潜供电流综述.docx

高压输电线路潜供电流及单相自动重合闸xxxxxxxSecondary Arc Current and Recovery Current in High-Voltage Transmission Lines and Single-Phase Auto ReclosurexxxxxxxxABSTRACT: This article introduced the generation mechanism and the characteristics of secondary arc current based on several key time points during the fault. Then the paper built a mathematical model for measuring secondary current and recovery voltage by using distributed parameter circuit. Based on aforesaid analysis, this paper then introduced factors that influence secondary arc current and recovery voltage, and two main suppression methods were also analyzed. Reclosure operation is necessary after the single-phase earth fault and thus, comparisons were made between two reclosure plans, namely, fixed-time-delay based reclosure plan and adaptive-secondary-arc-extinction based reclosure plan, the algorithm of the later was given.KEY WORDS: Single-phase earth fault, secondary arc current, recovery voltage, single-phase auto-reclosure摘要:本文首先以故障发生的重要时刻为量度介绍了潜供电流的产生机理及特性，接着通过建立相关数学模型，在分布参数电路基础上定量分析了潜供电流与恢复电压的计算方法。并在此基础上分析了影响潜供电流与恢复电压的因素，对主要的两种潜供电流抑制措施进行了介绍与分析。单相接地故障后需对线路进行重合闸操作，比较了基于固定重合闸时间的单相重合闸方案和基于自适应熄弧时间的单相重合闸方案，并对后者的算法进行了梳理。关键字: 单相接地故障，潜供电流，恢复电压，单相自动重合闸0 引言自20世纪7090年代国内外开展特高压输电技术研究以来，输电线路故障一直是人们关注的重要问题之一。据统计，在超(特)高压输电线路中，由于相间距离大，500kV线路故障中90%以上是单相接地故障。随着电压等级的升高，线路间的空间距离也越大，因此，对于特高压输电线路来说多相故障的发生率减小，而单相故障的发生率增加1-2。另外，特高压输电线路的杆塔较高压来说增高很多，线路上工作电压幅值很大，易由线路上产生向上先导，这些因素会使避雷线屏蔽性能变差，引发瞬时性故障。因此，对于特高压输电线路来说，单相瞬时性故障发生的几率相对来说更大。由于单相接地故障中，大部分为瞬时性故障，因此多采用单相自动重合闸来消除故障。使用单相自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行，从而尽快恢复系统的正常运行状态3。线路出现单相接地故障时，在健全相上产生的瞬态过电压为单相接地故障过电压，它是操作过电压的一种，也称为短路过电压4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，由于相间耦合作用的存在，故障点处仍会流过一定的电流，即为潜供电流，此时弧道上仍有小能量的电弧继续燃烧，使短路时弧光通道的去游离受到严重阻碍，而单相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由于超高压特高压系统电压高，线路长，相间电容耦合强,使得电弧燃烧时间也较长，直接影响了特高压线路单相重合闸的无电流间歇时间，大大降低了单相自动重合闸的成功率。2 潜供电流与恢复电压的模型及等效电路2.1 潜供电流与恢复电压的机理及特性对于潜供电弧的研究，国内外已经开展了诸多研究，主要集中在两个方面，一是潜供电弧的产生、熄灭、重燃以及影响因素等5-7；二是与电力系统交互作用，其中主要研究线路参数对电流、弧道恢复电压、燃弧时间的影响8。潜供电流是单相重合闸过程中产生的一种电磁暂态现象。其产生机理如图1所示。当线路发生单相(C相)接地故障，故障相两端断路器跳闸后，电源和系统从两边向故障点提供的短路电流被切断，非故障相(A、B相)仍在运行，且保持工作电压。由于相间电容C12和相间互感M的作用,使得故障点处产生了由电容分量和电感分量两部分组成的潜供电流。电容分量即是指非故障相的电压通过相间电容C12向故障点提供的电流，在大部分无补偿情况下起主要作用；而正常相上的负载电流经相间互感在故障相上感应出电动势EM这个电动势通过相对地电容C0及并联高抗形成的回路，向故障点提供电流，即为潜供电流的电感分量。当潜供电流熄灭后，同样由于相间电容和互感的作用，在原弧道间出现恢复电压，这就增加了故障点自动熄灭的困难，以致单相重合闸失败。潜供电弧零休阶段的特性决定了电弧的熄灭与重燃，这一过程中，弧道恢复电压的上升率起着至关重要的作用9。图1 单相接地故障Fig.1 Principle of secondary arc current2.2 单相接地故障等效电路为建立潜供电流与恢复电压的数学模型，我们可将发生单相接地故障后潜供电流与恢复电压的产生按时间顺序分为以下四个阶段：(1) 第一阶段：正常运行输电线路正常运行时，输电系统保持稳定平衡，各电流量、电压量无自由分量。图2第一阶段Fig.1 Stage 1(2) 第二阶段：单相接地故障发生假设A相在t0时刻发生接地故障，则电路拓扑模型可用图表示。R1为短路电弧电阻。输电线路首端、末端、故障点处的电压可以通过态方程求解得到。短路电流主要取决于故障相自身回路的阻抗， 健全相则由于相间阻抗很大而影响甚微。另外，电路中各元件电流、电压的衰减系数及振荡频率主要由故障点位置与短路电弧电阻 R1决定；电路中各储能元件初始值则由故障发生时刻决定。故障后，电路各状态量的自由分量经过衰减后形成新的稳定状态。图3第二阶段Fig.3 Stage 2(3) 第三阶段：潜供电弧产生，接地故障切除单相接地故障发生后，输电线路上首先产生短路电流，随后线路两端的断路器受到跳闸信号后开始动作，实现分闸切除故障后，短路电流过零，短路电弧熄灭后，故障点随即形成潜供电弧。其潜供电流的自由分量主要由潜供电弧电阻与故障发生的位置决定；强制分量则由相间阻抗决定，即取决于并联电抗补偿度及中性点小电抗。该阶段的电路状态仍然会在经过自由分量衰减后形成新的稳定状态。等效电路如图3所示，R2为潜供电弧电阻。图4第三阶段Fig.4 Stage 3(4) 第四阶段：潜供电流电弧熄灭潜供电弧过零熄灭后，恢复电压迅速起始。在此阶段，对于不同故障点和不同潜供电流过零时刻，潜供电弧恢复电压各自由分量的系数也不同。实际上，输电线路多为欠补偿， 其相间阻抗呈容性且远大于潜供电弧电阻。因此，在潜供电弧过零熄弧时，相间电容电压为峰值，相间电感电流则为0。图5第四阶段Fig.5 Stage 42.3 潜供电流与恢复电压的计算为了分析潜供电流与恢复电压的影响因素，对单相接地故障切除故障后的电路进行建模并计算。由上文知，潜供电流产生的原因是，故障相电源虽被切断，但由于非故障相仍带电运行，它通过相间电容仍对故障点进行供电，这一部分电流称为电容分量；由于相间互感的影响, 故障相上将被感应出一个电势，在此电势作用下，通过故障点及相对地电容形成一个环流，该部分电流称作电感分量。目前, 国内外对潜供电弧参数的计算多采用集中参数电路的观点和理论分析处理。由于其计算方法简单、物理概念清楚并能包括线路两侧系统状态的影响, 因而对简单系统或者中短距离输电线的计算具有一定的实用价值。而电力系统中，远距离的高压电力传输线是典型的分布参数电路, 在50 Hz工频情况下, 电流、电压其波长虽为6000 km, 但远距离输电线长度达几百甚至几千千米, 已可与波长相比。故采用分布参数电路模型推导潜供电弧的参数。本文计算潜供电流所用参数为：L为每相导线的自感系数，M为相间互感系数，C0为每相导线的对地电容（以单位长度计算），C为相间电容（以单位长度计算）。如图6所示, 设故障发生在C相上，C相两端断路器 BC 和BC 已被断开, 短路电流被切除, 故障相中的电压和电流分别为U和I；A和B两相仍在运行，其上的电压分别为UA 和UB, 其中的电流分别为IA和IB。为简化计算，本文作出以下三点假设：(1)忽略非故障相对地电容；(2)忽略故障相的沿线电阻；(3)略去全部对地有功泄露10。根据以上条件，可写出下列表达故障相电压U和电流I的分布情况的传输线方程式：图6潜供电流基本参数图Fig.6 Basic parameters of secondary arc current 式中，l为线路长度，单位为km; 为314。为简化公式，令(1)中的； 。对(1)式第一式对l求偏微分，考虑到本节主要目的是求解潜供电弧参数，电弧的熄灭速度与弧中电流的关系在一定误差范围内影响不显著，因此忽略IA+B的沿线变化，即 ，联立(1)中第二式，可解得U和I的表达式。令，则： 其中， 由边界条件求解得到常数A1和A2，代入上式中可得到： 以上两式为决定故障相上电压电流分布的基本方程式，U和I求法如下： 将线路分成两部分，0-x 和x-l。通过对两队分别计算得到： 其次，再求故障相上的电流分布。这里将接地电阻略去不计，即设电弧弧道电阻为零，短路点的电位与大地相同，即在处：Ux=0。同样将线路自x处分为前后两, 0-x和x-l。根据两段的边界条件, 分别解得0-x这一段上的Ix和x-l这一段上的Ix，两电流叠加，得到x处的潜供电流为： 结合及的表达式以及反三角函数的相关特性，可以得到潜供电弧参数的一般性规律：(1)由电容关系引起的恢复电压分量UxC沿输电线路的分布为常数，与故障点的位置无关。在物理意义上可以解释为它是由于相间电容与对地电容之间的分压关系引起的分量，其值与C和C0有关，即与线路的结构（线间距、分裂情况及排列换位等）和长度有关，而与故障点位置无关。(2)由互感引起的恢复电压分量UxL和潜供电流分量IxL不仅与线路参数M，L和C0有关，而且还与线路的电流(或输送潮流)及故障点位置密切相关，均以线路中点为原点，左右对称，大小相等而符号相反。当故障点发生在线路的首端时，潜供电流的方向由大地流向线路，潜供电流的互感分量IxL与电容分量IxC相加，其值最大；当故障点发生在线路的末端时，方向由线路流向大地，互感分量IxL与电容分量IxC相减，数值略低于首端。若故障发生在线路中部，由于对称关系，潜供电流互感分量的前后两部分相抵消，此时具有最小的互感分量电流。若线路两端电压相等的话互感分量电流近于零。(3)由电容关系引起的潜供电流分量IxC与线长基本上呈线性关系，随线路长度的增加成正比例增大，这是因为在无补偿线路的潜供电流中，由非故障相相间电容混合而产生的电容分量占主要部分，而它基本上随线路长度增加成正比增加。因此，潜供电流的总量与线路长度的关系呈线性(一次方)关系，潮流大时更明显。图中IxC代表仍处于工作状态的A,B两相经过相间电容，经由C相接地弧道流入。(4)另外，潜供电弧参数是其电容和互感分量两者的矢量和,电容分量的大小取决于线路的相间电容以及两相运行时非故障相的实际运行电压,而互感分量的大小则取决于线路的相间互感以及两相运行时非故障相的实际电流。潜供电弧参数不仅取决于线路本身的固有参数和故障点的位置,而且与线路的运行参数,即单相重合期间两相运行时非故障相电流电压的分布有关，沿线(非故障相)各点的电压和电流随故障点的位置变化,而且电压和电流在数值上和相角上也都在变化11。2.4 潜供电流与恢复电压的影响因素潜供电弧的动态物理过程与很多因素密切相关，集中体现为2大类，即确定性因素与非确定性因素：确定性因素主要包括线路长度、电压等级、并联电抗器位置及其补偿度(或快速接地开关)、杆塔结构等；非确定性因素主要包括故障位置、短路电弧电流大小及其持续时间、风速大小与方向、弧道恢复电压等。其中，线路长度、电压等级等因素通过影响潜供电流值、恢复电压及其上升率的大小从电气上间接影响潜供电弧的物理特性；而风速、风向、短路电弧等因素通过作用于弧道而直接影响潜供电弧的发展与重燃特性12。另外，随着电压等级的提高,潜供电流对系统的危害越来越明显,线路传输功率是影响潜供电流的重要因素之一。在不同的传输功率下,随着故障点位置的改变，潜供电流的变化趋势也有所不同。当故障点靠近线路首端或末端时, 潜供电流随传输功率的增大而变大；当线路处于轻载状态，故障点在线路中间部分时，潜供电流相对大些 , 但随着故障点位置的改变,潜供电流的大小变化并不大；而当线路输送功率较大时,线路首末两端发生故障的情况下潜供电流较大,需采取安装限流器等的方式加以抑制13。2.5 潜供电流与恢复电压的抑制措施目前，在实际运行中,装设高抗和中性点小电抗或高速接地开关(high speed grounding switch, HSGS)是限制 潜供电流和恢复电压的两个主要措施。我国500kV线路上采用高抗和中性点小电抗来限制潜供电流和恢复电压的方法已有丰富 的经验，我国晋南荆特高压试验示范工程和前苏联特高压线路上均采用了此方法。 但中性点小电抗对于不换位线路潜供电流的限制、同塔双回线路双回两相(同名相或异名相)故障时潜供电流的限制效果较差。针对后者，国内有学者提出了新的小电抗接线方式，将两回中性点小电抗连接后再通过一个小电抗接地，以此方法补偿两回线间的电容耦合。该方法需要同时 选择6个小电抗值，工作量较大，而且还没有在实际运行中的经验。国内外有一些关于HSGS的研究，不过研究中所考虑的因素(如换位、故障方式)不够全面。韩国的一条765kV线路上采用了高速接 地 开关来抑制潜供电流和恢复电压，运行经验表明效果良好。日本曾计划在其国内的1000kV线路中使用高速接地开关，但这些线路均为不换位线路，对于经过换位的线路，高速接地开关能否适用还需作进一步研究。我国也开展了一些关于高速接地开关抑制潜供电弧的研究14。2.5.1 中性点并联小电抗下面以同塔双回线路为例，介绍中性点小电抗的选取及计算方式。首先确定线路参数:Xp为并联高抗，Xm为高抗并联电抗，Xn为中性点小电抗，Xh为相间互电抗，Xg为相对地电抗，Xi为回间互电抗，Ci为回间电容，Ch为相间电容，Cg为相对地电容参数间补偿关系为，Xh用于补偿Ch；Xi用于补偿Ci ，Xg用于补偿Cg。由电路相关知识可求出： 设k为并联电抗器的补偿度，Bg, Bh和Bi分别为线路的对地、相间和线间电纳，Bg=Cg ，Bh=Ch,，Bi =Ci。则XgBg =k，XhBh =k， XiBi =k 根据k值, 选择合适的 Xg，Xh，Xi, 进而可以求出 Xp，Xm, Xn， 使潜供电弧和恢复电压限制在要求值以下，即： 图7中性点小电抗补偿电路接线图Fig.7 Neutral reactor compensation scheme图8等效电路Fig.8 Equivalent circuit图9同塔双回线路电容分布Fig.9 Capacitive susceptances of double-circuit lines2.5.2 快速接地开关HSGSHSGS 是熄灭潜供电弧的有效方法。当线路发生单相接地故障时，故障相两侧断路器跳开以后，先合上故障线路两侧的HSGS，HSGS的投入可以使故障点的潜供电流转移到两侧闭合的HSGS上，与故障点形成分流，减小了流过故障点的潜供电流，从而使电弧容易熄灭，然后再打开HSGS，利用开关的灭弧能力强行将电弧熄灭。文献15指出，在特高压线路中，HSGS 限制潜供电流的方法适用于不换位的线路。HSGS的接地电阻对 HSGS 限制潜供电流效果的影响很大，一般要求小于 0.5 。加装 HSGS前后，线路越长，潜供电流和恢复电压的值越大， HSGS 只适用于短线路，一般要求小于 200 km。文献16指出，线路加设 HSGS 并采取合理的时序控制，可以有效限制同塔双回输电线路的潜供电流，减少潜供电弧燃弧时间，以实现快速单相自动重合闸。减小HSGS 接地电阻，有利于熄灭潜供电弧。3 单相自动重合闸自动重合闸是保证电力系统安全稳定运行的重要措施之一。重合闸时间的整定主要考虑以下因素: (1) 保护跳闸后故障点电弧熄灭时间； (2) 故障点绝缘恢复时间；(3)考虑一定的时间裕度。保护跳闸后故障点电弧熄灭时间包括2部分：短路故障持续时间和短路故障消除后潜供电弧熄灭的时间。故障点绝缘恢复时间是指，潜供电弧熄灭后，弧道的绝缘恢复所需要的时间，如果弧道绝缘恢复时间过短，可能会导致线路重合时再次发生短路故障，影响单相重合闸的成功率。时间裕度的提出是考虑到，潜供电流的自灭时间和弧道的绝缘恢复时间不仅与潜供电流和恢复电压的大小有关，还受风速、风向等气候条件的影响，因此具有一定的随机性。为保证重合闸具有较高的成功率，还要留有一定的裕度17。目前电力系统中广泛采用的单相自动重合闸通常都是盲目重合，即重合之前不进行故障性质的判别，且动作时限也是固定值（预先整定）。传统重合闸可能出现重合失败。重合失败会对系统和断路器造成再一次的冲击。文献18提出了一种自适应熄弧时刻的单相重合闸新方案。目前自适应重合闸的研究集中在两个方面: (1) 故障性质的判别，主要是永久性故障判别方法的研究; (2) 自适应重合闸时间的研究，其主要是最佳重合时刻的确定，即利用故障前运行状态、故障类型及位置等计算最佳重合时刻，以提高系统的稳定性。3.1固定重合闸时间存在的问题现有单相自动重合闸的动作时限是固定的，其整定考虑了故障点电弧熄灭及弧道介质绝缘强度的恢复、断路器的恢复时间、线路两侧保护的动作时间等的影响。但故障点电弧熄灭时间主要与故障点风速、湿度、电弧长度、潜供电流值、线路长度等因素有关。 在不同的条件下，故障点电弧熄灭时间差异明显，导致重合闸时间的整定困难。采用固定的重合闸时间的重合闸存在以下两个方面的问题。(1) 为了避免重合闸失败，在输电线路上采取了多种措施来促使潜供电流能够在短时间内自熄。因而输电线路发生单相接地故障，两侧断路器跳开故障相后，在大多数情况下故障点的电弧会在很短的时间内熄灭。若采用固定时限实现重合闸，延长了非全相运行时间。(2) 当输电线路在某些恶劣天气条件下发生单相接地故障时，两侧断路器跳开故障相后，在很长时间内二次电弧不能够熄灭。传统重合闸经固定延时重合，将会重合于二次电弧没有熄灭或绝缘没有恢复的输电线路上， 再次对系统和断路器造成冲击，导致重合失败。对于采用永久性故障判别的自在固定重合闸延时内可能会将故障性质判为永久性故障，闭锁重合闸，丧失重合机会。3.2自适应熄弧时刻的单相重合闸新方案从故障电弧的发展过程来分析单相重合闸。成功重合时重合闸过程如图10所示。 t1 时刻输电线路发生单相接地故障，t1至t2时间段故障点流过短路电流， 在t2时刻线路两端保护动作跳开故障相断路器，在t2至t3时间段，由于非故障相对故障相的电容耦合和电感耦合，存在潜供电流和二次电弧。随着时间的推移，在t3 时刻二次电弧熄灭。可见，在单相跳闸后的非全相运行过程中， 二次电弧需经一定时间后才能熄灭。在恶劣的天气等情况下，故障点将在很长。新方案在两侧保护动作跳开故障相断路器后，利用一定数据窗的数据进行二次电弧熄灭判别。若判别结果为二次电弧未熄灭，进一步判别延时是否到T1；若没有到达 T1，则利用下一时间窗数据进行二次电弧熄灭判别。依次循环，直至到达延时T1。在此过程中，若判别结果为二次电弧已熄灭，则经延时T2重合故障相断路器。算法流程图见图11。图10 重合成功时重合过程Fig.10 Reclosing process under temporary faults图11 自适应熄弧时刻的单相重合闸流程图Fig.11 Flow chart of adaptive reclosing time for single-phase reclosure scheme5. 参考文献1 尹忠东，周丽霞，肖湘宁，等特高压同杆双回功率传输对潜供电流的影响J，高电压技术，2009，35(4)：717-721YIN Zhongdong，ZHOU Lixia，XIAO Xiangning, et al. 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