特高压半波长交流输电系统稳态运行特性分析

特高压半波长交流输电系统稳态运行特性分析

0特高压半波长交流输电系统稳态特性半波长通信技术是指电压距离接近1个工频半波，即3000km（50hz）的超级短距离通信技术。与传统交流输电方式相比,半波长输电线路不需要安装无功补偿装置,不需加设中间开关站,过电压水平不高,一般不超过中等距离的交流输电线路。近年来,全球应对气候变化挑战,特高压半波长交流输电技术受到国内外学者和专家的广泛关注。研究特高压半波长交流输电系统中输电线路的稳态特性,对于未来将该技术应用于实际工程,解决我国目前面临的能源结构问题,有着重要的科学价值和潜在的应用前景。本文首先从多导体传输线理论入手,结合我国特高压交流输电工程的实际情况,建立半波长交流输电系统的电路模型。然后基于所建模型,分析空载、轻载、匹配、重载等负载特性对输电线路沿线电压、电流、线路损耗、电晕损耗的影响。最后研究半波长输电系统受端分别接感性负载和容性负载2种情况下,功率因数对传输线路沿线电压、电流的影响。1多导电传输线非线性模型由于半波长交流输电线路的长度与工作波长可以比较,为了保证输电线路沿线电压、电流分析的正确性,不能够再使用集总参数电路模型,必须采用分布参数电路模型。为了便于分析,在此应用均匀传输线模拟半波长输电线路,即传输线单位长度的电感、电阻、电容、电导沿线是均匀分布的。根据多导体传输线理论、电磁场理论,结合我国特高压交流输电工程线路及输变电设备的实际情况,基于导线水平和三角2种排列方式,考虑趋肤效应、大地有限电导率、电晕损耗及线路的循环换位等因素对半波长输电线路的影响,计算了半波长输电系统中的系统参数及线路参数,应用多导体传输线理论,建立了半波长输电系统的等效电路模型,如图1所示。图1中US为输电线路的等效电源,Xd1为三绕组变压器高压侧的电抗。由传输线理论可知,均匀传输线电报方程的正弦稳态解为式中:为线路的特征阻抗;为线路的传播常数;0L、0R、0C和0G分别为传输线单位长度上的电感、电阻、电容和电导。根据图1所示的等效电路模型,半波长交流输电系统满足如下边界条件若已知传输线受端的电压和电流,由方程式(1)—(3)就可以得到半波长交流输电系统中沿线电压和沿线电流的分布。2稳定操作特征2.1电路沿线电压和电流的分布特性2.1.1负载匹配情况下半波长交流输电系统沿线电流的相位假设受端电压U2(l)=1∠0pu,特高压半波长交流输电系统在空载、轻载、匹配、重载等负载情况下,输电线路沿线电压的分布特性如图2所示。图中S0为自然功率,根据电路模型S0=4357kW。从图2可看出,当系统空载时,输电线路两端电压接近于负载匹配时的电压,而中间点电压接近于0;在负载由轻载变化到匹配的过程中,沿线电压逐渐接近于负载匹配时的电压,负载越接近于匹配情况,沿线电压的变化幅度越小;在负载由匹配到重载的变化过程中,沿线电压均高于自然功率时相应的电压,重载情况越轻,沿线电压的变化幅度越小。通过计算空载、轻载、匹配、重载等负载情况下半波长交流输电系统沿线电压的相位,得出沿线电压相量的轨迹图,如图3所示。由图3可知:空载时,送端电压与受端电压的相位差约为180.3°,基本上是反相的,中点电压与受端电压的相位差约为145.4°;在轻载、匹配、重载情况下,送端电压与受端电压的相位差为182.5°~189°,中点电压与受端电压的相位差为91°~95°。计算了半波长交流输电系统在空载、轻载、匹配、重载等负载情况下输电线路的沿线电流,其分布特性如图4所示。由图4可知:当系统空载时,输电线路两端电流低于负载匹配时的电流,而中间点电流接近于负载匹配时的电流;在负载由轻载变化到匹配的过程中,沿线电流逐渐接近于负载匹配时的电流,负载越接近于匹配情况,沿线电流的变化幅度越小;在负载由匹配到重载的变化过程中,沿线电流均高于自然功率时相应的电流,重载情况越轻,其变化幅度越小。通过分析空载、轻载、匹配、重载等负载情况下特高压半波长交流输电系统沿线电流的相位,可以知道:空载时,送端电流与受端电流的相位差约为236.4°,中点电流与受端电流的相位差约为91°;在轻载、匹配、重载情况下,送端电流与受端电流的相位差为182°~189°,中点电流与受端电流的相位差为91°~94.5°,随着负载的增大,沿线电流相量实部的增幅较虚部的增幅更大一些。2.1.2各线路待考内高、电流小时限内传播特性分析当输电线路受端发生三相短路故障时,特高压半波长交统输电线路沿线电压、电流的分布特性如图5所示。由图5可知:三相短路时,输电线路送端的电压很低,线路中间段出现高电压,最高接近于10.2倍的基准电压;线路中间段的电流很低;但输电线路两端的电流比较高,最高接近于25kA。2.2线路损耗分布特性对特高压半波长交流输电系统在空载、轻载、匹配、重载等负载情况下,输电线路的线路损耗、电晕损耗进行了计算,计算结果见表1。由表1可知:系统空载时,输电线路总线路损耗和总电晕损耗均最小;在负载由轻载变化到匹配的过程中,总线路损耗和总电晕损耗均低于负载匹配时相应的量值;在负载由匹配到重载的变化过程中,总线路损耗和总电晕损耗均高于负载匹配时相应的量值。当系统受端发生三相短路时,输电线路线路损耗与电晕损耗的分布特性如图6所示。由图6可知:送端和受端的线路损耗较大,线路中点处的线路损耗接近于0;系统送端和受端的电晕损失接近于0;线路中点处的电晕损失最大;受端发生三相短路时,总线路损耗和总电晕损耗非常大,应及时切除三相短路故障。2.3影响因素的影响2.3.1负载匹配时,各系数时最大阵风下输电线路延线电流和接收量在轻载情况下,随着负载功率因数的增加,送端电压和中点电压逐渐减小,送端电压先低于中点电压,当功率因数增加到某一值时,送端电压会高于中点电压;当功率因数很低时,线路中点出现过电压现象;功率因数越高,负载越接近于匹配负载,沿线电压的变化幅度越小。当负载匹配时,输电线路沿线电压随功率因数的变化曲线如图7所示,由图7可知,随着功率因数的增加,送端电压和中点电压最终减小到与受端电压相等的量值。在重载情况下,随着功率因数的增加,送端电压和中点电压也逐渐减小,但送端电压和受端电压始终低于中点电压。在轻载情况下,随着负载功率因数的增加,送端电流和中点电流逐渐减小,送端电流和受端电流先高于中点电流,当功率因数增加到某一值时,送端电流和受端电流又低于中点电流。当负载为匹配负载时,随着功率因数的增加,送端电流和受端电流最终减小到与中点电流相等的量值,输电线路延线电流随功率因数的变化曲线如图8所示。在重载情况下,随着功率因数的增加,送端电流和受端电流始终高于中点电流,而送端电流又略高于受端电流。2.3.2负载级数对接感负载和容性负载后电压、电流的影响在轻载情况下,随着负载功率因数的增加,送端电压缓慢增大,中点电压逐渐减小,当功率因数增加到某一值时,送端电压会高于中点电压;当功率因数很低时,线路中点出现过电压现象;功率因数越高,负载越接近于匹配负载,沿线电压的变化幅度越小。当负载匹配时,输电线路延线电压随功率因数的变化曲线如图9所示,由图9可知,随着功率因数的增加,送端电压最终增加到与受端电压相等的量值,中点电压最终减小到与受端电压相等的量值。在重载情况下,随着功率因数的增加,送端电压逐缓慢增大,中点电压逐渐减小,但送端电压和受端电压始终低于中点电压。在轻载情况下,随着负载功率因数的增加,送端电流和受端电流均逐渐减小,中点电流缓慢地增大,送端和受端电流先高于中点电流,当功率因数增加到某一值时,送端和受端电流又低于中点电流和受端电流最终减小到与中点电流相等的量值,输电线路沿线电流随功率因数的变化曲线如图10所示。在重载情况下,随着功率因数的增加,送端和受端电流均逐渐减小,始终高于中点电流,送端电流又略高于受端电流。通过比较可知,系统受端接感性负载和容性负载时电压、电流的主要区别在于:接感性负载时,随着功率因数的增加,送端电压、中点电压、沿线电流是逐渐减小的;而接容性负载时,随着功率因数的增加,送端电压是逐渐增加的,中点电压是逐渐减小的,送端电流和受端电流也是逐渐减小的,但中点电流是缓慢增加的。2种负载情况下,负载功率因数越高,线路的电压和电流越稳定。3线路损耗及电晕损失分别比较了空载、轻载、匹配及重载等情况下,特高压半波长交流输电系统在水平排列和三角排列2种方式下线路电压、电流、线路损耗及电晕损失,结果分别列于表2—4中。由表2、3可知,在负载相同的情况下,水平排列时送端电压略高于三角排列时的相应量值,电流略低于三角排列时的相应量值。由表4可知,水平排列时传输线路的总线路损耗和总电晕损失基本上均高于三角排列时的相应量值,但在受端三相短路情况下,水平排列时传输线路的总线路损耗和电总晕损失却低于三角排列时的相应量值。4接容性负载时最大情况时接端电压和电流1)空载时,送端电压和受端电压接近于负载匹配时相应的电压,送端电压与受端电压的相位基本是反相的,而中点电压接近于0;送端电流和受端电流远低于负载匹配时的电流,而中点电流接近于负载匹配时的电流。轻载时,沿线电压、沿线电流、线路损耗及电晕损耗均低于负载匹配时相应的量值。重载时,沿线电压、沿线电流、线路损耗及电晕损耗均高于负载匹配时相应的量值。2)接感性负载时,随着功率因素的增加,送端电压缓慢减小,中点电压减小的幅度较大;两端电流逐渐减小,但变化幅度较大,中点电流则缓慢减小。接容性负载时,随着功率因数的增加,送端电压缓慢增大,中点电压逐渐减小;两端电流逐渐减小,但变化幅度较大,中点电流缓慢地增大。当功率因数很低时,线路中点产生过电压,负载过大时,送端也会出现过电压。功率因数越高,线路电压和电流越稳定。3)三相短路时,送端不会出现过电压,中点处产生过电压;送端和受端电流很大,但中点电流较小;中点处的线路损耗接近于0,电晕损失最大,而送端和受端的线路损耗较大,电晕损失却接近于0。4)轻载、匹配和重载情况下,水平排列方式下送端、中点的电压均略高于