（电力系统及其自动化专业论文）高压输电线路的潜供电流特性与对策研究.pdf

a b s t r a c t s t u d l e sl nc h a r a c t e r l s t l ca n d c o u n t e r m e a s u r eo ft h es e c o n d a r ya r c c u r r e n tl nh i g hv o l t a g et r a n m l s s i o nl i n e a b s t r a c t m o r et h a n9 0 f a u l t so c c u r r e di np o w e rs y s t e mh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e s a s i n g l e - p h a s e - t o g r o u n df a u l t s , a n dm o s t l yt e m p o r a r y , t h es y s t e ma d o p tt h e s i n g l e - p o l ea u t o r e c l o s u r et oe l i m i n a t et h ef a u l t s t h es i n g l e - p o l ea u t o - r e c l o s u r ei s o n eo ft h ee f f e c t i v em e a s u r e st oe n h a n c et h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i z a t i o na n dt h e p o w e rt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t y , b u tt h ep e r s i s t e n tc o m b u s t i o no ft h es e c o n d a r y a r ca t f a u l tp o i n th i n d e rt h em e a s u r er e a l i z a t i o n ，t h e r e f o r es e l fe x t i n c t i o ns m o o t h l yo ft h e s e c o n d a r ya r ci san e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rs i n g l e p h a s ea u t o r e c l o s u r es u c c e s s f u l f o r t h i sr e a s o n , w es h o u l dt r yt or e d u c et h ep a r a m e t e r s ( s e c o n d a r ya r cc u r r e n ta n d r e c o v e r yv o l t a g e ) o nh i 曲v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e ，t h ec u r r e n ti nf a u l t e dp h a s e ，w h i c hk e e po n p r o v i d e db yc a p a c i t i v e l yc o u p l e da n di n d u c t i v e l yc o u p l e db e t w e e nf a u l t e dp h a s ea n d n o n f a u l t e dp h a s e ，i sc a l l e dt h es e c o n da r cc u r r e n ta f t e rt h el i n ef a u l th a sb e e ni s o l a t e d b e c a u s eo ft h es e l fe x t i n c t i o ns p e e de o n c e m e dw i t ht h es e c o n d a r ya r cp a r a m e t e r s ， t h i sp a p e ru t i l i z e sp s c a ds i m u l a t i o ns o f t w a r et oa n a l y z ec a p a c i t a n c ea n di n d u c t a n c e u n d e ri n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n df a c t o r sb yu s i n gd i f f e r e n tc o m p e n s a t i o n m o d e s ，t oc a l c u l a t ep a r a m e t e rv a l u e s i t i s n e c e s s a r yt o e s t i m a t ea r c q u e n c h i n g c o n d i t i o na n dc h o o s ec o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t i o n w i t ha u g m e n t i n gp o w e rg r i dt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , t h es e r i e sc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y w i l lb e a d o p t e di ng e n e r a lu s e s e r i e sc o m p e n s a t i o nc h a n g e st h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ep a r a m e t e rd i s t r i b u t i o ne v e n l yo ft h eo r i g i n a lt r a n s m i s s i o nl i n e i t a l s oc h a n g e st h ep a r a m e t e ro ft h es e c o n d a r ya r c a f t e rb o t hs i d e ss w i t c h e sh a v e t r i p p e d , r e s i d u a l c h a r g e s i nf a u l t e dp h a s es e r i e sc o m p e n s a t i o nm a yr e p e a t e d i i a b s t r a c t c h a r g e d i s c h a r g et h r o u g ht h el o o pc o n s i s to ff a u l tp o i n ta n dt h eh vr e a c t a n c e t h i s d e v e l o p s i n t oal o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i n ga t t e n u a t i o np r o c e s sa n de n l a r g e st h e a m p l i t u d ev a l u eo f t h es e c o n d a r ya r cc u r r e n ta n dr e d u c e st h en u m b e ro f z e r o - c r o s s i n g ， w h i c hn 】墙a g a i n s ts e l fe x t i n c t i o n b a s e do nt h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so ft h e y a n g c h e n g h u a i y i n , t h ep h e n o m e n ao fs e c o n d a r ya r cc u r r e n ti ns e r i e sc o m p e n s a t i o n a r es i m u l a t e d t h i sp a p e r p r e s e n t sm e a s u r e st or e d u c et h ef a u l tc u r r e n ta l s o p s c a d s i m u l a t i o nh a sag o o de f f e c t k e y w o r d s ：s e c o n d a r ya r cc u r r e n t ；p a r a l l e lc o m p e n s a t i o n ；s e r i e sc o m p e n s a t i o n ； s i n g l e - p o l ea u t o r e c l o s u r e ， 一_ 一- 一一 。1 4 “。一“一 i i i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： l 型 和6 b t 2 - 0 第一章综述 第一章综述 目前在电力系统短路故障后，我们大多采用自动重合闸技术。掘统计，在 超高压输电线路所发生的线路故障当中，有7 0 9 0 为单相接地短路、且大都 是暂时性的，系统多采用单相自动重合闸柬消除故障“侧，单相重合闸已成为 超高压线路重合闸的发展趋势。单相自动重合闸重合时问整定的越短，对系统 稳定越有利。然而单相重合闸的成功很大程度上取决于故障点的潜供电流大小， 因此依据潜供电流参敛整定重合闸时iu j 是非常必要的，这就足潜供电流研究的 意义所在。本章阐述了潜供电流对单相重合闸成功率的影响，对国内外现有的 潜供电流研究方法进行了综述，并介绍了本文的工作。 1 1 电力系统可靠性与单相重合闸的关系 现代电力系统经过一百余年的发展，输电电压等级不断提高，系统规模不 断扩大。从1 9 2 3 年第一条2 3 0 k v 输电线路在美国建成，到7 0 年代末，前苏联 建成全国统一电网，标志着交流输电的关键技术已经基本上得到了解决。这是 随着生产力的发展，人们对电力能源需求不断提高的必然结果。电力系统容量 及规模的扩大，可以提高设备的利用率，充分合理地利用水、火等动力资源以 及提高供电质量和可靠性。但问题也是明显的：电力系统结构越来越复杂，调控 手段严重不足；运行稳定性问题突出，由于环境保护的制约、大规模的电网互 联、竞争的电力市场等原因，电力系统的运行条件越来越接近各种安全稳定极 限“”，稳定性的破坏可能危及整个电力系统，造成严重后果；对系统设备的绝 缘水平、容量及动热稳定方面的要求在不断提高“。 在我国，5 0 0 k v 输电线路己逐步成为我国电网的主网架，在我国电网中占掘 相当重要的地位，它的安全运行直接影响到电力系统的可靠性。1 9 8 1 年第一条 5 0 0 k v 输电线平武线投入运行，经过1 8 年的发展，截至到1 9 9 9 年底，5 0 0 k v 线 路长度已达2 7 。7 7 3 公里，占2 2 0 k v 及以上输电线总长度的1 9 。随着一：峡t 程、 曲幸j 水电基地和曲北煤电坫地的丌发建设，人容量、远距离输f n 及仝联嘲已 势在必行“”1 。目前，华北、东北、华中、华东己形成了5 0 0 k v 跨省网架，广 东、广西、云南和贵州通过5 0 0 k y 输电线路联系成南方四省联营电网，四川、 山东和福建也出现了5 0 0 k v 线路。 我国煤炭储量的8 2 和可开发水电的水资源的6 7 5 都集中在西部地区， 第一章综述 而电力消费主要集中在中部和沿海地区。能源资源和消费在地理分布上的不平 衡使得我国5 0 0 k v 电网在发展过程中主要承担长距离、大容量输电的任务。这 些输电线路的输送能力主要取决于线路的稳定极限嘲，中间缺乏足够的电源支 撑又使长距离输电线路的稳定极限通常较低。1 9 9 4 年投运的天广5 0 0 k v 交流输 电线路，由于中间广西5 0 0 k v 电网不强且缺乏大电源支撑，使得9 3 7 k m 长的天 广线受端侧的稳定极限每回都在7 0 0 m w 以下。为了适应我国电网的互联和规模 的扩大，电力行业面临的首要任务是提高电力系统稳态、暂态稳定水平，提高 5 0 0 k v 主干输电线路的电力输送能力和输电可靠性。 现代电力系统的特征是供电区域广、装机容量大、电压等级高，随着社会 经济的飞速发展，对电力系统的可靠性、稳定性和安全性的要求也越来越高， 对继电保护性能的要求也越来越苛刻。对继电保护而言，分析电力系统故障的 目的在于根据故障后电流、电压、阻抗等电气量的变化特点确定故障是否发生、 故障是否发生在被保护范围之内、故障的性质以及故障发生的准确位置，进而 决定继电保护是否动作。用于线路方面的继电保护装置作为电力系统的重要组 成部分在保证系统安全、稳定和经济运行方面起着重要的作用，当线路发生短 路故障时可及时切除故障线路，能够保障系统其它部分的正常运行 电力系统作为国民经济的支柱行业，其安全稳定运行是事关国计民生的大 事，自动重合闸技术作为保证系统安全供电和稳定运行的重要措施之一，已在 电网得到广泛的应用在电力系统的各组成元件中，线路作为覆盖面积最大且 工作条件最恶劣的元件，受各种各样自然条件的影响，其故障发生率是各个电 力设备中最高的，其中单相接地故障是输电线路故障的主要表现形式。 据运行经验表明，在1 l o k v 以上的大电流接地系统的架空线路上，短路故 障中7 0 以上是单相接地短路，特别是2 2 0 5 0 0 k v 的高压输电线，由于线间距 离大，单相接地短路甚至可高达9 0 之多。国家电力调度通信中心和中国电力 科学研究院2 0 0 1 年全国电网继电保护与安全自动装置运行情况统计分析表 明：2 0 0 1 年，2 2 0 k v 线路发生1 7 8 6 次故障，其中单相接地故障1 6 4 4 次，占9 2 0 5 ；3 3 0 k v 线路发生5 0 次故障，单相接地故障4 9 次，占9 8 ；5 0 0 k v 线路发生 1 7 7 次故障，单相接地故障1 7 5 次，占9 8 8 7 。其中大部分都为瞬时性故障， 瞬时性故障占线路故障的6 0 9 0 之多，线路重合闸重合成功率为8 1 1 3 。 由于线路故障以上的特点，因此，在线路断开后再进行重合闸，就能大大提高 系统供电的可靠性。对单侧单回线路来讲，可大大减少线路停电的次数；在有 2 第一章综述 双侧电源的高压输电线路上采用重合闸，还可以提高电力系统并列运行的稳定 睦，提商线路的输送容最。 自动重合闸按作用于开关的方式可分为三相重合闸、单相重合闸以及综合 考虑将两者结合起来的综合重合闸方式。单相自动重合闸是指在单相接地时未 发生故障的两相继续运行，仅跳丌故障相，然后再进行单相重合。随着远端能 源的开发和超高压远距离输电线路的建设，单相自动重合闸的应用r 益广泛。 我国5 0 0 k v 系统普遍采用举相自动重合闸，它与三相霞合闸相比有很多优 点“： a ) 在单侧电源供电的线路上采用单相故障单相切除，其它两楣仍继续供电，在 两相运行期问可以输送原来6 7 的负荷，避免了对用户供电的中断，从而 提高供电的可靠性。当由单侧电源单回线路向重要负荷供电时，对保证不问 断地供电更有显著的优越性； b ) 在双侧电源的联络线上采用单相重合闸，可以在故障时大大加强两个系统之 间的联系，当输送功率一定时，从保证系统稳定出发，线路允许丌断的时间 比三相分闸时问要长3 4 倍，从而提高系统并列运行的动态稳定性； c ) 对于联系较弱的系统，当采用三相重合闸而难以恢复同步时，采用单相重合 闸就能够避免两系统的解列，因为单相重合闸不存在同期问题，线路两端联 系的电网并没有失步： d ) 能降低操作过电压，减少断路器的同步操作次数，从而延长断路器的检修周 期和使用寿命； e ) 能降低大型热电厂的轴扭振烈度。 重合闸重合质量的好坏主要与动作时限的整定方法有关，为了尽可能缩短 停电时间，重合闸的动作时限应该越短越好。为实现单相重合闸，本文重点讨 论与之相关的潜供电流问题。 1 2 潜供电流对单相重合闸成功率的影响 当线路故障相自阳侧切除后，由于非故障相与断j r 相之川存在着电彳格合 和电感耦合，即便短路电流已被切断，但故障点弧光通道中仍有一定数值的电 流流过，此电流称为潜供电流。此电流产生的电弧，叫做潜供电弧。恢复电压 是在潜供电弧熄灭后瞬间出现在弧道上的电压。潜供电弧的特点是电容性电流， 但其发展过程必须以感应性电流为先导，使弧道获得充分的游离状态。当感应 第一章综述 性的数以千安计的大电流被切断后，短路弧道中出现了数十安级的电容性电流。 由于潜供电流的存在，对故障点灭弧产生影响，使短路时弧光通道的去游 离受到严重阻碍，而自动重合闸只有在故障点电弧熄灭且绝缘强度恢复以后才 有可能重合成功，潜供电流值较大时，故障点熄弧时间较长，将使重合闸重合失 败，因此单相重合闸必须要考虑潜供电流的影响。 单相自动重合闸的成功在很大程度上取决于故障点的潜供电流大小和 恢复电压幅值及上升速度“川在瞬时性故障时，电弧会经历熄灭、重燃、 再熄灭、再重燃等数个周期，因此潜供电弧的顺利自熄和弧道不再重燃是 单相自动重合闸成功的必要条件，这里所说的潜供电弧的自熄是指在预计 的时间( 如o 2 s ) 以内熄灭如果潜供电流值比较大，故障点熄弧时间超过 此时间，或者虽然熄灭，可是又重燃了，将使重合闸重合失败，势必会造 成对系统的再次冲击，使得断路器的运行工况恶化。所以我们有必要对线 路的潜供电流进行计算，确定其大小，为重合闸时间的整定提供依据。当 潜供电流超标时，需要采取相应措施来抑制。 。 在2 2 0 k v 及以下的电压等级线路上，运行经验及计算均表明，故障点 的对地电弧均能在约o 2 s 内快速熄灭，没有持续燃烧现象，可以不必考虑。 但在3 3 0 k v 及以上电压等级的线路上，由于电压升高、线路较长、容量大， 使得潜供电弧持续燃烧时间较长( 超过o 3 o 5s ) ，有时甚至不能自熄， 使得无法实现单相自动重合闸。为了限制潜供电流，一般在线路首末端的 并联三相电抗器接中性点小电抗来减小潜供电流。由于相间与相对地电容 有可能与电抗器的阻抗构成谐振回路，这就必须采取预防措施，从而增加 了系统保护的复杂性。随着电力建设的发展，电网间联络的增强，工频过 电压降低，使得l o o k m 左右的线路，不需用并联电抗器来降低工频过电压； 还有一些线路采用了静态补偿装置，于是这些线路的潜供电流得不到有效 地限制，单相自动重合闸成功率降低，这给系统的安全运行带来许多问题。 综上所述，为了减小潜供电流，提高重合闸重合成功率，一方面可采 用实测熄弧时间来整定重合闸时间；另一方面可采取减小潜供电流的措施： 如对3 3 0 k v 及以上电压等级的中长线路，在高压并联电抗器中性点加小电 、 抗，短时在线路两侧投入快速单相接地丌关等措施。 _ 一 4 第一章综述 1 3 国内外的研究现状 4 - 2 9 1 国内外对潜供电流的研究的文献不多，f 文从血个力曲 c 述 d 。替供电弧 课题的研究成果及应用。 潜供电弧参数的计算 文献 7 针对单回线双电源简单系统，采用集中参数表示的三相等值电路， 近似地用简单公式算出潜供电流和恢复电压的数值。此法计算方法简单、物理 概念消楚并能包括线路两侧系统状念的影l 响，对简单系统的计算具有一定的实 用价值。但对于复杂系统，此法计算会有一定的局限性。鉴于潜供电流参数计 算实际上是电力系统的一种复杂故障方式的电气计算，文献提出采用序网法。 目前国内计算复杂故障的程序几乎都采用这种方法，它可以相当准确地算出复 杂电力系统机电暂态过程中线路的潜供电弧参数变化过程。 文献e 3 7 表明，潜供电弧参数的计算应包括输电线两侧系统的运行方式和 条件。文献 2 4 在推导潜供电流公式的基础上，利用二次模方法编制专门的潜 供电流计算程序，与常规方法比较( 如e m t p ) ，不但数据可通过界面直接输入、 避免错误、计算准确，而且方程数减少，计算时间大大缩短。 在文献 8 ，9 中，梅忠恕对超高压电网潜供电流和恢复电压做了详细分析， 但分析模型是基于集中参数，且没有考虑分布电阻，计算的潜供电流会偏小。 根据文献 3 1 分析，考虑到超高压远距离输电线路是分布性参数，相对分御性 参数模型计算的结果而占，由于集中参数模型所造成的误差可达2 0 左右，这 是由于把沿线分布的漏电流全部忽略掉而引起的。 潜供电流的限制措施 目前国外限制潜供电弧的措施，主要有“”“8 1 ： a ) 固定联接的三相电抗器加中性点小电抗方法； b ) 具有选择丌关的三相电抗器加中性点小电抗的方法： c ) 综合单相重合闸的方法； d ) 采用快速接地丌关( m g hs p e e dg r o u n ds w i t c h ，简称h s g s ) 。 以上方法中，第1 种方法由于输电长线中广泛采用并联电抗器补偿捩得了 广泛的应用，但是该方法中性点小电抗需要较高的绝缘水平，运行灵活性较差。 第2 种方法灵活性好，但是需要额外的快速接地开关和控制设备，费用比第1 种方法要高。第3 种方法不需要额外的熄弧设备，但是在单相需要保持同步的 第一章综述 系统中，以及可能引起次同步谐振和轴系扭振的场合不能采用。第4 种方法不 需要中性点电抗器，费用较低，但是其保护和控制较复杂该方法在日本己建 成的特高压( u h v ) 系统中将得到应用”由于日本u h v 线路不换位，相间电容不 相等，难以补偿，而且u i t y 线路没有设高抗，也根本不可能用小电抗。 对于长输电线路，一般装有并联电抗器，可以采用中性点加小电抗的方法 限制潜供电弧。文献 3 6 ，4 0 通过理论分析及实践表明，在星形联接的并联电 抗器中性点接入补偿电抗器，对限制潜供电流及消除由于断路器非全相操作引 起的工频谐振现象起着关键作用。 对于中短线路等不需要装设电抗器限制工频过电压，或虽有电抗器，但接 在母线上，不是针对某条线路而设的情况，无法使用中性点加小电抗来熄灭潜 供电弧，影响单相重合闸的使用。此时可以采用快速接地开关来熄灭潜供电弧。 。文献e 2 5 ，2 6 重点研究用快速接地开关熄灭潜供电流，其实质是：当故障 相断路器跳开、h s g s 快速合上时，故障相的相对地电容被部