陳瑞珍，曾潔，鄧維，魯海亮

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004；2.武漢大學(xué)，湖北武漢4300072)

國內(nèi)用電負(fù)荷與發(fā)電能源分布很不均衡，實現(xiàn)電力南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)資源優(yōu)化配置和能源優(yōu)化供給，是21世紀(jì)中國能源和電力工業(yè)建設(shè)的基本戰(zhàn)略〔1〕。特高壓直流輸電以其功率調(diào)節(jié)的快速靈活、不增加系統(tǒng)的短路容量、可協(xié)助系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、損耗低和占地省等特性〔2〕，在遠距離大容量輸電、異步聯(lián)網(wǎng)方面具有明顯的優(yōu)勢，獲得了廣泛的應(yīng)用〔3－4〕。

線路新建或者改建完成時需要測量其工頻參數(shù)〔5〕，這些參數(shù)是進行電力系統(tǒng)潮流計算、短路電流計算、繼電保護計算和選擇電力系統(tǒng)運行方式的必備參數(shù)，其測量的準(zhǔn)確性關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行〔6－7〕。在直流線路參數(shù)測量過程中，臨近線路間的電磁耦合會使測量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，而隨著輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，出現(xiàn)交直流同塔或共用走廊的情況將越來越普遍〔8－9〕。國內(nèi)學(xué)者對相臨線路間的電磁耦合問題進行了大量的研究，重點分析各種因素對電磁耦合干擾的影響規(guī)律〔10－13〕。探討電磁耦合對交流線路參數(shù)測量造成的影響與抑制措施〔14－15〕，但關(guān)于不同干擾源對測量誤差的影響程度及規(guī)律，并沒有相關(guān)的詳細(xì)闡述。

本文首先通過理論計算與PSCAD輸出結(jié)果的對比，相互驗證理論計算與PSCAD所得線路參數(shù)的準(zhǔn)確性；后建立模型對直流線路參數(shù)過程進行仿真，并以PSCAD所得線路參數(shù)值為參考，通過對比，驗證了本文所建模型的正確性；最后在此基礎(chǔ)上，進一步探討了不同干擾對直流線路參數(shù)測試準(zhǔn)確度的影響程度與影響規(guī)律。

1 線路參數(shù)理論計算及仿真計算對比

1.1 理論計算

線路按傳輸線分布參數(shù)模型考慮，其工頻參數(shù)主要包括單位長度電阻、電感、電容、耦合電容、耦合電感等。對于單位長度電阻、電感、耦合電感的理論計算，可利用Carson公式〔16〕，其可用于求解平行架空線的單位自阻抗和互阻抗，得到的結(jié)果精度較高，但因公式中含有無限積分，計算比較復(fù)雜。此處采用L.M.Wedepoh1等人給出的單位長度傳輸線路原始參數(shù)的近似計算公式〔17－18〕。

架空線路多導(dǎo)體傳輸線單位長度自阻抗為

架空線路多導(dǎo)體傳輸線單位長度互阻抗為

單位長度電容、耦合電容的理論值可通過電位系數(shù)矩陣求逆得到，單位長度并聯(lián)導(dǎo)納矩陣〔19〕為

ρc為導(dǎo)線自電阻率；ρg為導(dǎo)線互電阻率；ri為導(dǎo)體i的半徑；μ0為空氣導(dǎo)磁系數(shù)；ε0為空氣介電常數(shù)； ω為角頻率； xi、xj、 yi、yj為導(dǎo)體 i空間位置坐標(biāo)。

1.2 仿真計算對比

在PSCAD中，當(dāng)線路的物理幾何參數(shù)確定后，可在輸出文件Tline-out中得到線路電氣參數(shù)。為驗證PSCAD自身計算所得線路參數(shù)的準(zhǔn)確性，利用MATLAB對上節(jié)公式進行數(shù)學(xué)編程，將理論計算結(jié)果與軟件計算結(jié)果進行對比驗證。

以PSCAD中自帶模型及其默認(rèn)物理參數(shù)為例，計算時選用雙輸電線模型，無地線，導(dǎo)線對地高度30 m，弧垂為0 m，相間間距10 m，導(dǎo)線無分裂，導(dǎo)體半徑取0.020 345 4 m，導(dǎo)體直流電阻取0.032 06 Ω/km，結(jié)果對比見表1。

表1 理論計算與軟件計算結(jié)果

從上表可以看出，線路模型確立后，PSCAD所得線路參數(shù)，與理論計算結(jié)果基本一致，因此，可將此值作為無干擾時線路參數(shù)測試的參考值。

2 直流線路工頻參數(shù)測試

2.1 工頻參數(shù)測試

2.1.1 兩相正序測試方式

末端開路時，在首端施加工頻、相角互差180°的兩相對稱電源，測得線路首端兩相的電壓相量求得其開路阻抗如圖1所示。

圖1 兩相正序測試方式

2.1.2 兩相零序測試方式

將正負(fù)極直流線路并聯(lián)進行測試，首端短接，末端短接不接地，如圖2所示，首端和大地之間施加工頻單相電壓，測得線路首端兩相的電壓相量UO2，電流相量IO2，求得其開路阻抗ZO2＝UO2/IO2。

圖2 兩相零序測試方式

圖2中末端短路接地，測得線路首端兩相的電壓相量US2，電流相量IS2，求得其短路阻抗ZS2＝US2/IS2。

將兩種測試方式下所得開路阻抗、短路阻抗進行處理，即可到線路在工頻下的單位長度參數(shù)。

2.2 測量數(shù)據(jù)處理

輸電線路的分布參數(shù)模型如圖3所示:

圖3 輸電線路的分布參數(shù)模型

其端口電壓電流滿足〔20〕:

末端開路時，I2＝0，則首端開路阻抗Zo＝Zccth(γD)；末端短路時，U2＝0，則首端短路阻抗Zs＝Zcth(γD)。

式中γ＝zy為傳輸常數(shù)；為特征阻抗；z為單位長度阻抗，y為單位長度導(dǎo)納。

將z、y用開路阻抗Zo與短路阻抗Zs表示，則有:

通過上式即可求得不同測試方式下的單位長度阻抗與導(dǎo)納，然后通過實部、虛部的對比即可得到電阻、電感、電容參數(shù)。

3 參數(shù)測試仿真驗證

采用PSCAD電磁暫態(tài)軟件對直流線路參數(shù)過程進行仿真。以文獻 〔21〕中線路為例，暫不考慮交流線路的影響，只對被測直流線路進行建模，極導(dǎo)線采用4×ACSR—720/50，分裂間距450 mm，子導(dǎo)線半徑18.12 mm，直流電阻0.039 84 Ω/km，極導(dǎo)線之間間距14 m，平均對地高度17 m；地線采用 GJ—80，地線半徑 5.7 mm，直流電阻2.482 Ω/km，地線水平布置，兩地線間距10 m，平均對地高度27 m，如圖4所示。

圖4 直流線路參數(shù)測試模型

測量兩種測試方式下首端開路 (短路)的電壓、電流；經(jīng)過FFT模塊提取其工頻信號，則可得到工頻開路 (短路)電壓、電流相量，求得其開路阻抗、短路阻抗，后經(jīng)過數(shù)學(xué)處理，得到被測直流線路單位長度電阻r、自感l(wèi)、互感m、自電容c0、互電容c，并將其參數(shù)測試仿真所得結(jié)果與參考值進行對比見表2所示。

表2 直流線路參數(shù)測試仿真結(jié)果

結(jié)果表明:無干擾情況下，所得測試結(jié)果與參考值非常接近，最大誤差不超過1%，地線的存在不影響參數(shù)測量的準(zhǔn)確性。說明了采用PSCAD模擬參數(shù)測試過程的可行性，驗證了本文所建模型的正確性。因此，可在此基礎(chǔ)上進一步探討臨近線路的干擾對參數(shù)測試準(zhǔn)確度的影響。

4 干擾引起的誤差分析

4.1 交流線路運行電流的影響

以文獻 〔21〕中線路為例，直流線路參數(shù)同上節(jié)，交流導(dǎo)線采用4×LGJ—400/35，分裂間距450 mm，子導(dǎo)線半徑 13.41 mm，直流電阻為0.073 89 Ω/km，相線水平布置，相間距13 m，相線平均對地高度18 m；地線采用GJ—80，地線半徑5.7 mm，直流電阻2.482 Ω/km，地線水平布置，兩地線間距11 m，平均對地高度28 m。交直流線路平行架設(shè)，空間布置如圖5所示。

圖5 平行交、直流線路空間布置

交流線路線電壓500 kV，線路并行長度15 km，接近距離100 m。調(diào)整交流線路電流為0.25 kA，0.75 kA，1.25 kA，在不同干擾條件下進行線路參數(shù)測試的仿真，與無干擾時測試所得線路參數(shù)對比，結(jié)果見表3。設(shè)定條件下所測得的線路參數(shù)整體趨勢為:電阻偏小，自感偏大，互感偏大，自電容偏大，互電容偏小。交流電壓保持不變時，隨著交流線路電流的增大，電阻參數(shù)與電感參數(shù)的誤差增大，但所測得的電容參數(shù)變化很小，幾乎不受電流變化的影響。因被測線路上的感應(yīng)電流主要是通過線路間的感性耦合產(chǎn)生的，交流線路電流的變化，使被測線路感應(yīng)電流大小改變并反映在感性參數(shù)的測量結(jié)果中，影響電感參數(shù)與電阻參數(shù)的測量。

表3 交流線路運行電流對參數(shù)測試的影響

4.2 交流線路運行電壓的影響

交流線路線電流保持1 kA，改變交流線路電壓為110 kV、500 kV、1 000 kV，在不同干擾條件下，對線路參數(shù)測試進行仿真，并與無干擾時測試所得線路參數(shù)對比，結(jié)果見表4。由結(jié)果對比可以看出設(shè)定條件下，所測得的線路參數(shù)整體趨勢相同。實際上，任意改變交流線路的參數(shù)及交直流線路的相對位置，所測參數(shù)的總體趨勢不會改變，即存在交流耦合干擾時，所測得的線路參數(shù)電阻偏小，自感偏大，互感偏大，自電容偏大，互電容偏小。

交流線路電流保持不變時，隨著交流線路電壓的增大，電容參數(shù)的誤差增大，但所測得的電阻參數(shù)與電感參數(shù)變化很小，幾乎不受電壓變化的影響。由于線路之間的感應(yīng)電壓主要是通過線路間的容性耦合產(chǎn)生的，因此，交流線路電壓變化時，被測線路上的感應(yīng)電壓大小改變，最終反映在參數(shù)測試中的電容量的變化，影響電容參數(shù)的測量。

表4 交流線路運行電壓對參數(shù)測試的影響

4.3 交、直流線路并行位置的影響

直流線路總長15 km，將交直流并行長度改為3 km，改變交流線路與直流線路的并行位置 (首端、中間、末端)，如圖6所示。

圖6 交直流線路并行位置

其他參數(shù)保持不變，對線路參數(shù)測試進行仿真，并與無干擾時測試所得線路參數(shù)對比，結(jié)果見表5。可以看出，其他條件不變時，交、直流線路并行位置的變化不會造成參數(shù)測試誤差的變化。

表5 交、直流并行位置對參數(shù)測試的影響

5 結(jié)論

本文建立仿真模型模擬直流線路參數(shù)測試過程，通過對比予以驗證，而后研究了平行架設(shè)的交流線路運行狀態(tài)、交直流線路相對位置對被測線路參數(shù)測試誤差的影響，得出以下結(jié)論:

1)交流線路的耦合干擾對被測直流線路造成的誤差總體趨勢為:電阻偏小，自感偏大，互感偏大，自電容偏大，互電容偏?。?)交流線路運行電流的改變不影響線路電容參數(shù)的測試誤差，交流線路運行電壓的改變不影響線路電阻、電感參數(shù)的測試誤差；3)交、直流線路并行位置的改變不影響線路參數(shù)的測試誤差。

〔1〕趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù) 〔M〕.北京:中國電力出版社，2004.

〔2〕詹奕，尹項根.高壓直流輸電與特高壓交流輸電的比較研究〔J〕.高電壓技術(shù)， 2001， 27(4):44-46.

〔3〕曾南超.高壓直流輸電在我國電網(wǎng)發(fā)展中的作用 〔J〕.高電壓技術(shù)，2004，30(11):11-12.

〔4〕舒印彪.中國直流輸電的現(xiàn)狀及展望 〔J〕.高電壓技術(shù)，2004，30(11):1-2，20.

〔5〕電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn):GB 50150—2006.〔S〕.北京:中國計劃出版社，2006.

〔6〕石東源，李銀紅，段獻忠，等.電力系統(tǒng)故障計算中互感線路的處理 〔J〕.中國電機工程學(xué)報，2002，22(7):58-61.

〔7〕秦文龍.輸電線路參數(shù)測量的研究 〔D〕.成都:西南交通大學(xué)，2011.

〔8〕劉振亞.特高壓電網(wǎng) 〔M〕.北京:中國經(jīng)濟出版社，2005.

〔9〕劉振亞.特高壓直流輸電技術(shù)研究成果專輯 〔M〕.北京:中國電力出版社，2005.

〔10〕朱藝穎，咼虎，孫栩，等.單回±800 kV直流線路與雙回500 kV交流線路同塔架設(shè)的電磁暫態(tài)仿真研究 〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(11):217-221.

〔11〕吳馳，張龍偉，朱軍，等.共走廊同塔交直流輸電線路電磁耦合分量的計算分析 〔J〕.中國電力，2013，46(4):43-47.

〔12〕李新年，蔣衛(wèi)平，李濤，等.交流線路對平行架設(shè)特高壓直流線路的影響及限制措施 〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(11):1-6.

〔13〕周沛洪，修木洪，聶定珍.同廊道架設(shè)交直流線路的相互影響〔J〕.高電壓技術(shù)，2003，29(9):5-7，28.

〔14〕焦陽.輸電線路工頻參數(shù)抗干擾測量方法研究 〔D〕.保定:華北電力大學(xué)，2005.

〔15〕郭守賢，王貽平，程晉明.輸電線路工頻參數(shù)抗干擾測量研究〔J〕.高電壓技術(shù)，1999， 25(2):82-84.

〔16〕 Carson J.R.Wave propagation in overhead wires with ground return 〔J〕.Bell System Technical Journal， 1926， (5):539-554.

〔17〕 Deri A.， Tevan G.， Semlyen A.， et al.The Complex Ground Return Plane a Simplified Model for Homogeneous and Multi-Layer Earth Return 〔 J〕.PowerApparatusand Systems， IEEE Transactions on， 1981， PAS-100(8):3686-3693.

〔18〕 Wedepohl L.M.， Wilcox D.J.Transient analysis of underground power-transmission systems.System-model and wave-propagation characteristics 〔J〕.Electrical Engineers， Proceedings of the Institution of， 1973， 120(2):253-260.

〔19〕 Chopra N.， Gole A.M.， Chand J.， et al.Zero sequence currents in AC lines caused by transients in adjacent DC line 〔J〕.Power Delivery， IEEE Transactions on， 1988， 3(4):1873-1879.

〔20〕楊憲章.工程電磁場 〔M〕.北京:中國電力出版社，2007.

〔21〕邵方殷.交流線路對平行接近的直流線路的工頻電磁感應(yīng)〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(12):59-63，68