超高压串联补偿输电线路的潜供电流和恢复电压

发布时间：2024-11-18

第22卷第9期电　网　技　术Vol.22No.9

1998年9月PowerSystemTechnologySept.　1998

牛晓民　王晓彤　施　围　王其平

西安交通大学电气工程学院,710049西安

SECONDARYARCCURRENTANDRECOVERYVOLTAGE

OFSERIESCOMPENSATEDEHVTRANSMISSIONLINE

NiuXiaomin　　WangXiaotong　　ShiWei　　WangQiping

Xi'anJiaotongUniversityXi'an,710049China

ABSTRACT　Thesecondaryarccurrentandrecoveryvolt-ageofseriescompensatedEHVtransmissionlinehavelowfrequencycomponentcomparingwiththoseoflinewithoutseriescompensation.Inthispaper,ananalysisofsimplifiedequivalentcircuitandanEMTPsimulationstudybasedona500kVtransmissionsystemarepresented.ThemechanismofbeatfrequencycharacteristicofEHVtransmissionlines,thesecondaryarccurrentandrecoveryvoltagelowfrequen-cycharacteristicofseriescompensatedlinesareexplained.Theinfluenceofarcresistorontheextinguishingofsec-ondaryarccurrentandonthesuccessratioofsingle-phase

reclosinginseriescompensatedlinesisanalysed.

KEYWORDS　Seriescompensation　Secondaryarccurrent　Recoveryvoltage

摘要　同无串补超高压输电线路相比,串补线路的潜供电流和恢复电压含有低频分量。文章通过对一500kV输电系统进行简化等值电路的分析,以及用EMTP进行仿真计算,阐述了超高压输电线路恢复电压的拍频特性及串补线路潜供电流和恢复电压低频特性的产生机理,分析了弧道电阻对串补线路潜供电流的自熄和单相重合闸成功率的影响。关键词　串联补偿　潜供电流　恢复电压

感应电流(即潜供电流或称二次电流)。为了限制超高压线路的潜供电流,对静电感应一般采用二次补偿的方法,即在线路并联电抗器中性点加装小电抗,以使等效相间电纳等于容纳,两者形成并联谐振,使潜供电流静电感应分量的回路阻抗为无穷大,以此来削弱静电感应分量。

在超高压输电系统中,串联补偿是提高系统稳定性的有力措施之一。本文通过对一500kV系统的潜供电流和恢复电压进行简化等值电路分析与EMTP仿真计算,分析串补线路中潜供电流的低频分量特性以及恢复电压的拍频特性和低频分量特性。

2　潜供电流

图1为一500kV系统。线路首末端并联电抗器采用二次补偿,线路首端单相接地时对线路采用集中参数模型,将潜供电流的电磁感应分量和故障相回路中的自由分量分别考虑。线路两端跳开后,不考虑相间耦合的无串补线路和有串补线路潜供电流的阻抗回路如图2所示。

利用拉氏变换,图2(a)所示回路的自然频率由方程式(1)的解决定。

受端

400km

jXp

MOA

MOV

jXn

jX2jX20

～

R20

1　前言

当线路发生单相接地故障,线路两端故障相的断路器相继跳开后,通过健全相的静电耦合(电容传递)和电磁耦合(互感传递),弧道中仍将流过一定的

jX1

～E1

jX10

jXpjXn

MOA

送端

500kV线路

图1　500kV系统接线图

Fig.1　Singlelinediagramofa500kVsystem

PowerSystemTechnology

Vol.22No.9

　　　　s+a1s+a2s+a3s+a4s+a5=0

回路(b)的自然频率由方程(2)的解决定

(1)(2)

R0L0C0

　　s6+b1s5+b2s4+b3s3+b4s2+b6=0

方程(1)和(2)的解的形式为s= +j 0,弧道电

(a)R1

阻Rd是影响方程解的重要因素之一。由于潜供电弧与故障点、气象条件以及绝缘子链长度等因素有关[1,2],所以Rd的数值是在一定范围内随条件变化的、不确定的值,在不同的文献中Rd的取值不同。据

R0L0

文[2]介绍,有的文献中取Rd=300 ,有的取Rd=0～1000 。文[3]中用式Rd=1050lj/I( )表示,其中在图1所示500kVlj为绝缘子链长度,I为电弧电流。

系统中的不同Rd下,方程(1)和(2)的解见表1和表2。

(b)

图2　计算潜供电流自然频率和衰减系数的等值电路Fig.2　Equivalentcircuitsforfreefrequencyanddecayfactorofsecondaryarccurrentstudy

表1　无串补线路潜供电流的自然频率和衰减系数

Table1　Thefreefrequencyanddecayfactorofsecondaryarccurrentwithoutseriescompensation

s= +j 0

s1s2s3s4,s5

25-1.7-9.6-21935.8-48.4±j961.2

50-2.1-15.4-10904.2-66.5±j961.9

弧道电阻/

100-2.4-27.8-5323.4-103.3±j966.8

250-2.5-68.8-1764.1-214.0±1018.8

500-2.6-183.7-467.2

-255.6±j1198.5

表2　有串补线路潜供电流的自然频率和衰减系数

Table2　Thefreefrequencyanddecayfactorofsecondary

arccurrentwithseriescompensation

s= +j 0

s1s2s3,s4s5,s6

25-3.3-21935.8-48.5±j969.2-3.9±j35.2

50-6.7-10904.2-66.7±j970.0-5.2±j34.7

弧道电阻/

100-14.8-5323.5-85.2±j802.6-7.5±j32.6

250-57.5-1766.1-213.7±j1028.0-6.2±j26.8

500-171.7-478.6

-253.4±j1205.7-3.8±j25.8

　　由拉氏反变换可知,潜供电流的时域解为指数衰减的非振荡电流和包络线为指数衰减的振荡电流的叠加。由表1可知,无串补线路除了其中一个非振荡电流的衰减系数较小而衰减较慢外,其它分量将在很短时间内衰减到很小的值。因此,无串补线路潜供电流主要是电磁感应的工频分量和一呈指数衰减的非振荡分量的叠加。

由表2可知,串补线路当弧道电阻较小时,有一衰减较慢的非振荡分量,该分量的衰减系数随弧道电阻的增加而迅速增大。另外,有串补线路的潜供电流有一幅值衰减较慢的低频振荡分量,其衰减系数和振荡频率随弧道电阻变化而变化的曲线如图3,衰减系数有一最大值,振荡频率随弧道电阻增大而减

与衰减系数有关,另一方面与该分量的初始值也有

图3　潜供电流低频分量的衰减系数和

振荡频率随弧道电阻Rd变化曲线

Fig.3　Decayfactor/oscillationfrequencyoflow

frequencysecondaryarccurrentvs.Rd

很大关系。一般来说,考虑该低频分量的初始值后,在相同的时间范围内,弧道电阻越大,则潜供电流越

第22卷第9期电　网　技　术

感应的工频分量、指数衰减的非振荡分量(弧道电阻较小时)和幅值衰减的低频分量的叠加而成。

对图1所示系统,当线路采用分布参数模型,弧道电阻为25 ,首端单相接地后潜供电流的EMTP计算结果如图4所示。可以看出,无串补线路的潜供电流除了工频分量外,还有一衰减较慢但数值不大的非振荡分量。这和对等值电路进行衰减系数及振荡频率分析的结果是一致的。对于其随着弧道电阻增大而非振荡分量衰减加快的特点,用两种分析方法分析的结果也是相同的。

潜供电弧燃烧时间较长,将使单相自动重合闸的成功率降低。因为串补线路潜供电流中的低频分量使其过零次数减少,尤其当弧道电阻较小时低频分量幅值较大,所以单相重合闸的成功率将比无串补线路时的低。由不同弧道电阻下数字仿真结果可知,跳闸后0.2s的时间范围内,即使Rd大至2000 也不能忽略潜供电流低频特性对熄弧的影响;在跳闸后0.2s以后,Rd>2000 ,即可忽略潜供电流低频特性对熄弧的影响。

非振荡分量衰减系数低频振荡分量衰减系数低频振荡分量振荡频率/Hz

[4]

图5　有串补时潜供电流的低频分量Fig.5　Thelow-frequencysecondaryarccurrentswithseriescompensation

表3　两种分析结果的比较

Table3　Thecomparisonoftworesults

等值电路分　析-3.3-3.95.61

EMTP计算结果分析-4.7-6.16.67

3　恢复电压

潜供电弧熄灭后,仅考虑线路残余电荷对恢复电压的影响的简化等值电路见图6,其首端恢复电压的衰减系数和振荡频率由方程(3)和(4)求得。

(a)

图4　无串补和有串补线路的潜供电流Fig.4　Thesecondaryarccurrentswithout

andwithseriescompensation

R1L1C1

串补线路潜供电流EMTP计算结果的傅立叶分析表明,主要存在两种振荡频率(50Hz和6.67Hz),50Hz分量是电磁感应的工频分量,6.67Hz的分量是由线路中的储能在线路两侧跳闸后在回路中充放电所引起。将有串补线路潜供电流的工频分量滤去后的波形如图5所示。表3为对图5进行波形分析后同等值电路分析结果的比较。

在等值电路中,对线路采用集中参数模型可使分析问题简单化,但这也是造成与EMTP计算分析结果不同的主要原因。在不同的系统参数下,衰减系数和振荡频率有所不同,但简化等值电路的分析结果和EMTP计算结果的变化趋势是一致的,可以定

(b)

图6　计算恢复电压自然频率和衰减系数等值电路Fig.6　Equivalentcircuitsforfreefrequency/decay

factorofrecoveryvoltagestudy

s+c1s+c2s+c3s+c4s+c5=0s+d1s+d2s+d3s+d4s+d6=0

5432

(3)(4)

方程(3)和(4)的解见表4。由表可知,恢复电压有一衰减很快(在本例中衰减系数为31.6)的振荡分量。有串补还有一衰减较慢的低频分量(在本例中振荡频率为4.1Hz)。此外,有串补和无串补线路均有,

荡角频率为 0=1/L0C0。设并联电抗器电感值为

L1,并联补偿度Tk=1/( L1C1),线路单位长度正

′

序、零序电容为C′1、C0,则由二次补偿原则得

表4　恢复电压的自然频率和衰减系数

4　TableFreefrequency/decayfactorofrecoveryvoltage

s= +j 0

S1S2,S3S4,S5

无串补-2.6-31.6±j1334

±j267

s= +j 0S1,S2S3,S4S5,S6

有串补-1.3±j25.7-31.6±j1340

±j267

　　=f( 2t)cos( t+!1+ )

式中　 2= - 0,!2=!1-!0,

002-1

=tgU1-U0cos( 0t+!2)

f( 2t)=

U21+U0-2U1U0cos( 0t+!2)

(6)

(7)

由表4可知, 0和相差不多,所以 2仅有的

几分之一,它相对是一低频频率,因此恢复电压为一幅值受f( 2t)调制的工频电压,其幅值包络线的最大值和最小值分别为

(5)

2=(2k+1)#时f( 2t)max=U1+U2　当 2t+!

2=2k#时f( 2t)min=U1-U2　当 2t+!

对图1所示系统,利用EMTP进行潜供电弧熄

0=1/L0C0=

1-(1-Tk)C′1、C′0

根据式(5),该振荡角频率与线路单位长度的正

序、零序电容以及并联补偿度有关,与线路长度无关。

令U1、和!1以及U0、 0和!0为恢复电压中电磁感应分量和不衰减振荡分量的幅值、角频率和初始相角,则总的恢复电压为

Uh=U1cos( t+!1)-U0cos( 0t+!0)

灭后恢复电压的计算,计算结果见图7。图7(a)为弧

道电阻取500 的潜供电流熄弧后的恢复电压,有串补和无串补线路的情况基本相同。图7(b)为有串补线路,弧道电阻取25 的潜供电流熄弧后的恢复电

压波形。

图7　无串补和有串补线路时的恢复电压波形

Fig.7　TherecoveryvoltagesofEHVlinewithoutandwithseriescompensation

　　对于无串补线路,潜供电流弧道电阻的大小对恢复电压幅值影响很小,当潜供电流的弧道电阻为25 时,其恢复电压波形和图7(a)基本相同。图7(a)所示恢复电压低频调制分量的频率为6.1Hz。由式(7),知该频率为7.5Hz。对于有串补线路,当弧道电阻较小时,恢复电压除了具有拍频特性外,还具有一定的低频分量。通过对图7(b)的分析可知,其低频分量的频率为4.18Hz,该值与表4中的4.09Hz(角频率为25.7)基本一致。

端故障相断路器动作后,健全相对故障相的电磁耦合决定了潜供电流和恢复电压的强制分量,故障相回路的固有频率和储能决定了潜供电流和恢复电压的自由分量。

(2)超高压串补线路的潜供电流有幅值较高的低频分量,同无串补线路相比,这使潜供电弧不易自熄,使单相自动重合闸成功率降低。

(3)串补线路潜供电流低频分量振幅的衰减系数在一定的弧道电阻下有一最大值,低频振荡频率随弧道电阻增大而减小。

(4)有串补线路的恢复电压除具有和无串补线

)

4　结论

见,在安装有多支避雷器的情况下,位于下侧的C相避雷器承受的雷电流及吸收的雷电放电能量最大,杆塔接地电阻R越大,避雷器的负担越重。

大,不论避雷器安装方式如何,线路的耐雷水平基本上随接地电阻的增加而减少。

(4)避雷器能承受较大雷电流所产生的放电能量,因此线路上采用避雷器是可行的。在杆塔接地电阻较大情况下,当雷电流达到极限值时,避雷器的负担相对要严重一些。

5　结论

(1)采用线路避雷器可以显著地提高输电线路的耐雷水平。安装方式可以根据技术经济的实际情况综合考虑。

(2)计算表明,对于本文所考虑的220kV双回输电线路,不论杆塔接地电阻如何变化,与没有装设避雷器时相比,当在下侧的对称相各安装1支(共2支)避雷器时,线路的耐雷水平都有明显提高;而在中间相或上侧相再装设2支避雷器,当杆塔接地电阻较大时,线路的耐雷水平有一定的提高,而当杆塔接地电阻较小时,效果就不明显。在双回路每相上各安装1支(共6支)避雷器的效果与安装4支避雷器的相比,防雷效果没有明显差别。

(3)杆塔的接地电阻对线路的耐雷水平影响很

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6　参考文献

1　武汉高压研究所.输电线路雷击跳闸率计算方法和500kV超高

压线路防雷设计中的几个问题.1982

2　IshidaK,DokaiK,IsozakiTetal.Developmentofa500kV

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3　OhkiY,YasufukuS.Lightningarrestersdevelopedfor500kV

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4　陈水明,何金良,吴维韩.采用氧化锌避雷器提高线路耐雷水平

的研究.北京电机工程学会1997年学术年会论文集,北京,1997收稿日期:1998-01-20。

陈水明　1997年在清华大学获博士学位,主要研究领域为电力系统过电压以及电子系统电磁兼容技术。