黃國平,黃華斌
(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局,廣東 佛山 528000;2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局,廣東 廣州 510630)
為減少線路占地面積,降低單位容量線路造價,同塔多回輸電技術(shù)被廣泛采用[1-2]。但多回線路同塔架設(shè)導(dǎo)致導(dǎo)線間距離很近,導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與大地之間存在較強的電磁耦合和靜電耦合[3-7]。當(dāng)部分線路停電檢修時,檢修線路與運行線路之間存在電磁耦合與靜電耦合,將在停電檢修線路上產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流[8-10]。220 kV及以上電壓等級線路同塔架設(shè)時,感應(yīng)電壓更高[11-13]。目前有效降低感應(yīng)電壓的方法就是接地,要求線路兩側(cè)的接地開關(guān)能承受感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流,保障線路檢修工作人員的安全[14]。
目前國內(nèi)關(guān)于輸電線路間電磁耦合干擾的研究主要集中在以下方面:部分各電壓等級下的同塔多回輸電線路停運時,運行線路對停運線路的感應(yīng)電計算;同塔雙回輸電線路一回帶電、一回停電時,線路上感應(yīng)電流和電壓的計算;接地開關(guān)的選型和檢修作業(yè)安全防護研究。國外文獻[15-16]對同塔多回輸電線路感應(yīng)電進行研究計算,得到檢修線路上感應(yīng)電的分布規(guī)律,分析地線接地方式、接地電阻、導(dǎo)線換位等因素對感應(yīng)電的影響。
從國內(nèi)外的文獻中可以看出,對感應(yīng)電的研究,均是通過經(jīng)驗公式、模擬仿真、理論計算等方式進行,并提出了不少控制措施,解決了感應(yīng)電帶來的部分問題[17-23]。但關(guān)于500 kV/220 kV混壓同塔四回輸電線路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流對檢修線路接地開關(guān)的選型技術(shù)要求,目前的研究和建議缺少較全面的系統(tǒng)性分析,對現(xiàn)場工作指導(dǎo)性不足。本文從現(xiàn)場實際情況出發(fā),使用電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP,根據(jù)500 kV換順線(江門換流站至順德站)-220 kV順吉線(順德站至吉安站)同塔四回輸電線路實際運行方式,計算500 kV換順甲乙線和220 kV順吉甲乙線在不同運行方式下,停電檢修線路的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流,依據(jù)計算結(jié)果對500 kV順德站和220 kV吉安站站內(nèi)線路接地開關(guān)改造參數(shù)選擇提出建議,并對接地開關(guān)改造方案進行比較,以確定最優(yōu)方案。
500 kV換順雙回線經(jīng)過經(jīng)濟發(fā)展水平較高的廣東省佛山市順德區(qū)和江門市濱江新區(qū),線路路徑受地方規(guī)劃限制較大,根據(jù)佛山市順德區(qū)政府意見,對220 kV線路走廊進行500 kV/220 kV混壓同塔四回改造,500 kV換順雙回線沿線與220 kV順吉雙回線、220 kV南雁雙回線以及110 kV吉開雙回線有3處混壓四回共塔,如圖1所示。220 kV順吉線全長17.698 km,其中與500 kV換順線同塔四回架設(shè)長度為17.401 km,占總線路長度的98%。
圖1 500 kV換順線路徑Fig.1 Route from 500 kV Jiangmen to Shunde converter stations
500 kV換順線-220 kV順吉線同塔四回輸電線路普通段采用典型的垂直排列雙回路桿塔,如圖2所示。500 kV換順雙回線導(dǎo)線每相采用4xJL/LB1A-720/50型鋁包鋼芯鋁絞線,導(dǎo)線外徑為36.20 mm,直流電阻為0.039 Ω/km,分裂間距為500 mm;220 kV順吉雙回線導(dǎo)線每相采用2xJL/LB1A-630/45型鋁包鋼芯鋁絞線,導(dǎo)線外徑為33.60 mm,直流電阻為0.046 Ω/km,分裂間距為400 mm;雙回路段掛1根48芯的光纖復(fù)合架空地線(optical fibre composite overhead ground wire,OPGW),與其分流的普通地線采用JLB40-150型鋁包鋼絞線,導(dǎo)線外徑為15.75 mm,直流電阻為0.295 Ω/km;四回路段掛2根48芯的OPGW。
圖2 500 kV/220 kV混壓同塔四回輸電線路塔型Fig.2 Tower type diagram of 500 kV/220 kV four-loop mixed voltage transmission line with one tower
同塔多回輸電線路需要考慮電氣不平衡的問題,電氣不平衡涉及零序電壓、電流指標(biāo)和負序電壓、電流指標(biāo),改善線路不平衡的問題應(yīng)綜合考慮各項指標(biāo)。本500 kV換順線-220 kV順吉線同塔四回輸電線路工程已綜合考慮了相序排列、同塔長度、土壤電阻率、回路間距及其他因素對電氣不平衡的影響,并已經(jīng)完成了此輸電線路工程的建設(shè)。在此基礎(chǔ)上,本文分析研究500 kV換順線-220 kV順吉線同塔四回輸電線路在不同運行方式下,檢修線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的特征[1-14]。感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的理論計算一般采用廣義歐姆定律進行計算;但在不同運行方式下,對同塔多回路感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流采用理論公式進行計算較為困難,因此,對500 kV換順線-220 kV順吉線同塔四回線路進行仿真計算,計算模型如圖3所示。
圖3 仿真計算模型Fig.3 Simulation calculation model
輸電線路主力塔型、導(dǎo)地線空間位置和相序如圖4所示,圖4的導(dǎo)地線對地距離均為導(dǎo)地線平均高度,分別以500 kV換流站至500 kV順德站、500 kV順德站至220 kV吉安站為線路的前進方向。線路未加裝高壓并聯(lián)電抗器和中性點小電抗,線路采用π型電路模型,變電站接地網(wǎng)的電阻取0.5 Ω,導(dǎo)線輸送電流取0.9 A/mm2,負荷端的功率因數(shù)取0.9。為便于對不同電壓等級的同塔多回線路進行比較,線路長度均取17 km。計算結(jié)果均為穩(wěn)態(tài)值。
圖4 典型塔型、導(dǎo)地線平均高度及相序布置Fig.4 Schematic diagram of typical tower type, average height of ground wire and phase sequence arrangement
500 kV換順雙回線正常運行送2×2 000 MW潮流、220 kV順吉雙回線正常運行送2×400 MW潮流時,系統(tǒng)的等值參數(shù)和等值阻抗見表1;500 kV換順雙回線“N-1”工況送1×3 600 MW潮流、220 kV順吉雙回線“N-1”工況送1×750 MW潮流時,系統(tǒng)的等值參數(shù)和等值阻抗見表2。表1、表2中,R0、X0分別為系統(tǒng)零序等值電阻和零序等值電抗,R1、X1分別為系統(tǒng)正序等值電阻和正序等值電抗。
利用ATP-EMTP建立輸電線路模型[17-20],輸入完整的線路參數(shù)、電源參數(shù)(包括幅值和相角)、
表1 系統(tǒng)等值參數(shù)和等值阻抗(正常運行)Tab.1 Equivalent parameters and equivalent impedance of the system (in normal operation)
表2 系統(tǒng)等值參數(shù)和等值阻抗(“N-1”工況)Tab.2 Equivalent parameters and equivalent impedance of the system (under “N-1” condition)
系統(tǒng)等值阻抗(包括零序和正序短路阻抗)、網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系及相關(guān)計算控制參數(shù)設(shè)置等進行計算。
計算500 kV換順甲線或乙線在規(guī)劃潮流下(“N-1”工況時送1×3 600 MW,220 kV順吉線雙回路正常運行時送2×400 MW,“N-1”工況時送1×750 MW,220 kV順吉線雙回路均停運)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流值,見表3至表8。
表3 換順甲線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值1Tab.3 Calculated values 1 of induced voltage and induced current of line A from Jiangmen to Shunde converter stations
表4 換順乙線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值1Tab.4 Calculated values 1 of induced voltage and induced current of line B from Jiangmen to Shunde converter stations
表5 換順甲線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值2Tab.5 Calculated values 2 of induced voltage and induced current of line A from Jiangmen converter station to Shunde
表6 換順乙線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值2Tab.6 Calculated values 2 of induced voltage and induced current of line B from Jiangmen converter station to Shunde
表7 換順甲線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值3Tab.7 Calculated values 3 of induced voltage and induced current of line A from Jiangmen to Shunde converter stations
表8 換順乙線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值3Tab.8 Calculated values 3 of induced voltage and induced current of line B from Jiangmen to Shunde converter stations
由表3至表8計算結(jié)果可知,各種運行方式下,500 kV換順線三相靜電感應(yīng)電壓最大為15.2 kV,電磁耦合感應(yīng)電壓最高為6.5 kV,靜電感應(yīng)電流最高為8.1 A,電磁感應(yīng)電流最高為205.6 A。220 kV順吉線雙回運行、單回運行、雙回停運的運行方式下,運行線路對500 kV換順甲乙線的檢修線路感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的影響較小。
計算220 kV順吉甲乙線在規(guī)劃潮流下(500 kV換順線雙回正常運行時送2×2 000 MW,“N-1”工況時送1×3 600 MW,500 kV換順線雙回停運,220 kV順吉線“N-1”工況時送1×750 MW)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流值,見表9至表14。
由表9至表14計算結(jié)果可知,500 kV換順線雙回運行、單回運行對220 kV順吉甲乙線的檢修感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的影響很大。尤其在500 kV
表9 順吉甲線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值1Tab.9 Calculation values 1 of induced voltage and induced current of line A from Shunde to Ji’an converter stations
表10 順吉乙線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值1Tab.10 Calculated values 1 of induced voltage and induced current of line B from Shunde to Ji’an converter stations
表11 順吉甲線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值2Tab.11 Calculation values 2 of induced voltage and induced current of line A from Shunde to Ji’an converter station
表12 順吉乙線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值2Tab.12 Calculated values 2 of induced voltage and induced current of line B from Shunde to Ji’an converter stations
表13 順吉甲線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值3Tab.13 Calculation values 3 of induced voltage and induced current of line A from Shunde to Ji’an converter stations
表14 順吉乙線感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流計算值3Tab.14 Calculated values 3 of induced voltage and induced current of line B from Shunde to Ji’an converter stations
換順線“N-1”工況運行方式下,運行線路對220 kV順吉甲乙線的檢修線路感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的影響更大,順吉線三相靜電感應(yīng)電壓最大為67.09 kV,電磁耦合感應(yīng)電壓最高為5.96 kV;靜電感應(yīng)電流最高為3.99 A,電磁感應(yīng)電流最高為492.99 A。
通過以上仿真計算分析可知:靜電感應(yīng)分量基本不隨運行電流變化(500 kV線路雙回停運除外),電磁感應(yīng)分量隨運行電流增大不斷增大,呈正比例關(guān)系;500 kV線路運行電流變化對220 kV檢修線路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流影響較大,220 kV線路運行電流變化對500 kV檢修線路的影響較小,即高電壓等級線路對低電壓等級線路的影響較大。500 kV單回線路運行比雙回線路運行對220 kV停電線路的電磁感應(yīng)電流的影響更大,且遠大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值,因此必須對500 kV順德站和220 kV吉安站站內(nèi)線路接地開關(guān)進行改造,選擇參數(shù)滿足要求的接地開關(guān)。表15給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的A類和B類接地開關(guān)的額定參考值。
表15 接地開關(guān)額定感應(yīng)電壓和額定感應(yīng)電流的標(biāo)準(zhǔn)值Tab.15 Standard values of rated induced current and rated induced voltage of grounding switches
由于500 kV換順線-220 kV順吉線同塔四回線路的接地開關(guān)需要承受的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流遠遠大于表15中的標(biāo)準(zhǔn)值,需要對線路接地開關(guān)的參數(shù)提出具體要求[21-22]。
考慮留有一定裕度,建議500 kV換順線的接地開關(guān)參數(shù)滿足如下要求:①靜電耦合感應(yīng)電壓為50 kV;②電磁耦合感應(yīng)電壓20 kV;③靜電耦合感應(yīng)電流25 A;④電磁耦合感應(yīng)電流300 A。
建議220 kV順吉線的接地開關(guān)參數(shù)滿足如下要求:①靜電耦合感應(yīng)電壓為100 kV;②電磁耦合感應(yīng)電壓20 kV;③靜電耦合感應(yīng)電流25 A;④電磁耦合感應(yīng)電流600 A。
順德站500 kV線路原有B類接地開關(guān)為平高東芝氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear,GIS)/HGIS類型接地開關(guān),其靜電耦合感應(yīng)電壓為50 kV,靜電耦合感應(yīng)電流為50 A,電磁耦合感應(yīng)電壓為40 kV,電磁耦合感應(yīng)電流為700 A,滿足500 kV換順甲乙線接地開關(guān)的參數(shù)要求。
順德站220 kV線路原有B類接地開關(guān)為山東魯能恩翼帕瓦電機有限公司生產(chǎn)的戶外GIS接地開關(guān),其靜電耦合感應(yīng)電壓為50 kV,靜電耦合感應(yīng)電流為25 A,電磁耦合感應(yīng)電壓為20 kV,電磁耦合感應(yīng)電流為300 A,不能滿足220 kV順吉甲乙線接地開關(guān)的參數(shù)要求,需要進行改造。
吉安站220 kV線路原有接地開關(guān)類型是泰開電氣有限公司生產(chǎn)的戶外GIS接地開關(guān),也不滿足要求,需要進行改造。
舊站改造首先考慮原廠設(shè)備改造,有困難再考慮采用他廠設(shè)備。由于順德站—吉安站均為戶外GIS設(shè)備,對GIS接地開關(guān)改造可采取方案有3種:方案1——拆除站內(nèi)線路TYD型電容式電壓互感器(capacitance type voltage transformer,CVT)(A相)及其基礎(chǔ),在原CVT位置加裝1組敞開式接地開關(guān),原線路CVT重新安裝在GIS出線終端A相套管邊上,接地開關(guān)及CVT基礎(chǔ)新建;方案2——更換GIS出線間隔線路側(cè)快速接地開關(guān);方案3——更換GIS出線間隔。
運維單位、設(shè)計單位、設(shè)備廠家對以上3種方案的安全性、可行性和經(jīng)濟性評估如下:
a)安全性方面:方案2、方案3不改變原有接線形式,方案1同時存在2組接地開關(guān),需完善防誤操作措施。安全性方案2、方案3優(yōu)于方案1。
b)經(jīng)濟性方面:方案2、方案3均涉及GIS設(shè)備改造,方案2的經(jīng)濟性優(yōu)于方案3,但由于原廠家原因,方案2不可行;方案3更換GIS出線間隔需要總經(jīng)費達68萬元(需要單一來源談判招標(biāo),GIS設(shè)備費51萬元,施工安裝費17萬元);方案1拆除站內(nèi)線路CVT(A相)及其基礎(chǔ)需要費用0.85萬元,1組敞開式接地開關(guān)設(shè)備需要費用1.8萬元(包安裝),接地開關(guān)及CVT基礎(chǔ)新建需要費用0.55萬元;方案2、方案3經(jīng)濟性不如方案1。
c)可行性方面:經(jīng)廠家確認方案2不可行,方案3可行但費用很高,方案1較容易實現(xiàn)。方案1可行性優(yōu)于方案2、方案3。
d)經(jīng)綜合比較,推薦采用方案1。
220 kV吉安站的220 kV配電裝置為泰開電氣有限公司生產(chǎn)的戶外GIS接地開關(guān)。220 kV順吉甲乙線電磁感應(yīng)電流最大為492.99 A(5.96 kV),靜電感應(yīng)電壓最大為66.97 kV(3.99 A),拆除站內(nèi)線路CVT(A相)及其基礎(chǔ),在原CVT位置加裝1組敞開式超B類接地開關(guān),原線路CVT重新安裝在GIS出線終端A相套管邊上,接地開關(guān)及CVT基礎(chǔ)新建。
500 kV順德站的220 kV配電裝置為山東魯能恩翼帕瓦電機有限公司生產(chǎn)的戶外GIS接地開關(guān),且220 kV吉安甲乙線避雷器及CVT(A相)在GIS內(nèi)部。220 kV順吉甲乙線電磁感應(yīng)電流最大為491.73 A(5.96 kV),靜電感應(yīng)電壓最大為67.09 kV(3.99 A),在距220 kV吉安甲乙線出線終端套管1.5 m處加裝1組超B類接地開關(guān),其基礎(chǔ)新建。
由于舊站原設(shè)備改造存有許多困難(尤其是GIS設(shè)備的改造),并考慮到500 kV換順線與220 kV順吉線同時停電檢修的幾率非常小,所以討論采用500 kV雙回線路限值運行方式時的接地開關(guān)能承受220 kV順吉線任一回停運的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流,但必須規(guī)定兩側(cè)接地開關(guān)的操作順序。
如限制500 kV換順線雙回正常運行送2×2 000 MW時的220 kV順吉線任一回停電檢修,超B類接地開關(guān)(靜電感應(yīng)電壓100 kV、靜電感應(yīng)電流25 A,電磁感應(yīng)電壓20 kV、電磁感應(yīng)電流600 A)能承受表9、10中的電磁感應(yīng)電流和靜電感應(yīng)電壓,則可通過嚴(yán)格規(guī)定兩側(cè)接地開關(guān)的操作順序來實現(xiàn)只改造線路一側(cè)的接地開關(guān),這樣既經(jīng)濟又安全且可行。由于吉安站比順德站改造方便,只改造吉安站線路側(cè)的接地開關(guān),在滿足表16的條件下,必須嚴(yán)格規(guī)定兩側(cè)接地開關(guān)的操作順序。
表16 吉安站改造的超B類接地開關(guān)須滿足的條件Tab.16 Conditions for the modified super class B grounding switches in Ji’an station
a)順吉甲乙線任一待檢修線路退出運行的操作順序如圖5所示。
圖5 順吉甲乙線任一待檢修線路退出運行操作順序Fig.5 Operation sequence diagram of overhaul and withdrawal of any lines A and B from Shunde to Ji’an converter station
①狀態(tài)1:順吉甲乙線任一待檢修線路兩側(cè)接地開關(guān)等待合閘。此時吉安站側(cè)超B類接地開關(guān)承受靜電感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流和電磁感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的能力滿足要求,順德站側(cè)B類接地開關(guān)承受靜電感應(yīng)電壓的能力不滿足要求,先合上吉安站側(cè)超B類接地開關(guān)。
②狀態(tài)2:順吉甲乙線任一待檢修線路順德站側(cè)B類接地開關(guān)等待合閘。此時順德站側(cè)B類接地開關(guān)承受電磁感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電流的能力滿足要求,再合上順德站側(cè)B類接地開關(guān)。
③狀態(tài)3:順吉甲乙任一待檢修線路兩端接地,退出運行。
b)順吉甲乙任一檢修線路投入運行時的操作順序及圖解如圖6所示。
圖6 順吉甲乙線任一檢修線路投入運行操作順序Fig.6 Operation sequence diagram of any maintenance lines A and B from from Shunde to Ji’an converter station
①狀態(tài)1:順吉甲乙線任一檢修線路兩側(cè)接地開關(guān)等待分閘。此時順德站側(cè)B類接地開關(guān)承受電磁感應(yīng)電流和電磁感應(yīng)電壓的能力滿足要求,先打開順德站側(cè)B類接地開關(guān)。
②狀態(tài)2:順吉甲乙線任一檢修線路吉安站側(cè)超B類接地開關(guān)等待分閘。此時吉安站側(cè)超B類接地開關(guān)承受靜電感應(yīng)電流和靜電感應(yīng)電壓的能力滿足要求,再打開吉安站側(cè)超B類接地開關(guān)。
③狀態(tài)3:順吉甲乙線任一檢修線路投入運行。
a)通過對順德站—吉安站500 kV/220 kV混壓同塔四回輸電線路檢修線路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流仿真分析可知:500 kV線路運行電流變化對220 kV檢修線路產(chǎn)生的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流影響較大,而220 kV線路運行電流變化對500 kV檢修線路的影響較小;500 kV單回線路運行比雙回線路運行對220 kV停電線路的電磁感應(yīng)電流的影響更大。
b)舊站改造首先考慮原廠設(shè)備改造,改造措施有GIS接地開關(guān)改造、敞開式接地開關(guān)改造和加裝超B類接地開關(guān)3種,順德站—吉安站220 kV線路均為GIS接地開關(guān),原廠家改造接地開關(guān)有困難,所以采用在兩側(cè)加裝敞開式超B類接地開關(guān)的方法。
c)舊站原GIS設(shè)備改造存在很大困難,且500 kV換順甲乙線與220 kV順吉甲乙線同時停電檢修的幾率非常小,所以500 kV雙回線路限值運行時,可通過嚴(yán)格規(guī)定接地開關(guān)操作順序來實現(xiàn)只改造線路一側(cè)的接地開關(guān)。由于吉安站比順德站改造方便,只在吉安站側(cè)加裝超B類接地開關(guān),順德站側(cè)采用原接地開關(guān),但必須嚴(yán)格規(guī)定兩側(cè)接地開關(guān)的操作順序。
d)220 kV順吉甲乙線任一線路停電檢修時,假設(shè)500 kV換順線雙回運行出現(xiàn)故障單回跳閘且重合閘失敗,則檢修的220 kV線路將無法承受超過B類的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流,此時順德站側(cè)的B類接地開關(guān)將不滿足開合感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流的要求。因此,在進行舊站原設(shè)備改造時,在充分考慮經(jīng)濟性和可行性時,應(yīng)改造兩側(cè)的接地開關(guān),確保任何情況下的安全性。
e)單側(cè)改造方法已成功應(yīng)用在肇慶—佛山500 kV線路中的蝶嶺—滄江段,由于蝶嶺站線路側(cè)接地開關(guān)承受線路感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流能力不滿足要求,在線路轉(zhuǎn)檢修操作時,必須先合滄江站側(cè)線路接地開關(guān),再合蝶嶺站側(cè)線路接地開關(guān);在線路轉(zhuǎn)投運操作時,則先打開蝶嶺站側(cè)線路接地開關(guān),再打開滄江站側(cè)線路接地開關(guān),按此操作順序確實解決了感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓過大的問題。