串并聯補償對特高壓交流輸電線路電壓特性的影響

串并聯補償對特高壓交流輸電線路電壓特性的影響

0特高壓交流輸電系統(tǒng)的工頻暫態(tài)電壓和操作過錯隨著我國經濟的快速發(fā)展，對能源的需求越來越大。能源系統(tǒng)正朝著容量、距離和高壓的方向發(fā)展。電力系統(tǒng)輸送容量、輸送距離和電壓等級的不斷增加,使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題變得日益突出。串聯補償技術是一種提高穩(wěn)定極限的有效方法。在輸電線正中間加入串聯補償電容器能減小線路電抗,縮小線路兩端的相角差,從而有效提高輸電線路的輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性,且其在線路建設投資、輸電走廊獲取以及減少環(huán)境污染方面都有極大的優(yōu)勢。電走廊獲取以及減少環(huán)境污染方面都有極大的優(yōu)勢。在特高壓交流輸電系統(tǒng)中,工頻暫態(tài)過電壓和操作過電壓的水平是關系到設備絕緣設計的關鍵因素,直接影響到制造成本和系統(tǒng)的運行性能。而操作過電壓又是在工頻暫態(tài)過電壓的基礎上產生的,因此在特高壓交流輸電系統(tǒng)確定系統(tǒng)絕緣水平時,工頻暫態(tài)過電壓起著非常重要的作用。本文擬考慮在1000kV交流輸電系統(tǒng)中加入串并聯補償,以目前正在建設的國家電網公司晉東南-南陽-荊門特高壓交流試驗示范工程為背景,采用國際上廣泛使用的電磁暫態(tài)計算程序ATP-EMTP,對含有串聯電容器補償的1000kV交流輸電線路各種工況下的工頻暫態(tài)過電壓進行全面計算和分析研究,以便為以后在我國特高壓輸電系統(tǒng)中采用串并聯補償裝置做參考。1串聯補償方式(1)系統(tǒng)電源母線電壓為1087kV,三相短路容量為50000MW。(2)參考晉東南-南陽-荊門特高壓交流試驗示范工程,由于在示范工程線路中間設有換流站,計算時線路長度選為300km,線路參數選取與示范工程相同,如表1所示。(3)串聯補償和并聯補償方式。目前串聯補償電容器的過電壓保護主要采用無間隙金屬氧化物可變電阻器(MetalOxidizedVaristor———MOV),當采用該保護方案時,由于圖1中的串聯補償和并聯補償方式(串聯補償電容器裝設在線路正中間,并聯補償電抗器裝設在線路兩端)對MOV的吸收能量要求相對較低,在實際中得到了廣泛的應用,本文亦采用該種串聯補償和并聯補償方式。(4)線路兩側裝設金屬氧化物避雷器(MetalOxidizedArrester———MOA),采用日本特高壓系統(tǒng)中C型MOA的參數,雷電流為20kA和10kA時的雷電沖擊殘壓分別為1620kV和1550kV。2當前頻率電壓的計算工頻電壓升高的主要原因是空載線路的不對稱效應、不對稱接地故障、甩負荷等。本文將從上述三個方面進行分析。2.1空區(qū)域的容量效應2.1.1計算條件(1)線路末端不接負荷;(2)并聯補償度分別為70%、80%、90%;(3)串聯補償度分別為0、20%、30%、40%、50%。2.1.2線路電壓基值并聯補償度從70%到90%時,不同串聯補償度空載線路的工頻電壓升高和沿線分布如表2~4所示。表中電壓基值為1100/3=635.104kV,大寫字示距線路首端0km、50km、100km、200km、250km和300km處,D和E分別表示距線路首端150km處(即串聯電容器安裝處)串聯電容器左側和右側,下文中與此相同,不再贅述。2.1.3串聯補償度對工頻電壓的影響(1)并聯電抗器對空載線路的電容效應具有一定的抑制作用。隨著并聯補償度的增加,工頻電壓升高降低;(2)在串聯電容器左側,隨著串聯補償度的增加,工頻電壓升高基本上保持不變;在串聯電容器右側,隨著串聯補償度的增加,工頻電壓升高降低;(3)從整條線路的工頻電壓升高來看,呈現出兩端較低,中間部分較高,且末端稍高于首端,工頻電壓升高最高值出現在串聯電容器左側。2.2短路接地保護不對稱短路是輸電線路中最常見的故障形式,在單相或兩相不對稱短路接地短路時,非故障相的電壓一般會升高,其中單相接地時非故障相的電壓可達較高的數值。特殊情況下,兩相短路接地也會出現較高的工頻過電壓,但此種概率較小。本文只討論單相接地故障。2.2.1工頻電壓增加串聯補償度(1)接地故障發(fā)生在線路的不同位置。故障發(fā)生時間設為在一個工頻周期內的均勻時間,并通過120次計算得到這種情況下工頻電壓升高2%的統(tǒng)計值;(2)并聯補償度設為90%;(3)串聯補償度分別為0、20%、30%、40%、50%;(4)線路三相負載分別為1000MW、2000MW、3000MW。2.2.2不同串聯補償度下的工頻電壓線路三相負載分別為1000MW、2000MW、3000MW時不同串聯補償度下的單相接地工頻過電壓的幅值如表5~7所示。相同情況下線路中不同故障點引起的工頻電壓升高幅值如表8所示。2.2.3工頻電壓升溫的幅值(1)串聯補償度越大,單相接地工頻電壓升高的幅值越大;(2)線路負載越大,單相接地工頻電壓升高的幅值越小;(3)工頻電壓升高的最大值出現在線路中間串聯電容器的右側,呈現出首端、末端和串聯電容器兩側電壓高,其它部分低的分布趨勢;(4)當短路故障點在線路首端時工頻電壓升高較小,在串聯電容器兩側和線路末端時工頻電壓較高,且在串聯電容器右側時工頻電壓升高最高。2.3線路末端交流較重負荷除了上述空載線路的電容效應和不對稱短路之外,在輸電線路傳輸較重負荷時,線路末端斷路器跳閘,突然甩去負荷,是造成工頻電壓升高的又一原因。2.3.1不同串聯補償度期均勻時間(1)在無故障情況下,線路末端斷路器切除負荷;斷路器跳閘發(fā)生在一個工頻周期的均勻時間,并通過120次計算得到甩負荷時工頻電壓升高2%的統(tǒng)計值;(2)并聯補償度設為90%;(3)串聯補償度分別為0、20%、30%、40%、50%;(4)線路三相負載分別為1000MW、2000MW、3000MW。2.3.2計算線路三相負載分別為1000MW、2000MW、3000MW時不同串聯補償度下的三相甩負荷工頻電壓升高幅值如表9~表11所示。2.3.3荷時雙向降壓幅值的變化(1)隨著線路串聯補償度的增加,小負荷時,串聯電容器的左側三相甩負荷工頻電壓升高的幅值減少;大負荷時,在串聯電容器的左側三相甩負荷工頻電壓升高的幅值增加;(2)隨著線路串聯補償度的增加,在串聯電容器的右側三相甩負荷工頻電壓升高的幅值增加;(3)隨著線路負荷的增加,三相甩負荷工頻電壓升高的幅值增加;(4)線路工頻電壓升高呈現出兩端低,中部高,末端高于首端,且最高值出現在串聯電容器右側。3工頻暫態(tài)電壓特高壓交流輸電線路的輸電能力受到其穩(wěn)定極限的限制,采用串聯補償能夠提高其穩(wěn)定極限,可以有效提高線路的輸電能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但由于是在系統(tǒng)中增加的串聯電容補償設備改變了系統(tǒng)之間原有的電氣距離,影響了系統(tǒng)及裝設串聯補償裝置的輸電線路沿線的電壓特性。本文采用ATP-EMTP,結合國家電網公司晉東南-南陽-荊門特高壓交流示范工程,對含有串聯補償裝置的特高壓交流輸電線路各種工況下的工頻暫態(tài)過電壓進行了計算分析,結論如下:(1)空載線路的工頻電壓升高最大值為1.11pu。隨著并聯補償度的增加,工頻電壓升高降低;隨著串聯補償度的增加,工頻電壓升高降低;從整條線路的工頻電壓升高來看,呈現出兩端較低,中間部分較高,且末端稍高于首端的現象;(2)線路不對稱接地故障工頻電壓升高最大值為1.36pu。串聯補償度越大,單相接地工頻電壓升高的幅值越大;線路負載越大,單相接地工頻電壓升高的幅值越小;工頻電壓升高呈現出首端、末端和串聯電容器兩側電壓高,其它部分低的分布趨勢;當短路故障點在線路首端時工頻電壓升高較