甩负荷引发的工频电压升高现象分析

当输电线路重负荷运行时,由于某种原因(如发生短路故障)使线路末端断路器突然跳闸而甩掉受端负荷,也是造成工频电压升高的一个重要原因,通常称作甩负荷效应。

甩负荷引起工频电压升高的主要原因如下:

(1)发电机电势不能突变。当线路输送大功率时,发电机的电势必然高于母线电压。甩负荷后,由于磁链不能突变,发电机将在短时间内维持高的暂态电势不变,导致母线电压上升。

(2)空载长线的电容效应。线路末端从带负荷变为末端开路,出现空载长线的电容效应。

(3)原动机的调速机和制动设备的惰性。由于这些设备的惰性,甩负荷后不能立即起到调速作用,使发电机转速增加,造成短时间内(一般持续数秒钟)电压和频率都有所上升,工频电压升高就更严重。

要准确地计算甩负荷引起的工频电压升高,需要具备电机参数、调速器和励磁系统的详细数据。下面讲述其计算过程。

设系统正常运行时,母线电压为,线路首端电流为,功率因数为cosφ,因此传输的有功功率P=3U ph I ph cosφ,无功功率Q=3U ph I ph sinφ,图3-7中发电机电动势为

图3-7　甩负荷后暂态电动势计算示意图

甩负荷以前,由于线路上输送相当大的有功及感性无功功率,因此电源电动势必然高于母线电压,正如计算表明E＞U ph。甩负荷以后,根据磁链不变原理,电源暂态电动势维持原来数值,=E,所以

其中

式中:X S为电源的等值电抗;为发电机的暂态电抗;X T为变压器的漏抗;Z C为线路的波阻抗;P n为输电线路的三相自然功率。

设电源变压器与发电机的容量相等,均为S(kVA),将X S化作以S为基值的标幺值,则

于是(www.xing528.com)

将式(3-13)代入式(3-12),则

其中

例如,某系统=0.3,cosφ=0.85,利用式(3-14)可得

也就是说,在给定的参数条件下,甩负荷以前为保持母线电压为U ph,电源电动势E=1.186U ph。因此甩负荷后,电机的暂态电动势仍 是此值。

甩负荷后,由于线路末端断路器跳闸,形成电源带空载长线的运行方式,必须计及长线路的电容效应对工频电压升高的影响。如上述情况中,线路长度l=300km,P=,则由式(3-13)有

利用式(3-6),其中αl=18°,得

线路末端电压为

如果断路器的开断是由短路故障引起,则由于强行励磁的作用,的数值还会更高些。另一方面,在故障切除后,发电机的自动电压调整器经过一段时间后会起到降压作用,使降低。因此,电动势、母线电压及线路末端电压将首先上升,然后下降,上升的数值以及时间则取决于系统的参数及所用设备的性能。

影响工频电压升高的另一因素是发电机转速的增加。甩负荷后,由于调速器和制动设备的惰性,不能立即起到应有的调速效果,导致发电机加速旋转(飞逸现象),使电动势及其频率上升,从而使空载线路中的工频电压升高更为严重。但这种飞逸过程的形成和衰减很慢。待自动电压调整器起作用后,将降低,一般这个过程可持续几秒之久。