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潛供電弧自動重合閘失敗,影響輸電線路工作的可靠性超過90%的線路錯誤是由于偶然組合造成的。為了提高供電的可靠性，一次性自動重閉觸發(fā)法得到了廣泛應(yīng)用。潛供電弧對電力系統(tǒng)的影響在較高電壓等級的輸電線路上表現(xiàn)尤為明顯,如果不能及時熄滅潛供電弧,將使實行單相自動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、容量大、電壓較高,潛供電弧持續(xù)燃燒時間將比超高壓輸電線路長,直接影響了特高壓線路單相重合閘的無電流間歇時間,大大降低了單相自動重合閘的成功率。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)生單相瞬時接地故障時,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為單位長度線路的對地電容;C12為單位長度線間耦合電容。1.1c1為線路長度靜電感應(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與故障點的位置無關(guān),而與輸電線路長度及線路結(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)出一個電動勢,用下式表示E˙=ωM(I˙B+I˙C)(2)E˙=ωΜ(Ι˙B+Ι˙C)(2)此電動勢通過故障點及相對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度有關(guān),而與故障點的位置無關(guān);而在有補償?shù)妮旊娋€路(一般線路為欠補償)中,潛供電流的靜電感應(yīng)分量已被極大削弱,這時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)模型單相自動重合閘成功的關(guān)鍵是動作時限的整定,確定潛供電弧的熄滅時間對其具有重要的意義。而仿真中,必須對潛供電弧進(jìn)行準(zhǔn)確的建模,才能確定其熄弧時間。在潛供電流的仿真研究中,大部分學(xué)者是將故障點的潛供電弧看成一個固定阻值或者阻值分段線性的電阻。然而,實際工程研究表明,弧道電阻是非線性的。國外學(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是一次電弧瞬時電導(dǎo),隨時間變化;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是電弧長度;up是一次電弧單位長度的電壓。當(dāng)電流i在1.4～24kA范圍時,up近似為常值,15V/cm。時間常數(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是二次電弧長度;Ts為二次電弧時間常數(shù);Is為二次電弧的峰值電流;us是單位長度電壓,V/cm;γ是比例系數(shù);tr為二次電弧產(chǎn)生的時間。該模型由實際故障數(shù)據(jù)擬合得出,可以較好地重現(xiàn)故障時的電弧過程,使用該模型進(jìn)行仿真得出的各項數(shù)據(jù)也與實際測量值較為相符;該模型有較高的精確度,所需參量也較易于求得,計算過程也較簡單;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)果與實際工程計算結(jié)果相差不大,驗證了模型的準(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,最高運行電壓為1100kV,采用單回線路,完全換位方式。3影響線路運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償方式等;系統(tǒng)因素類,如線路運行電壓、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)、運行電壓以及補償方式。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潛供電流及熄弧時間額定運行狀態(tài)下,如果導(dǎo)線布置方式由三角方式改為水平方式,以線路最長的晉東南—南陽段線路首端為例,計算得出的潛供電流及熄弧時間如表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為熄弧時間。表2結(jié)果表明當(dāng)線路不換位時,對于三角形布置線路,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;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。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,仿真計算得到潛供電流有效值如圖3所示。對于線路中任意位置,當(dāng)發(fā)生單點接地故障時,隨著線路傳輸容量的增大,潛供電流呈現(xiàn)增大的趨勢。3.4線路運行狀態(tài)下系統(tǒng)運行分析為了考察輸電線路分裂數(shù)目對潛供電流的影響,本文以額定運行狀態(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行狀態(tài)下,線路對地高度發(fā)生改變時,晉東南—南陽段線路首端發(fā)生單相接地故障時,潛供電流仿真結(jié)果如圖5所示。線路平均對地距離越高,線路的潛供電流越大。當(dāng)對地距離由20m增加到40m時,潛供電流由13.37A提高到62.22A,對應(yīng)熄弧時間由0.174s增大到0.820s?？梢?對地高度改變對潛供電流的影響較大。這是因為只增加導(dǎo)線對地高度,而線間距離不變時,只有線路單位長度的對地電容Cn發(fā)生改變。隨線路高度的增加,對地電容減小,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,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,線路間的容性和感性耦合已很小,可以忽略不計,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。3.7電流有效值隨子導(dǎo)線的計算額定運行狀態(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,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)向與電動力作用方向相同,則自滅速度就很快;若風(fēng)向與電動力作用方向相反,即使這時潛供電流不是很大,其自滅也是緩慢的。5影響潛供電流因素分析本文在簡要闡述潛供電流產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上,以1000kV晉東南—南陽—荊門特高