330 kV輸電線路斷路器取消合閘電阻適應性研究

楊 瑞,張 航,張廣東,劉 康,王翼虎,高立超

(國網甘肅省電力公司電力科學研究院,蘭州 730070)

0 引言

隨著新型電力系統的加快建設,甘肅清潔能源外送的任務與日俱增,在此新形勢下,對輸電線路的安全運行提出了更高的要求。目前,結合甘肅電網的規劃和實際生產需求,多條長距離輸電線路中段已建成或已有擴建變電站的計劃。對于電力系統主干輸電線路而言,合空線及單相重合閘通常是確定絕緣水平的關鍵因素[1-5]。限制上述過電壓通常采用斷路器加裝合閘電阻[6-7]作為主要方式,避雷器作后備保護或僅采用避雷器一種方式[8-14],并得到廣泛推廣。但實際經驗表明,斷路器加裝合閘電阻存在結構復雜、成本昂貴、故障率高等缺點[15-19],會降低斷路器動作的可靠性及系統運行的安全穩定性。綜上,合閘電阻的存在是否仍舊有利于330 kV短距離輸電線路的過電壓問題治理有待進一步研究。

本研究結合甘肅電網某線路實際情況,采用電磁暫態仿真軟件PSCAD通過仿真計算分析,研究330 kV系統不同距離輸電線路在合閘電阻和避雷器不同配置情況下,合閘電阻的投運狀態對合空線和單相重合閘2%統計過電壓水平的影響程度,得出330 kV不同距離輸電線路限制操作過電壓的策略,旨在為甘肅330 kV系統短距離輸電線路斷路器取消合閘電阻的適應性提供參考依據。

1 系統參數

2 計算模型

2.1 系統模型

系統簡化電路圖見圖1,由電源、變壓器、不同期斷路器、傳輸線路和氧化鋅避雷器組成,相應的系統仿真模型見圖2。文獻[21-24]對斷路器合閘操作過電壓水平的影響因素及影響程度進行了分析,因此文中主要考慮文獻中提到影響程度較大的線路避雷器[25]、線路模型及長度、合閘電阻接入時間的配置因素。

圖1 系統簡化電路圖

圖2 系統仿真模型

2.2 桿塔模型

330 kV某線路桿塔型號3A1-ZMC2,導線型號為JL/G1A-400/35,直徑26.8 mm,導線相間距離7 100 mm,分裂距離為200 mm,地線型號為OPGW-2S1/24B1,直徑12.7 mm,直流電阻為0.548 Ω/km,導線平均高度26.9 m,地線平均高度33.9 m,弧垂16.4 m,主力塔結構及輸電線路模型分別見圖3(a)、(b)。線路采用基于集中電路和分布LC參數行波傳遞的Bergeron(貝杰隆)輸電線路模型[26-27],該模型是一種無損長線模型,且其線路參數不隨頻率的變化而改變,可用于行波的求解問題。

圖3 輸電線路模型

2.3 斷路器模型

線路僅在送端變電站側斷路器中安裝合閘電阻,合閘電阻為400 Ω,斷路器使用統計開關模型,三相不同期合閘時間在3 ms范圍內,開關合閘相位在一個周波0.02 s內隨機產生,初始合閘相位的分散性會對過電壓幅值限制程度產生較大影響[28-29]。在軟件中設置隨機數產生次數,則程序自動執行不同隨機數下的2%統計過電壓計算,輸出計算結果的統計信息,包括每次產生的隨機值、對應的操作過電壓值及過電壓結果最大最小值等。分別考慮安裝和取消合閘電阻后的情況,圖4為斷路器帶合閘電阻示意圖。斷路器合閘時,K2先閉合,此時合閘電阻R(下文均以R代替)接入回路,10±2 ms后K1閉合,合閘電阻退出,即合閘電阻接入時間為10±2 ms。

圖4 斷路器帶合閘電阻示意圖

2.4 避雷器模型

參考線路實際運行避雷器進行建模,以省內330 kV線路避雷器典型型號Y10W-288/649W 為例,相關技術參數如表1,在避雷器(下文以MOA代替)模型中繪制V-A特性曲線,如圖5。

表1 避雷器技術參數

圖5 避雷器V-A特性曲線

3 操作過電壓計算結果及分析

3.1 操作工況

根據目前330 kV短距離傳輸線路的實際長度,模擬系統中輸電線路的距離分別考慮30 km,60 km,80 km,100 km,150 km 5種情況,且由于線路長度較短,同時設置較為嚴苛的運行情況,故不考慮并補高抗的接入。結合本研究內容,設置表2所示6種工況分別對上述不同距離的線路進行仿真分析。

表2 工況

3.2 合空線操作計算結果

仿真對一定長度的線路使用若干等長的分布參數表示,以便取得線路首端、線路中部、線路末端若干處作為信號測試點;調節K1和K2來控制主觸頭以及合閘電阻R的接入時間;斷路器采用統計開關模擬,合閘相角在一個周波內隨機均勻分布,三相合閘時差在3 ms內隨機均勻分布[30]。

圖6為6種工況下合空線路操作過電壓沿線分布曲線,對于較短線路 (不超過200 km ) 通常不安裝并聯電抗器,只考慮有無合閘電阻及避雷器的場景。圖7為80 km線路在進行合空線操作時,過電壓最大值測點的三相相電壓變化曲線,其中第3種和第6種工況兩端均加裝避雷器時,過電壓最大值出現在線路中后部,其他工況下均出現在末端。

圖6 6種工況下合空線操作過電壓沿線分布曲線

圖7 6種工況下80 km線路合空操作過電壓最大值測點三相電壓變化曲線

表3為合空線操作2%統計過電壓詳細數值。從表中數據可以看出,同種工況下,隨著線路距離的增加,過電壓幅值呈增長趨勢,且由于輸電線路的容升效應[31],線路末端未裝設避雷器時,末端往往呈現更高的過電壓;避雷器對于操作過電壓有明顯抑制作用,其抑制程度隨避雷器裝設的位置不同而不同,若加裝位置只處于首端,可大幅降低首端過電壓幅值,抑制效果明顯高于末端;首末兩端加裝避雷器對兩端過電壓改善有很大的效果,此時最大過電壓出現在線路中后段;當線路距離在60 km及以內時,過電壓幅值在標準允許范圍內,可以取消合閘電阻,距離在60 km以上時,需要結合具體線路詳細模型確定是否可以將合閘電阻退運;合閘電阻投運后抑制操作過電壓現象效果顯著,可吸收輸電線路中大部分的能量。

表3 合空線操作統計結果

若在330 kV輸電線路較長且避雷器不能完全將過電壓幅值限制在標準范圍內的情況下,需要在斷路器安裝合閘電阻以確保線路過電壓水平在允許范圍內。

3.2 單相重合閘操作計算結果

單相重合閘操作下6種工況沿線2%統計過電壓水平[32]計算結果見表4。由于單相重合閘沿線相電壓波形與合空線變化趨勢相近,因此對其過電壓沿線分布曲線及相電壓曲線不再贅述。

表4 單相重合閘操作統計結果

與合空線結果分析類似,單相重合閘統計過電壓幅值隨線路長度的增加而升高,近似于線性關系;避雷器的加裝能一定程度抑制過電壓現象,但隨著位置裝設的不同抑制效果也不同;線路合閘電阻的投運能最有效地限制操作過電壓。

4 結論

對330 kV線路距離、合閘電阻、避雷器裝設位置影響操作過電壓的程度進行研究,分別計算了6種工況下對合空線、單相重合閘統計操作過電壓的影響,得出以下結論:

1)輸電線路長度是影響操作過電壓幅值的一個重要因素,其原理是因為容升效應。線路越長,過電壓幅值越高。且過電壓最大值通常出現在線路末端。

2)在線路首端加裝避雷器,可有效抑制首端過電壓水平。兩端同時加裝避雷器,過電壓最高點出現在線路中后段,但其最大值低于無避雷器且無合閘電阻的情形,避雷器的加裝可有效改善過電壓現象。若在較長線路且線路容升現象顯著的情況下,避雷器的作用會將中段電壓“抬升”,線路中段的過電壓幅值可能會超出限值,需考慮線路更為詳細的實際情況。

3)當330 kV線路距離在60 km及以內時,可以取消合閘電阻,距離在60 km以上時,需要結合具體線路詳細模型確定合閘電阻能否退運。合閘電阻相對于避雷器,有更好的抑制過電壓作用,可作為過電壓治理的最有效策略。

分析可知,避雷器雖對過電壓治理有明顯作用,但不能一概而論,倘若線路較長且容升現象顯著,僅靠裝設避雷器是不能達到預期的,過電壓依舊會超出標準限值,需考慮更為詳細的實際工程情況。