特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行特性分析

特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行特性分析

0特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性半波長通信技術是指電壓距離接近1個工頻半波，即3000km（50hz）的超級短距離通信技術。與傳統(tǒng)交流輸電方式相比,半波長輸電線路不需要安裝無功補償裝置,不需加設中間開關站,過電壓水平不高,一般不超過中等距離的交流輸電線路。近年來,全球應對氣候變化挑戰(zhàn),特高壓半波長交流輸電技術受到國內外學者和專家的廣泛關注。研究特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)中輸電線路的穩(wěn)態(tài)特性,對于未來將該技術應用于實際工程,解決我國目前面臨的能源結構問題,有著重要的科學價值和潛在的應用前景。本文首先從多導體傳輸線理論入手,結合我國特高壓交流輸電工程的實際情況,建立半波長交流輸電系統(tǒng)的電路模型。然后基于所建模型,分析空載、輕載、匹配、重載等負載特性對輸電線路沿線電壓、電流、線路損耗、電暈損耗的影響。最后研究半波長輸電系統(tǒng)受端分別接感性負載和容性負載2種情況下,功率因數(shù)對傳輸線路沿線電壓、電流的影響。1多導電傳輸線非線性模型由于半波長交流輸電線路的長度與工作波長可以比較,為了保證輸電線路沿線電壓、電流分析的正確性,不能夠再使用集總參數(shù)電路模型,必須采用分布參數(shù)電路模型。為了便于分析,在此應用均勻傳輸線模擬半波長輸電線路,即傳輸線單位長度的電感、電阻、電容、電導沿線是均勻分布的。根據多導體傳輸線理論、電磁場理論,結合我國特高壓交流輸電工程線路及輸變電設備的實際情況,基于導線水平和三角2種排列方式,考慮趨膚效應、大地有限電導率、電暈損耗及線路的循環(huán)換位等因素對半波長輸電線路的影響,計算了半波長輸電系統(tǒng)中的系統(tǒng)參數(shù)及線路參數(shù),應用多導體傳輸線理論,建立了半波長輸電系統(tǒng)的等效電路模型,如圖1所示。圖1中US為輸電線路的等效電源,Xd1為三繞組變壓器高壓側的電抗。由傳輸線理論可知,均勻傳輸線電報方程的正弦穩(wěn)態(tài)解為式中:為線路的特征阻抗;為線路的傳播常數(shù);0L、0R、0C和0G分別為傳輸線單位長度上的電感、電阻、電容和電導。根據圖1所示的等效電路模型,半波長交流輸電系統(tǒng)滿足如下邊界條件若已知傳輸線受端的電壓和電流,由方程式(1)—(3)就可以得到半波長交流輸電系統(tǒng)中沿線電壓和沿線電流的分布。2穩(wěn)定操作特征2.1電路沿線電壓和電流的分布特性2.1.1負載匹配情況下半波長交流輸電系統(tǒng)沿線電流的相位假設受端電壓U2(l)=1∠0pu,特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)在空載、輕載、匹配、重載等負載情況下,輸電線路沿線電壓的分布特性如圖2所示。圖中S0為自然功率,根據電路模型S0=4357kW。從圖2可看出,當系統(tǒng)空載時,輸電線路兩端電壓接近于負載匹配時的電壓,而中間點電壓接近于0;在負載由輕載變化到匹配的過程中,沿線電壓逐漸接近于負載匹配時的電壓,負載越接近于匹配情況,沿線電壓的變化幅度越小;在負載由匹配到重載的變化過程中,沿線電壓均高于自然功率時相應的電壓,重載情況越輕,沿線電壓的變化幅度越小。通過計算空載、輕載、匹配、重載等負載情況下半波長交流輸電系統(tǒng)沿線電壓的相位,得出沿線電壓相量的軌跡圖,如圖3所示。由圖3可知:空載時,送端電壓與受端電壓的相位差約為180.3°,基本上是反相的,中點電壓與受端電壓的相位差約為145.4°;在輕載、匹配、重載情況下,送端電壓與受端電壓的相位差為182.5°~189°,中點電壓與受端電壓的相位差為91°~95°。計算了半波長交流輸電系統(tǒng)在空載、輕載、匹配、重載等負載情況下輸電線路的沿線電流,其分布特性如圖4所示。由圖4可知:當系統(tǒng)空載時,輸電線路兩端電流低于負載匹配時的電流,而中間點電流接近于負載匹配時的電流;在負載由輕載變化到匹配的過程中,沿線電流逐漸接近于負載匹配時的電流,負載越接近于匹配情況,沿線電流的變化幅度越小;在負載由匹配到重載的變化過程中,沿線電流均高于自然功率時相應的電流,重載情況越輕,其變化幅度越小。通過分析空載、輕載、匹配、重載等負載情況下特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)沿線電流的相位,可以知道:空載時,送端電流與受端電流的相位差約為236.4°,中點電流與受端電流的相位差約為91°;在輕載、匹配、重載情況下,送端電流與受端電流的相位差為182°~189°,中點電流與受端電流的相位差為91°~94.5°,隨著負載的增大,沿線電流相量實部的增幅較虛部的增幅更大一些。2.1.2各線路待考內高、電流小時限內傳播特性分析當輸電線路受端發(fā)生三相短路故障時,特高壓半波長交統(tǒng)輸電線路沿線電壓、電流的分布特性如圖5所示。由圖5可知:三相短路時,輸電線路送端的電壓很低,線路中間段出現(xiàn)高電壓,最高接近于10.2倍的基準電壓;線路中間段的電流很低;但輸電線路兩端的電流比較高,最高接近于25kA。2.2線路損耗分布特性對特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)在空載、輕載、匹配、重載等負載情況下,輸電線路的線路損耗、電暈損耗進行了計算,計算結果見表1。由表1可知:系統(tǒng)空載時,輸電線路總線路損耗和總電暈損耗均最小;在負載由輕載變化到匹配的過程中,總線路損耗和總電暈損耗均低于負載匹配時相應的量值;在負載由匹配到重載的變化過程中,總線路損耗和總電暈損耗均高于負載匹配時相應的量值。當系統(tǒng)受端發(fā)生三相短路時,輸電線路線路損耗與電暈損耗的分布特性如圖6所示。由圖6可知:送端和受端的線路損耗較大,線路中點處的線路損耗接近于0;系統(tǒng)送端和受端的電暈損失接近于0;線路中點處的電暈損失最大;受端發(fā)生三相短路時,總線路損耗和總電暈損耗非常大,應及時切除三相短路故障。2.3影響因素的影響2.3.1負載匹配時,各系數(shù)時最大陣風下輸電線路延線電流和接收量在輕載情況下,隨著負載功率因數(shù)的增加,送端電壓和中點電壓逐漸減小,送端電壓先低于中點電壓,當功率因數(shù)增加到某一值時,送端電壓會高于中點電壓;當功率因數(shù)很低時,線路中點出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象;功率因數(shù)越高,負載越接近于匹配負載,沿線電壓的變化幅度越小。當負載匹配時,輸電線路沿線電壓隨功率因數(shù)的變化曲線如圖7所示,由圖7可知,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓和中點電壓最終減小到與受端電壓相等的量值。在重載情況下,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓和中點電壓也逐漸減小,但送端電壓和受端電壓始終低于中點電壓。在輕載情況下,隨著負載功率因數(shù)的增加,送端電流和中點電流逐漸減小,送端電流和受端電流先高于中點電流,當功率因數(shù)增加到某一值時,送端電流和受端電流又低于中點電流。當負載為匹配負載時,隨著功率因數(shù)的增加,送端電流和受端電流最終減小到與中點電流相等的量值,輸電線路延線電流隨功率因數(shù)的變化曲線如圖8所示。在重載情況下,隨著功率因數(shù)的增加,送端電流和受端電流始終高于中點電流,而送端電流又略高于受端電流。2.3.2負載級數(shù)對接感負載和容性負載后電壓、電流的影響在輕載情況下,隨著負載功率因數(shù)的增加,送端電壓緩慢增大,中點電壓逐漸減小,當功率因數(shù)增加到某一值時,送端電壓會高于中點電壓;當功率因數(shù)很低時,線路中點出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象;功率因數(shù)越高,負載越接近于匹配負載,沿線電壓的變化幅度越小。當負載匹配時,輸電線路延線電壓隨功率因數(shù)的變化曲線如圖9所示,由圖9可知,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓最終增加到與受端電壓相等的量值,中點電壓最終減小到與受端電壓相等的量值。在重載情況下,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓逐緩慢增大,中點電壓逐漸減小,但送端電壓和受端電壓始終低于中點電壓。在輕載情況下,隨著負載功率因數(shù)的增加,送端電流和受端電流均逐漸減小,中點電流緩慢地增大,送端和受端電流先高于中點電流,當功率因數(shù)增加到某一值時,送端和受端電流又低于中點電流和受端電流最終減小到與中點電流相等的量值,輸電線路沿線電流隨功率因數(shù)的變化曲線如圖10所示。在重載情況下,隨著功率因數(shù)的增加,送端和受端電流均逐漸減小,始終高于中點電流,送端電流又略高于受端電流。通過比較可知,系統(tǒng)受端接感性負載和容性負載時電壓、電流的主要區(qū)別在于:接感性負載時,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓、中點電壓、沿線電流是逐漸減小的;而接容性負載時,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓是逐漸增加的,中點電壓是逐漸減小的,送端電流和受端電流也是逐漸減小的,但中點電流是緩慢增加的。2種負載情況下,負載功率因數(shù)越高,線路的電壓和電流越穩(wěn)定。3線路損耗及電暈損失分別比較了空載、輕載、匹配及重載等情況下,特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)在水平排列和三角排列2種方式下線路電壓、電流、線路損耗及電暈損失,結果分別列于表2—4中。由表2、3可知,在負載相同的情況下,水平排列時送端電壓略高于三角排列時的相應量值,電流略低于三角排列時的相應量值。由表4可知,水平排列時傳輸線路的總線路損耗和總電暈損失基本上均高于三角排列時的相應量值,但在受端三相短路情況下,水平排列時傳輸線路的總線路損耗和電總暈損失卻低于三角排列時的相應量值。4接容性負載時最大情況時接端電壓和電流1)空載時,送端電壓和受端電壓接近于負載匹配時相應的電壓,送端電壓與受端電壓的相位基本是反相的,而中點電壓接近于0;送端電流和受端電流遠低于負載匹配時的電流,而中點電流接近于負載匹配時的電流。輕載時,沿線電壓、沿線電流、線路損耗及電暈損耗均低于負載匹配時相應的量值。重載時,沿線電壓、沿線電流、線路損耗及電暈損耗均高于負載匹配時相應的量值。2)接感性負載時,隨著功率因素的增加,送端電壓緩慢減小,中點電壓減小的幅度較大;兩端電流逐漸減小,但變化幅度較大,中點電流則緩慢減小。接容性負載時,隨著功率因數(shù)的增加,送端電壓緩慢增大,中點電壓逐漸減小;兩端電流逐漸減小,但變化幅度較大,中點電流緩慢地增大。當功率因數(shù)很低時,線路中點產生過電壓,負載過大時,送端也會出現(xiàn)過電壓。功率因數(shù)越高,線路電壓和電流越穩(wěn)定。3)三相短路時,送端不會出現(xiàn)過電壓,中點處產生過電壓;送端和受端電流很大,但中點電流較小;中點處的線路損耗接近于0,電暈損失最大,而送端和受端的線路損耗較大,電暈損失卻接近于0。4)輕載、匹配和重載情況下,水平排列方式下送端、中點的電壓均略高于