潛供電流影響因素的研究

欒鵬飛 李含善

(內蒙古工業大學電力學院,內蒙古 呼和浩特 010051)

據統計,超高壓輸電線路的故障90%以上是單相接地故障[1],而單相接地故障中有大部分是瞬時性故障.研究表明,單相自動重合閘是否成功在很大程度上取決于故障點的潛供電流大小和恢復電壓幅值及其上升速度.由于特高壓輸電線路電壓高,線路長,相間電容和互感數值大,導致潛供電弧燃燒時間較長,使單相自動重合閘的成功率大幅降低,對系統危害大.

1 潛供電流

在超高和特高壓電網中,為了限制空載線路重合閘過電壓,常采用單相重合閘操作.當系統的一相因單相接地故障而被切除后,由于相間互感和相間電容的耦合作用,被切除的故障相在故障點仍流過一定數值的接地電流,即潛供電流.潛供電流由容性和感性兩個分量組成.對于潛供電流,我國大多采用并聯電抗器加中性點小電抗的方法進行抑制.設LM、LN為并聯電抗器及中性點小電抗的電感.

2 潛供電流的分量

2.1 潛供電流容性分量表達式

本文從線路兩端裝設并聯電抗器加中性點小電抗入手,從而推出潛供電流容性分量表達式.潛供電流容性分量的計算電路如圖1所示.其中,L1、L2分別為線路首、末兩端補償時的等效相間電感(H);C0為線路單位長度相間電容(F/km);l是線路的長度.

圖1 無補償時潛供電流容性分量計算電路

由潛供電流容性分量的定義知,其計算公式為

式中,l3為首、末端補償的并聯等效相間電感,表示為

當線路首端補償時,L3=L1;當線路末端補償時L3=L2;當線路兩端無補償時,L1=L2=∞,則L3=∞.

2.2 潛供電流感性分量表達式

線路兩端補償時潛供電流感性分量計算電路圖如圖2所示.假設故障發生在距離首端x處.C1為故障相對地的電容(F/km);L0為線路單位長度自感(H/km),L1和L2分別為線路首、末端補償等效對地電感(H);is L1和is L2為以故障點為界前后兩端故障相線路上的感性分量(kA);eM1和eM2分別以故障點為界前后兩端非故障相線路產生的感應電動勢(kV).潛供電流的感性分量為isL=isL1-isL2.

圖2 兩端補償時潛供電流感性分量

根據電路中的霍爾電流定律和疊加原理,從圖中可推導出潛供電流感性分量的計算公式如下:

式中,M為線路單位長度互感(H/km);X1和 X2為中間變量,分別為

對于不同的補償方式,X1和X2的表達式各不相同,具體為:

線路末端補償時

線路首端補償時

則線路中潛供電流的總公式為:

3 加速潛供電流熄滅的措施

從國內外的輸電線路運行記錄統計結果看,超高壓、特高壓輸電線路的故障90%以上是單相接地故障,而單相接地故障中有70%～80%為“瞬時性”故障.為了提高系統的穩定性和可靠性,現在的工程往往使用單相重合閘.為了使單相重合閘能夠成功地動作,就要使潛供電流以及恢復電壓要小.

目前用于熄滅潛供電弧的方法主要有使用快速接地開關(HSGS)和并聯電抗器中性點接小電抗2種.所有用于熄滅潛供電弧的方法均可歸結為降低潛供電流的幅值,進而減少電弧燃燒的時間[2].本文只介紹一下用并聯電抗器中性點接小電抗的方法來抑制潛供電流.

3.1 并聯電抗器中性點加小電抗

由上述所知,故障相單相斷開后,健全相與故障相之間的靜電耦合在故障相的接地弧產生潛供電流的橫分量,而接地磁耦合在接地弧道上形成潛供電流的縱分量.潛供電流主要取決于橫分量的大小.顯然,當線路上并聯電抗器補償不帶中性點小電抗時,并聯電抗器對相間電容不能達到近似全補償效果,即不能有效地達到加速潛供電流熄滅的目的.而且電抗器與線路對地電容可能發生并聯諧振,導致斷開相出現諧振過電壓.并聯電抗器帶中性點小電抗的補償方式可以有效解決以上矛盾.并聯電抗器中性點帶小電抗接在線路中如圖3所示.

3.2 并聯電抗器中性點小電抗的公式

圖3 并聯電抗器中性點帶小電抗接線圖

為了抑制潛供電流,在線路上增設了中性點帶小電抗的并聯電抗器.在線路上增設中性點小電抗的目的有兩個:①控制潛供電流;②抑制線路諧振過電壓.因此,小電抗的值一定要取恰當值,否則會引起線路發生諧振,從而影響線路的正常運行.因此,本文簡單介紹中性點小電抗的取值.

設LM、LN為并聯電抗器及中性點小電抗的電感,其等效到輸電線路側的相間電感L12和對地電感L11分別為[2].

為了完全抑制潛供電流,本文使相間電感L12和相間電容C發生并聯諧振,根據電路知識求得:

式中:X12=wL12,XC=1/wC.

在實際工程中,為了避免產生并聯諧振,通常使實際值略小于上述所求的值.

4 影響潛供電流容性分量的因素

影響潛供電流的因素很多,如風力及風速、空氣的溫度和濕度、線路換位方式及補償方式、線路相間的距離等.本文利用仿真軟件Matlab仿真分析了線間距離對潛供電流的影響.

4.1 線間距離對潛供電流容性分量的影響

本文以已經投運的海南聯網工程為例,分析了不同的補償方式以及線間距離對潛供電流的影響.海南聯網工程采用500 kV交流架空線路與海底電纜混合輸電方式,其中海底電纜長31 km,架空線路分為兩段,長度分別為14.5km和127km[5].海南聯網工程示意圖如圖4所示.

由于海底電纜三相距離較遠,相間基本不存在互感,以及海底電纜基本上無相間電容耦合,所以潛供電流很小.因此,本文不再考慮海底電纜這部分的潛供電流,只考慮架空線上的潛供電流.本文以港城-南嶺這段的架空線為例,來介紹線間距離對潛供電流容性分量的影響.

在無補償的情況下,根據公式(8)和(9)可知,潛供電流容性分量的有效值隨線間距離變化的曲線如圖5所示.從圖5計算結果中可知,線間距離與潛供電流容性分量成相反變化規律,線間距離越遠則潛供電流的容性分量就越小.

圖4 海南聯網工程示意圖

圖5 無補償時線間距離對潛供電流容性分量的影響

4.2 補償方式對潛供電流容性分量的影響

潛供電流容性分量不僅受到線間距離的影響,也與補償方式有關.不同的補償方式對抑制潛供電流的效果是不一樣的.但不同的補償方式卻對潛供電流容性分量的抑制效果差不多.潛供電流容性分量在不同補償方式下的的變化曲線如圖6～8所示.

圖6 首端補償時線間距離對潛供電流容性分量的影響

4.3 仿真結果分析

圖5給出了線路無補償時潛供電流容性分量的大小.在線間距離為10 m時,且在線路無補償時,潛供電流的容性分量遠遠大于感性分量,起主要作用.所以,潛供電流的大小約為容性分量,這樣大的潛供電流使得潛供電弧燃燒時間很長,如果不及時熄滅,將造成單相自動重合閘失敗,從而影響供電安全以及系統穩定.

從圖6和圖7知,線路單端補償(首端補償或末端補償)潛供電流容性分量的大小是一樣的,這是因為當線路單端補償時,只影響潛供電流的感性分量,而不影響潛供電流的容性分量.也就是說在線路有補償(兩端、末端和首端補償)時,潛供電流的容性分量數值很小,這是因為在并聯電抗器補償度小于1時,一般按相間全補償原則,選擇小電抗使得容性分量沒有回路.所以,在線路有補償時,由于容性分量很小,線路中的潛供電流主要受感性分量的影響.

5 結 論

研究表明,單相重合閘是否成功在很大程度上取決于故障點的潛供電流大小和恢復電壓[3-4].因此,當線路發生單相接地故障時,線路中的潛供電流是不容忽視的.

(1)在無補償的情況下,潛供電流的大小主要取決于潛供電流的容性分量.但當線路處于兩端補償、首端補償以及末端補償時,線路中的潛供電流容性分量幾乎為零.所以,這時潛供電流的感性分量起主要作用.

(2)當線路處于首端補償和末端補償時,它們對抑制潛供電流容性分量的效果是一樣的.這是因為,潛供電流的容性分量與并聯電抗器的補償位置無關.

(3)線路中潛供電流的感性分量與并聯電抗器的補償方式有關,而且也與線路對地距離成反比.

[1］陳 政,康 義,馬怡情.廣東-海南交流聯網工程無功補償及電磁暫態研究[J].電網技術,2009(19):20-38.

[2］Mallat S.A Theory for Multire solution Signal Decomposition:The Wavelet Representation[J].IEEE T rans.on Pattern Anal and Machine Intell,1989,11(7):674-693.

[3］Anderson J G.超高壓輸電線路[M].北京:水利電力出版社,1979.

[4］商立群,施 圍.快速接地開關熄滅同桿雙回輸電線路潛供電弧的研究[J].電工電能新技術,2005,24(2):5-6.

[5］廣東-海南500 kV交流跨海聯網工程無功補償及電磁暫態研究[J].電網技術,2009,33(19):1-3.