3為三相對稱線路的相電壓。由式（1）可以看出，潛供電流的電容分量與線路相間電容、線路運(yùn)行電壓以及線路的長度成正比，而與線路故障發(fā)生的位置和相對地電容沒有關(guān)系。因此，如果為了限制線路工頻過電壓，在線路兩側(cè)裝有中性點(diǎn)直接接地的高壓電抗器時，會對線路的相對地電容產(chǎn)生補(bǔ)償，但由于不影響相間電容，不會對潛供電流產(chǎn)生的電容分量產(chǎn)生影響[1]。目前，限制潛供電弧的一種通用方法是在高壓電抗器中性點(diǎn)上接1個小電抗器來補(bǔ)償相間電容。

若要將線路的相間電容全部補(bǔ)償，則計(jì)算中性點(diǎn)小電抗器數(shù)值的公式見式（2）[4]。

其中，n為高抗數(shù)量，Xk是高抗的數(shù)值，C0是線路的零序電容，C1是線路的正序電容。

1.2 電感分量

潛供電流的電感分量由電磁耦合產(chǎn)生，等值電路如圖2所示。

圖2 電磁耦合示意圖

L、M、C分別為線路每km的自感、互感、對地電容，H為線路長度。輸電線路三相正常運(yùn)行，當(dāng)線路首端的x km位置發(fā)生了L3相接地短路故障后，保護(hù)動作，兩側(cè)斷路器W相跳閘。得到潛供電流的電感分量見式（3）[3]。

由式（3）可以看出，故障處兩側(cè)的潛供電流電感分量的方向相反，二者相互抵消。因此，潛供電流的電感分量同故障發(fā)生的位置有關(guān)，單相故障位置距離線路兩側(cè)位置越近，電感分量越大；離中間位置越近，電感分量越小。

2 潛供電流的仿真分析

利用電磁仿真軟件 PSCAD（power system computer aided design），建立500 kV輸電系統(tǒng)，線路長度為200 km，并且三相循環(huán)換位，如圖3所示。線路采用 frequency dependent (phase) mode模型，該模型可對輸電線路電磁暫態(tài)過程進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。線路兩側(cè)分別用M和N表示。

圖3 PSCAD仿真模型

在運(yùn)行時間為0.5 s時，發(fā)生線路L1相短路故障，0.6 s時斷路器動作跳閘。分別仿真了以下4種情況下的潛供電流，如圖4所示。其中圖c和圖d的高壓電抗器的容量為150 Mvar，中性點(diǎn)小電抗器由式（2）可計(jì)算得到為L=2.866 H。

圖4 潛供電流仿真曲線

對比圖4 a和b可以看到，線路首端發(fā)生故障時產(chǎn)生的潛供電流幅值（48 A） 比中間故障時的潛供電流幅值（45 A）略大，這同理論分析中的結(jié)論一致：潛供電流的電感分量在線路中間發(fā)生故障時會抵消為零，導(dǎo)致潛供電流降低。潛供電流中的電容分量占據(jù)主要比重，電感分量的占比要少很多[5]。因此，二者在電容分量不變的情況下，幅值差距不大。

從圖4 c中可以看到線路上增加高壓電抗器后，對于潛供電流的限制幅度很小。圖4 d中增加了帶中性點(diǎn)小電抗器的高抗后，潛供電流幾乎完全被補(bǔ)償。這也驗(yàn)證了高壓電抗器無法補(bǔ)償相間電容，中性點(diǎn)小電抗器可以有效地補(bǔ)償相間電容，限制潛供電流。

設(shè)故障發(fā)生在線路中間，分別計(jì)算線路長度為50~200 km之間的潛供電流。由圖5可以看出，隨著線路長度的增大，潛供電流也隨之增大，并且其大小與線路長度成正比關(guān)系。正如理論分析中，在電感分量被抵消的前提下，潛供電流大小（只剩下電容分量）與線路長度成正比。

圖5 潛供電流與線路長度關(guān)系曲線

3 實(shí)例應(yīng)用

山西2015年投運(yùn)的500 kV龍城輸變電系統(tǒng)是由500 kV龍城變電站、晉中變電站、云頂山變電站、500 kV龍晉線、龍?jiān)凭€組成的三站二線系統(tǒng)。其中500 kV龍城變電站為本期新建，晉中變電站、云頂山變電站在本期擴(kuò)建，500 kV龍晉線、龍?jiān)凭€為原云晉線π入龍城站而成。線路兩端斷路器沒有安裝并聯(lián)合閘電阻。為了在龍城變電站投運(yùn)之前，確定龍晉線和龍?jiān)凭€的線路兩側(cè)斷路器的最小單相重合閘時間，本文對龍晉線和龍?jiān)凭€進(jìn)行了潛供電流計(jì)算。

計(jì)算方式為山西電網(wǎng)正常運(yùn)行，古交興能電廠停1臺600 MW發(fā)電機(jī)。利用電力系統(tǒng)分析軟件BPA（bonneville power administration）對山西電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)等值，等值網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 龍城輸變電工程投運(yùn)后系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)圖

仿真模型中涉及到的線路參數(shù)主要有龍晉線長度為 39.77 km，主要區(qū)段導(dǎo)線型號為 4× JLHA3-425，平均擋距為346 m；龍?jiān)凭€長度為104.30 km，主要區(qū)段導(dǎo)線型號為4×LGJ-400/35，平均擋距為403 m；龍晉線和龍?jiān)凭€同塔架設(shè)部分長度為29.84 km，地線型號均為OPGW-48B1-155，線路三相采用循環(huán)換位方式，兩條線路的工頻參數(shù)如表1所示。

表1 線路工頻參數(shù)

各變電站之間220 kV及其電壓等級以下的線路阻抗計(jì)算等值到各站之間的互阻抗中。將該等值網(wǎng)絡(luò)在PSCAD中建立。正常運(yùn)行方式下線路的潛供電流和電弧熄滅后產(chǎn)生的恢復(fù)電壓計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 潛供電流與恢復(fù)電壓

見表3，規(guī)程DL/T615—2013《交流高壓斷路器參數(shù)選用導(dǎo)則》給出了無補(bǔ)償線路在不同大小潛供電流下的自滅時限推薦值。

表3 無補(bǔ)償線路的潛供電流自滅時限推薦值

結(jié)合規(guī)程，龍晉線自滅時間推薦值取0.15 s，龍?jiān)凭€自滅時間推薦值取0.45 s；一般認(rèn)為潛供電弧熄滅后，電弧通道的絕緣介質(zhì)復(fù)原周期約0.1 s，同時額外附加0.1 s作為電弧消失裕度保障，則龍晉線的最小單相重合閘時間可按0.35 s考慮，而龍?jiān)凭€的最小單相重合閘時間可按0.65 s考慮。

4 結(jié)束語

根據(jù)理論和仿真計(jì)算，研究結(jié)論如下。

a)潛供電流的電容分量與線路相間電容、線路運(yùn)行電壓以及線路的長度成正比，而與線路故障發(fā)生的位置和相對地電容沒有關(guān)系。電感分量同故障發(fā)生的位置有關(guān)，單相故障位置距離線路兩側(cè)位置越近，電感分量越大；離中間位置越近，電感分量越小。

b)高壓電抗器無法補(bǔ)償相間電容，中性點(diǎn)小電抗器可以有效地補(bǔ)償相間電容，限制潛供電流。

[1]張叔禹，吳集光，曹斌.超高壓輸變電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓分析與PSCAD/EMTDC仿真應(yīng)用 [M].北京：中國水利水電出版社，2014：188-191.

[2]張保會，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù) [M].北京：中國電力出版社，2005：172-174.

[3]李曉華，謝金泉，羅龍波.地區(qū)電網(wǎng)采用不換位架設(shè)方式的高壓輸電線路潛供電流分析 [J].高電壓技術(shù)，2013，39 (6)：1501-1507.

[4]婁穎，戴敏，何慧雯.1 000 kV交流緊湊型輸電線路潛供電流和恢復(fù)電壓計(jì)算分析 [J].高電壓技術(shù)，2011，37(8)：1882-1886.

[5]潘一飛.串補(bǔ)線路潛供電流和恢復(fù)電壓的仿真分析 [J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37(4)：29-34.

Study on Secondary Arc Current of Ultra-high Voltage Transmission Line

YIN Chongzhi,WANG Liang,LIU Xinyuan
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China）

Once single-phase grounding fault emerges in the transmission line,single phase tripping may immediately occur on circuit breaker.Whether secondary arc can be quickly extinguished is a key factor for single-phase reclosing of the circuit breaker.Based on theoretical analysis and simulating calculation,the characteristics of secondary arc current were studied under various conditions, including different locations of fault,different high voltage reactors and lines of diverse length.Eventually,taking the 500 kV power transmission systemof Longcheng as an example,the paper figured out the recommended time of single-phase reclosing.

secondary arc;single-phase reclosing;neutral reactor

TM774+.1

A

1671-0320（2017）03-0018-04

2016-11-19，

2017-04-11

陰崇智（1969），男，山西呂梁人，1991年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行分析及電網(wǎng)建設(shè)管理工作；

王 亮（1989），男，山西呂梁人，2014年畢業(yè)于華北電力大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)試驗(yàn)與研究工作；

劉新元（1986），男，山西汾陽人，2011年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)分析與研究工作。