特高壓輸電線路潛供電流的影響因素分析

特高壓輸電線路潛供電流的影響因素分析

0潛供電弧自動(dòng)重合閘失敗,影響輸電線路工作的可靠性超過90%的線路錯(cuò)誤是由于偶然組合造成的。為了提高供電的可靠性，一次性自動(dòng)重閉觸發(fā)法得到了廣泛應(yīng)用。潛供電弧對(duì)電力系統(tǒng)的影響在較高電壓等級(jí)的輸電線路上表現(xiàn)尤為明顯,如果不能及時(shí)熄滅潛供電弧,將使實(shí)行單相自動(dòng)重合閘操作的斷路器重合于弧光接地故障,從而造成重合失敗,影響輸電線路工作的可靠性。以晉東南—南陽—荊門為例的特高壓工程,由于輸電線路較長(zhǎng)、容量大、電壓較高,潛供電弧持續(xù)燃燒時(shí)間將比超高壓輸電線路長(zhǎng),直接影響了特高壓線路單相重合閘的無電流間歇時(shí)間,大大降低了單相自動(dòng)重合閘的成功率。因此,在特高壓領(lǐng)域更需要研究影響潛供電弧的因素,為選擇抑制潛供電弧的方法提供理論依據(jù)。1潛供電弧uub當(dāng)輸電線路發(fā)生單相瞬時(shí)接地故障時(shí),非故障相通過靜電耦合(電容耦合)和電磁耦合(電感耦合)向故障相的接地點(diǎn)提供潛供電流,形成潛供電弧,如圖1所示。圖中,U˙U˙A、U˙U˙B、U˙U˙C為三相電壓;Cn為單位長(zhǎng)度線路的對(duì)地電容;C12為單位長(zhǎng)度線間耦合電容。1.1c1為線路長(zhǎng)度靜電感應(yīng)分量是潛供電流的橫分量,可表示為I˙sc=?jωC12lU˙(1)Ι˙sc=-jωC12lU˙(1)式中:l為線路長(zhǎng)度;U˙U˙為相電壓幅值。從式(1)可知,潛供電流的靜電感應(yīng)分量Isc與故障點(diǎn)的位置無關(guān),而與輸電線路長(zhǎng)度及線路結(jié)構(gòu)(主要是影響線間耦合電容的因素,如排列方式、導(dǎo)線間距、導(dǎo)線分裂情況及換位)有關(guān)。1.2潛供電流電磁感電磁感應(yīng)分量是潛供電流的縱分量。非故障相的負(fù)載電流通過線間互感在故障相上感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì),用下式表示E˙=ωM(I˙B+I˙C)(2)E˙=ωΜ(Ι˙B+Ι˙C)(2)此電動(dòng)勢(shì)通過故障點(diǎn)及相對(duì)地電容形成潛供電流的電磁感應(yīng)分量,可表示為I˙sl=EM/j(ωL?1/ωCn)(3)Ι˙sl=EΜ/j(ωL-1/ωCn)(3)式中:M為線路線間互感;L為線路自感。潛供電流是橫分量與縱分量的矢量和,可表示為I˙=I˙sc+I˙sl(4)Ι˙=Ι˙sc+Ι˙sl(4)在無補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路中,潛供電流的靜電感應(yīng)分量占主要部分,因此,潛供電流與輸電線路長(zhǎng)度有關(guān),而與故障點(diǎn)的位置無關(guān);而在有補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路(一般線路為欠補(bǔ)償)中,潛供電流的靜電感應(yīng)分量已被極大削弱,這時(shí)潛供電流的總量是靜電感應(yīng)分量與電磁感應(yīng)分量的矢量和,其大小不僅與線路本身參數(shù)和發(fā)生故障的地點(diǎn)有關(guān),而且還與靜電分量及電磁分量的相角有關(guān)。2模擬建模2.1潛供電弧的數(shù)學(xué)模型單相自動(dòng)重合閘成功的關(guān)鍵是動(dòng)作時(shí)限的整定,確定潛供電弧的熄滅時(shí)間對(duì)其具有重要的意義。而仿真中,必須對(duì)潛供電弧進(jìn)行準(zhǔn)確的建模,才能確定其熄弧時(shí)間。在潛供電流的仿真研究中,大部分學(xué)者是將故障點(diǎn)的潛供電弧看成一個(gè)固定阻值或者阻值分段線性的電阻。然而,實(shí)際工程研究表明,弧道電阻是非線性的。國(guó)外學(xué)者在這方面做了大量細(xì)致的研究工作。目前,公認(rèn)的比較符合實(shí)際的電弧數(shù)學(xué)模型如下:一次電弧數(shù)學(xué)模型為?gp?t=1Tp(Gp?gp)(5)?gp?t=1Τp(Gp-gp)(5)式中:gp是一次電弧瞬時(shí)電導(dǎo),隨時(shí)間變化;Gp是一次電弧穩(wěn)態(tài)電導(dǎo),可由下式得到:Gp=|i|uplp(6)Gp=|i|uplp(6)式中:i是電弧電流;lp是電弧長(zhǎng)度;up是一次電弧單位長(zhǎng)度的電壓。當(dāng)電流i在1.4～24kA范圍時(shí),up近似為常值,15V/cm。時(shí)間常數(shù)Tp可表示為Tp=εiplp(7)Τp=εiplp(7)式中:ε是比例系數(shù),約為2.85×105;ip是一次電弧的峰值電流。二次電弧數(shù)學(xué)模型為?gs?t=1Ts(Gs?gs)(8)Gs=|i|usLs(tr)(9)Ts=γi1.4sLs(tr)(10)us=75/I1.4s(11)?gs?t=1Τs(Gs-gs)(8)Gs=|i|usLs(tr)(9)Τs=γis1.4Ls(tr)(10)us=75/Ιs1.4(11)式中:gs是隨時(shí)間變化的二次電弧電導(dǎo);Gp為二次電弧穩(wěn)態(tài)電導(dǎo);Ls是二次電弧長(zhǎng)度;Ts為二次電弧時(shí)間常數(shù);Is為二次電弧的峰值電流;us是單位長(zhǎng)度電壓,V/cm;γ是比例系數(shù);tr為二次電弧產(chǎn)生的時(shí)間。該模型由實(shí)際故障數(shù)據(jù)擬合得出,可以較好地重現(xiàn)故障時(shí)的電弧過程,使用該模型進(jìn)行仿真得出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)也與實(shí)際測(cè)量值較為相符;該模型有較高的精確度,所需參量也較易于求得,計(jì)算過程也較簡(jiǎn)單;故在包括單相弧光接地在內(nèi)的諸多涉及潛供電弧的計(jì)算與仿真的領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。本文基于公式(5)～(11),利用電磁仿真軟件PSCAD/EMTDC建立電弧模型,仿真結(jié)果與實(shí)際工程計(jì)算結(jié)果相差不大,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。2.2高壓串聯(lián)抗器工程本文以1000kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程為例,進(jìn)行潛供電流的仿真分析。該工程接線如圖2所示。為限制工頻過電壓,分別在晉東南站(A)、南陽開關(guān)站(B)和荊門站(C)安裝了4臺(tái)高壓并聯(lián)電抗器,其容量分別為:960、720、720和600MVar。系統(tǒng)額定電壓為1000kV,最高運(yùn)行電壓為1100kV,采用單回線路,完全換位方式。3影響線路運(yùn)行電壓影響因素的因素影響潛供電流的因素很多,主要分為3類,即環(huán)境因素類,如風(fēng)力及風(fēng)速、空氣的溫度和濕度等;線路結(jié)構(gòu)類,如線路換位方式及補(bǔ)償方式等;系統(tǒng)因素類,如線路運(yùn)行電壓、線路所連電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。其中最主要的因素是線路結(jié)構(gòu)、運(yùn)行電壓以及補(bǔ)償方式。本文根據(jù)2.2節(jié)系統(tǒng)參數(shù)利用電磁仿真軟件PSCAD/EMTDC建立仿真模型,分析影響潛供電流的各種因素。3.1潛供電流及熄弧時(shí)間額定運(yùn)行狀態(tài)下,如果導(dǎo)線布置方式由三角方式改為水平方式,以線路最長(zhǎng)的晉東南—南陽段線路首端為例,計(jì)算得出的潛供電流及熄弧時(shí)間如表1所示。表1結(jié)果表明:水平排列方式下潛供電流偏小,其工頻有效值較水平排列方式約小45%,熄弧時(shí)間發(fā)生相應(yīng)的改變。3.2不原位不布于線路導(dǎo)行線路線路的電氣參數(shù)受線路換位方式的影響很大,潛供電流的有效值也有所不同。表2中I為潛供電流,t為熄弧時(shí)間。表2結(jié)果表明當(dāng)線路不換位時(shí),對(duì)于三角形布置線路,不換位比完全換位電流增加19%～25%。由表1和表2可見,潛供電流最小值出現(xiàn)在線路導(dǎo)線采用水平布置且完全換位時(shí);潛供電流最大值出現(xiàn)在輸電線路三角形布置且不換位時(shí)。3.3潛供電流分析將該工程分為重載、額定和輕載3種傳輸容量,分別對(duì)應(yīng)傳輸130%、100%和30%的額定功率,額定傳輸功率為2800MW。在此3種傳輸功率水平下,線路不同位置發(fā)生單相接地故障時(shí),仿真計(jì)算得到潛供電流有效值如圖3所示。對(duì)于線路中任意位置,當(dāng)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí),隨著線路傳輸容量的增大,潛供電流呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。3.4線路運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)運(yùn)行分析為了考察輸電線路分裂數(shù)目對(duì)潛供電流的影響,本文以額定運(yùn)行狀態(tài)下,晉東南—南陽段線路的首端發(fā)生單相故障為例,潛供電流有效值隨分裂導(dǎo)線數(shù)變化的曲線如圖4所示。3.5影響潛供電流的因素額定運(yùn)行狀態(tài)下,線路對(duì)地高度發(fā)生改變時(shí),晉東南—南陽段線路首端發(fā)生單相接地故障時(shí),潛供電流仿真結(jié)果如圖5所示。線路平均對(duì)地距離越高,線路的潛供電流越大。當(dāng)對(duì)地距離由20m增加到40m時(shí),潛供電流由13.37A提高到62.22A,對(duì)應(yīng)熄弧時(shí)間由0.174s增大到0.820s?？梢?對(duì)地高度改變對(duì)潛供電流的影響較大。這是因?yàn)橹辉黾訉?dǎo)線對(duì)地高度,而線間距離不變時(shí),只有線路單位長(zhǎng)度的對(duì)地電容Cn發(fā)生改變。隨線路高度的增加,對(duì)地電容減小,由式(1)～(3)可知,潛供電流電磁感應(yīng)分量增大,潛供電流數(shù)值增大。3.6不同線間距離的電流晉東南—南陽段線路首端發(fā)生單相接地故障時(shí),如果三相線路線間距離發(fā)生改變,其潛供電流有效值見圖6所示。從以上計(jì)算結(jié)果可見,線間距離越遠(yuǎn),潛供電流越小。潛供電流隨線間距離改變的速率很大。當(dāng)線間距離接近27m時(shí),線路間的容性和感性耦合已很小,可以忽略不計(jì),因此由耦合而引發(fā)的潛供電流也微乎其微,同樣可忽略不計(jì)。3.7電流有效值隨子導(dǎo)線的計(jì)算額定運(yùn)行狀態(tài)下,晉東南—南陽段線路首端發(fā)生單相接地故障,潛供電流有效值隨子導(dǎo)線計(jì)算直徑變化的曲線如圖7所示。圖7曲線表明:子導(dǎo)線直徑在33.60mm時(shí),潛供電流最小,為18.95A。增大或減小子導(dǎo)線直徑,均導(dǎo)致潛供電流加大,但改變量不太大。4風(fēng)速、風(fēng)向和坡向?qū)﹄娀∽韵ㄋ俣鹊挠绊憹摴╇娏鬟€會(huì)受到風(fēng)速和風(fēng)向的影響。文獻(xiàn)指出潛供電弧是處于大氣條件下的自由電弧,對(duì)流散熱是潛供電弧自熄的主要因素。因此,自熄速度受風(fēng)速的影響最大。風(fēng)向的影響視電弧弧道的發(fā)展方向而定,如果風(fēng)向與電動(dòng)力作用方向相同,則自滅速度就很快;若風(fēng)向與電動(dòng)力作用方向相反,即使這時(shí)潛供電流不是很大,其自滅也是緩慢的。5影響潛供電流因素分析本文在簡(jiǎn)要闡述潛供電流產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上,以1000kV晉東南—南陽—荊門特高