基于emp-rv的直流輸電線路過電壓水平仿真研究

基于emp-rv的直流輸電線路過電壓水平仿真研究

0直流線路仿真計算模型錦屏-江蘇-800kv直接供電工程是國家電網(wǎng)公司通過未經(jīng)家水庫-南匯800kv直接供電工程后，建設(shè)的第二個高效、高壓直輸工程。為了能充分發(fā)揮特高壓直流輸電工程長距離、大容量輸電的優(yōu)勢,經(jīng)過全面的研究和論證,國家電網(wǎng)公司決定將錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程的雙極額定輸送容量由原計劃的6400MW增加到7200MW,額定直流電流由原計劃的4000A調(diào)整到4500A,額定運行直流電壓保持±800kV不變,每極仍采用2個12脈動換流器串聯(lián)。所選取的導(dǎo)線由原計劃的6×LGJ-720/50改為6×LGJ-900/40。受國家電網(wǎng)公司委托,中國電力科學(xué)研究院于2005年曾經(jīng)對±800kV直流輸電工程過電壓及絕緣配合進(jìn)行了研究,研究成果已經(jīng)應(yīng)用到了±800kV向家壩—南匯直流輸電工程設(shè)計當(dāng)中?？紤]到錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程的額定輸送容量、輸送距離及桿塔參數(shù)均與向家壩—南匯直流輸電工程不同,因此有必要對錦屏—蘇南直流輸電工程的直流線路進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真研究。高壓直流輸電的一個顯著特點就是可以通過快速調(diào)節(jié)兩端換流器的觸發(fā)角,控制直流系統(tǒng)的電壓和電流,并將故障對設(shè)備的影響降到最低,因此可以得出直流輸電系統(tǒng)的性能極大地依賴于它的控制系統(tǒng)的結(jié)論。由于直流輸電控制保護(hù)在故障或操作發(fā)生后幾毫秒內(nèi)即能動作,在對直流系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部過電壓研究時,應(yīng)當(dāng)考慮控制保護(hù)的動作特性。在進(jìn)行直流線路對地故障的仿真研究中發(fā)現(xiàn),整流側(cè)移相過程對仿真計算結(jié)果的影響很大,因此本文參考常規(guī)直流輸電工程的整流側(cè)移相過程和故障波形,在2種導(dǎo)線分裂間距下對線路內(nèi)部過電壓和沿線接地短路電流兩部分分別針對2種導(dǎo)線分裂間距進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真研究,仿真計算模型中采用的參數(shù)是錦屏—蘇南特高壓直流輸電工程的具體參數(shù)。仿真計算工具采用電磁暫態(tài)計算軟件EMTP-RV。1在不同的錯誤下，永昌線的內(nèi)部過載1.1仿真結(jié)果分析在特高壓直流系統(tǒng)雙極平衡和單極金屬回線2種運行方式下,本節(jié)對可能引起直流線路出現(xiàn)過電壓的故障進(jìn)行仿真計算,并對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和分析。當(dāng)直流線路導(dǎo)線分裂間距分別為50cm和45cm時,仿真研究各種故障下的直流線路內(nèi)部過電壓,并在額定運行方式和0.1pu運行方式下比較各種故障情況下的仿真結(jié)果。1.2桿塔接地電阻仿真計算直流系統(tǒng)雙極平衡運行方式下,當(dāng)發(fā)生以下故障時,可能會在直流線路整流側(cè)、逆變側(cè)和線路中點出現(xiàn)過電壓:1)線路中點發(fā)生對地短路故障;2)逆變側(cè)不投旁通對緊急停運;3)直流系統(tǒng)先閉鎖再跳最后一個斷路器;4)最后一個斷路器跳開10ms后直流系統(tǒng)再閉鎖。對于以上故障,分別在輸送額定運行功率和0.1pu運行功率下對直流線路進(jìn)行仿真研究,借鑒交流線路桿塔工頻接地電阻值,即當(dāng)大地電阻率不大于100?·m時,接地電阻不宜超過10?,因此本文認(rèn)為桿塔接地電阻為10?。另外經(jīng)調(diào)研得知,目前投運的±500kV直流輸電線路桿塔的接地電阻也在5~15?范圍內(nèi)。表1為雙極平衡運行方式下的直流線路過電壓的仿真計算結(jié)果,其中括號外的值是在分裂間距為50cm時計算得出的,括號內(nèi)的值是在分裂間距為45cm時計算得出的,對于線路中點故障,斜線左邊為故障極數(shù)值,斜線右邊為非故障極數(shù)值。從表1可以看出,在雙極平衡運行方式下,對分裂間距為50cm的直流線路過電壓進(jìn)行仿真計算的結(jié)果表明,靠近整流側(cè)的直流線路最大暫態(tài)電壓、靠近直流線路中點的最大暫態(tài)電壓和靠近逆變側(cè)的直流線路最大暫態(tài)電壓均出現(xiàn)在額定功率逆變側(cè)不投旁通對緊急停運中,分別為1276kV、1454kV和1383kV。對分裂間距為45cm的直流線路過電壓進(jìn)行仿真計算的結(jié)果表明,靠近整流側(cè)直流線路最大暫態(tài)電壓、靠近直流線路中點最大暫態(tài)電壓和靠近逆變側(cè)直流線路最大暫態(tài)電壓均出現(xiàn)在額定功率逆變側(cè)不投旁通對緊急停運中,分別為1274kV、1422kV和1377kV。圖1為直流導(dǎo)線分裂間距為50cm時,雙極額定功率運行直流線路中點發(fā)生接地故障時的波形。1.3直流線路各點是否出現(xiàn)現(xiàn)場問題直流系統(tǒng)單極金屬回線運行方式下,當(dāng)發(fā)生以下故障時,直流線路整流側(cè)、逆變側(cè)和線路中點會出現(xiàn)過電壓。本節(jié)對以下幾種故障進(jìn)行了仿真計算:1)逆變側(cè)直流線路出口發(fā)生對地短路故障;2)逆變側(cè)直流線路中點發(fā)生對地短路故障。計算中考慮線路輸送額定功率的情況,桿塔接地電阻按照10?來考慮。表2為單極金屬運行方式下直流線路過電壓的仿真計算結(jié)果,其中括號外的值是在分裂間距為50cm時計算得出的,括號內(nèi)的值是在分裂間距為45cm時計算得出的。從表2可以看出,直流線路各點未出現(xiàn)過電壓。以上計算結(jié)果表明,直流線路沿線最大暫態(tài)過電壓出現(xiàn)在逆變側(cè)不投旁通對緊急停運時靠近直流線路中點處,當(dāng)導(dǎo)線分裂間距為50cm時,線路中點電壓為1454kV,當(dāng)導(dǎo)線分裂間距為45cm時,線路中點電壓為1422kV。如不考慮該種故障形式,則直流線路沿線最大暫態(tài)過電壓出現(xiàn)在0.1pu功率下,線路中點故障且導(dǎo)線分裂間距為50cm時,非故障極線路中點為1308kV,線路中點故障且導(dǎo)線分裂間距為45cm時,非故障極線路中點電壓為1308kV。根據(jù)錦屏—蘇南直流輸電工程的初步設(shè)計方案,受端交流出線有4條,而額定雙極輸送容量為7200MW又比較大,因此在額定運行情況下不可能出現(xiàn)只有一回出線運行的情況,從而不可能出現(xiàn)最后一個斷路器跳閘的情況。另外本文對輸送0.1pu負(fù)荷的情況下最后一個斷路器跳閘的情況進(jìn)行了仿真計算,直流線路上未出現(xiàn)過電壓。鑒于以上原因,從限制系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的角度來說,可以不考慮最后一個斷路器跳閘的情況。2直流線路暫態(tài)電壓分析本文通過模擬直流工程雙極額定運行方式下線路沿線各點的接地故障,對直流線路沿線各點最大過電壓進(jìn)行了仿真研究,研究中導(dǎo)線分裂間距選用50cm,桿塔接地電阻選用10?。本文將直流線路分為30段,靠近線路中部分段較多,最小段距離為10km,靠近線路兩端分段較少,最大段距離為100km。從整流側(cè)出口沿直流線路每段間均進(jìn)行線路接地故障仿真計算(共31處),記錄故障期間故障極和非故障極直流線路暫態(tài)過電壓最大值及最大值所在位置,詳細(xì)研究直流線路沿線過電壓的分布情況。圖2給出了直流線路沿線過電壓水平的包絡(luò)線。研究結(jié)果表明,直流線路上中點對地故障引起的折反射電磁波在線路中點的疊加使直流線路中點發(fā)生接地故障時,非故障極線路中點過電壓水平最高,其值為1283kV,即1.57pu,距離線路中點2km外,過電壓水平降為1242kV,即1.52pu,距離中點100km外,過電壓水平降到1230kV以下,即1.5pu。3直流電線路短路電流建模與分析本文針對直流工程雙極額定運行方式下線路沿線各點發(fā)生接地故障時的短路電流進(jìn)行了仿真研究,研究中導(dǎo)線分裂間距選用50cm,桿塔接地電阻選用10?。與進(jìn)行直流線路沿線過電壓的研究結(jié)果相同,將直流線路分為30段,靠近線路中部分段較多,最小段距離為10km,靠近線路兩端分段較少,最大段距離為100km,共在31處進(jìn)行對地故障的模擬?？紤]到雙極平衡運行與單極大地回線運行方式下的短路電流基本相同,而單極金屬回線方式下短路電流比雙極平衡運行時略低,本節(jié)選擇在雙極平衡運行方式下對直流線路沿線對地故障短路電流進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,整流側(cè)出口發(fā)生線路接地故障時,因短路電流不流經(jīng)直流線路直接入地,短路電流最大,其值為9.16kA。除整流側(cè)出口外,線路其它各點發(fā)生故障時,短路電流最大值為8.02kA,最小值為5.16kA。除直流線路整流側(cè)出口對地故障外,其它線路各點短路電流變化的總體趨勢是隨故障點距離逆變側(cè)距離的縮短,短路電流幅值略有上升,這主要是因為直流線路電容上積蓄的電荷向短路點放電。圖3為直流線路不同位置接地故障時短路電流的包絡(luò)線。4考慮工程參數(shù)對內(nèi)電壓的影響1)將錦屏—蘇南特高壓直流輸電線路電磁暫態(tài)研究結(jié)果與向家壩—南匯特高壓直流輸電線路電磁暫態(tài)研究結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),直流線路的過電壓水平與線路長度、導(dǎo)線型號和桿塔參數(shù)、桿塔接地電阻、輸送容量、平波電抗器、直流濾