基于PSCAD/EMTDC的500kV武—察同塔双回输变电工程内部过电压仿真分析

为保证电网设备安全,新建500kV工程的过电压计算显得尤为重要,目前相关文献研究较多,但缺少详尽的工程计算实例。这里以500kV武—察输变电工程为例,结合BPA程序进行电网等值分析计算,基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件进行过电压分析,完整地计算了500kV武—察双回线路的过电压问题,提供了同塔双回的工频过电压、静电耦合特性、潜供电流和恢复电压的不对称性、重合闸时间需延长设计的具体数据,具有很强的工程参考价值。

一、工程简介与仿真模型的建立

1.工程简介

500kV武—察输变电工程新建500kV武川变电站,本期建设750MVA主变压器一台,武川站500kV侧并联150Mvar母线高抗,本次启动武—察双回线。其中,武察双回线长度为83.997km,采用同塔双回的架设方式,线路全线无换位,导线排列方式为垂直排列,武察Ⅰ回上中下依次为B、A、C三相,武察Ⅱ回上中下排列依次为B、C、A三相,两侧没有并联线路高抗。武察双回500kV线路导线型号均为4×LGJ-400/35,且断路器无合闸电阻。为满足工程系统调试的需要,现对以上投产工程进行工频过电压、操作过电压、潜供电流与恢复电压的计算分析,以便为工程实施提供理论依据,为运行提供参考。500kV武—察输变电工程的网架结构示意图如图A-1所示。

图A-1　500kV武—察同塔双回线启动工程网架结构示意图

图A-2　同塔双回输电线路模型

2.500kV线路杆塔模型

500kV输电线路布置为同塔双回结构,全长83.997km,基于PSCAD的500kV输电线路的杆塔模型如图A-2所示。

3.500kV输电线路参数模型

500kV输电线路采用Bergeron模型,该计算方法是利用线路上波过程的特征线方程,经过一定的转换,把分布参数的线段等值为电阻性网络,再运用求解电阻性网络的通用方法计算整个网络的暂态过程。因此,在暂态计算以前先要把分布参数线路、储能集中参数元件L、C等值为电阻性的计算电路。相关线路的参数见表A-1。

表A-1　500kV武—察输变电工程内过电压计算相关线路参数

注:坤—德指春坤山—德岭山;包—坤指包头北—春坤山;汗—旗指汗海—旗下营;永—旗指永圣域—旗下营;察—汗指察右中—汗海;坤—旗指春坤山—旗下营。

4.500kV武—察输变电工程等值网络模型

500kV武—察输变电工程工频过电压、潜供电流和恢复电压计算所用的500kV系统等值网络如图A-3所示,其中正常方式下的正序、零序阻抗参数见表A-2。

图A-3　500kV武—察同塔双回输变电工程过电压计算网络等值模型

表A-2　正常方式下500kV武—察输变电工程系统等值网络阻抗矩阵

注:表中序号1～8阻抗指各节点对地的支路等值阻抗,序号9～16阻抗指节点之间的支路等值阻抗。

5.500kV同塔双回输电线路潜供电流和恢复电压模型

500kV输电线路接地部分利用FAULTG、ARC模块,需设置故障时序、弧电阻和弧长。输电线路采用BERGERON模型,可以输入线路的长度、频率和正序电阻等参数(数据见表A-1),来实现线路的模拟。测量部分设置了电压、电流和功率等测量元件,最后通过调节控制线路的首末端电源的电压、功角等参数来模拟真实电力系统中流动的潮流,从而完成了模型的建立与调节。500kV线路潜供电流和恢复电压模块设计如图5-9所示。

二、工频过电压的仿真分析

基于500kV输变电工程系统调试仿真方法研究,分别在调试方式、正常方式及检修方式下,计算武—察双回线的工频过电压。计算结果中,工频过电压基准值为1.0p.u.=550/3=317.55(kV),以下没有特殊说明时,均按此定义。

1.调试方式下工频过电压计算

在调试方式下,计算了武—察双回线的空载长线容升效应(K 0)和线路末端单相短路(K 1)两种情况下的工频过电压,如图A-4和图A-5所示。考虑高抗投退和调试中可能出现的充电方式,即察右中空充武川、察右中串带武川空充至察右中两种方式,工频过电压计算结果见表A-3和表A-4。

2.正常方式下工频过电压计算

在正常方式下,即武—察双回线路均投运,针对武—察双回线分别计算其线路两端发生无故障跳闸后空载长线电压升高(K 0)及线路末端单相短路甩负荷(K 1)后相对地和相间工频过电压,如图A-6和图A-7所示,工频过电压计算结果见表A-5。

图A-4　空充三相线路合闸产生的过电压

图A-5　A相单相短路引起的过电压

表A-3　WCTS1方式下武—察线工频过电压计算结果

注:表中WCTS1指的是察右中空充武川,考虑了高抗投退。

表A-4　WCTS2方式下武—察线工频过电压计算结果

注:表中WCTS2指的是察右中串带武川空充至察右中,考虑了高抗投退。

图A-6　无故障甩负荷前后工频过电压

图A-7　单相短路甩负荷引起的工频过电压

表A-5　正常方式下武—察Ⅰ线工频过电压计算结果

注:表中正常方式指的是武—察双回线路投运,武川主变合环,同时考虑了高抗投退。

3.检修方式下工频过电压计算

在检修方式下,考虑了汗—察Ⅰ线检修、武—察Ⅰ线检修两种方式,针对武—察双回线,分别计算其线路两端发生无故障跳闸后空载长线电压升高(K 0)及线路末端单相短路甩负荷(K 1)后相对地和相间工频过电压,计算结果见表A-6和表A-7所示。(www.xing528.com)

表A-6　WCJX1方式下武—察Ⅰ线工频过电压计算结果

注:表中WCJX1指的是汗—察Ⅰ线检修,考虑了高抗投退。

表A-7　WCJX2方式下武—察Ⅰ线工频过电压计算结果

续表

注:表中WCJX2指的是武—察Ⅰ线检修。

4.工频过电压计算小结

(1)工频过电压数值。由表A-3和表A-4可以看出,在调试方式下,武—察双回线相地工频过电压最大值为1.157p.u.;由表A-5可以看出,在正常方式下,武—察双回线相地工频过电压最大值为1.158p.u.;由表A-6和表A-7可以看出,在各种检修方式下,武察双回线相地工频过电压最大值为1.163p.u.。依据DL/T 620—1997规定,上述结果均满足小于规程规定的1.4p.u.。

(2)控制首端母线电压结论。根据计算结果,在系统正常方式下,武察线不用采取特殊措施控制电网电压。在调试方式下需要控制母线电压的情况如下:察右中串带武川空充至察右中时,当察右中和武川母线高抗均退出时,需要控制察右中母线电压不超过527.9kV。

三、潜供电流和恢复电压的仿真分析

武—察双回线路为同塔双回路架设,导线均采用4×LGJ-400/35,导线分裂间距450mm。以察右中至武川变电站方向为线路前进方向,双回路塔左侧为Ⅰ回,右侧为武察Ⅱ回,线路全线无换位,导线排列方式为垂直排列,武察Ⅰ回上中下相位依次为B、A、C,武察Ⅱ回上中下相位排列依次为B、C、A,两侧没有并联线路高抗。考虑到同塔双回线路间的感应较强,且线路不换位,对武察Ⅰ、Ⅱ线的潜供电流及恢复电压分相进行计算,其波形如图A-8所示,结果见表8。

图A-8　潜供电流和恢复电压波形图

表A-8　正常方式下武察Ⅰ、Ⅱ线潜供电流和恢复电压计算结果

武察线Ⅰ、Ⅱ线的潜供电流最大值为24.028 A,恢复电压最大值为79.426 kV,若潜供电弧弧道长度以3.7m作为计算,恢复电压梯度为21.466kV/m。结合DL/T 614—1997,对于无补偿线路,当恢复电压梯度为16.8kV/m,潜供电流为24A时,潜供电弧的自熄灭时间推荐值为0.55s～0.8s;同时,考虑潜供电弧熄灭后的弧道介质恢复时间约为0.1s和潜供电弧熄灭后的无电流间隙所留裕度0.1s,则无补偿的武—察Ⅰ、Ⅱ线断路器的最小单相重合闸时间均可按1.0s考虑。

四、武—察双回出线接地刀闸校验计算

根据现场提供的资料,武—察双回线路为同塔双回,由于同塔双回线路在不换位情况下,双回线间的耦合作用很强,不换位同杆架设双回输电线路一回带电运行,一回停运时,运行线路将在停运线路上产生感应电压和电流,停运线路的感应电流很大,对线路侧接地开关的要求较高,选择时需要进行必要的计算与校验。武—察双回线路一回停电时另外一回线路潮流按照2000MW考虑,计算结果见表A-9所示。表A-10所示参数是国际标准IEC—62271和电力行业标准DL/T 486—2010《高压交流隔离开关和接地开关订货技术条件》规定的接地开关感应电流开合能力。接地开关开断时信号波形如图A-9所示。

表A-9　武—察双回线路之间感应电压和电流的计算结果

表A-10　接地开关的额定感应电流和额定感应电压的标准值

注:1.A类接地开关:用于耦合弱或比较短的平行线路。B类接地开关:用于耦合强或比较长的平行线路。
2.在某些情况(接地线路很长一段与带电线路邻近,带电线路上的负荷很大,带电线路的运行电压比接地线路高等)下,感应电流和感应电压可能高于表中的值。对于这类情况,额定值应由制造厂和用户协商确定。

图A-9　接地开关开断感应电流和瞬态恢复电压的信号波形

根据表A-9的计算结果,武—察双回线路的静电感应电压在27.581kV以下,静电感应电流小于8.779A,电磁感应不超过6.990kV;若武—察双回线路一回停电时,另外一回线路潮流不超过2000MW情况下,电磁感应电流不超过199.001A。可见,若武—察双回线路一回停电时另外一回线路潮流不超过2000MW,可以选用B类接地刀闸;若双回线路一回停电时另外一回线路潮流输送有可能超过2000MW,建议武—察双回线路两侧选择超B类接地刀闸。

综上所述,同塔双回线路的感应电流和感应电压包括容性和感性两个分量,其中容性分量是通过线路间电容耦合感应产生的,而感性分量是通过线路间互感耦合感应产生。同塔双回线路感性感应电流和容性感应电压与线路长度关系不大,而感性感应电压和容性感应电流与线路长度成正比,随着线路传输功率增大感性感应电流和感性感应电压成正比例增大,而容性感应电流和容性感应电压与输送潮流关系不大。

五、操作过电压计算

基于《500kV武川输变电工程系统调试计算分析报告》,计算武察双回线的合空线和单相重合闸操作过电压。计算结果中,操作过电压基准值为1.0p.u.=550/=449.07(kV),以下在没有特殊说明时,均按此定义。

1.合空线操作过电压计算

在空充方式下,基于坤—武Ⅱ线春坤山侧高抗是否投运,计算武—察Ⅰ、Ⅱ线的合空线操作过电压。根据正态分布的“3σ规则”和绝缘配合中使用的统计过电压U2%,鉴于三相开关动作的不同期性(开关的不同期时间大约为5ms),在计算中考虑开关预期合闸时间在一个周波内服从随机均匀分布、开关三相不同期性在[-0.0025,0.0025]区间内服从正态分布。在此基础上,针对武—察Ⅰ、Ⅱ线,分别进行了120次空充合闸统计计算。通过引入蒙特卡洛法求取其120次合空线操作过电压的平均值U mean和最大值U 2%。线合空线操作过电压结果见表A-11。

表A-11　察右中侧空充武—察Ⅰ(Ⅱ)线合空线操作过电压计算结果

2.单相重合闸操作过电压计算

在正常运行方式下,针对武—察Ⅰ、Ⅱ线,分别计算其单相重合闸过电压。根据正态分布的“3σ规则”和绝缘配合中使用的统计过电压U 2%,鉴于三相开关动作的不同期性(开关的不同期时间大约为5ms),在计算中考虑开关预期合闸时间在一个周波内服从随机均匀分布、开关三相不同期性在[-0.0025,0.0025]区间内服从正态分布。在此基础上,针对武—察Ⅰ、Ⅱ线进行了120次单相重合闸统计计算。通过引入蒙特卡洛法求取其120次单相重合闸操作过电压的平均值U mean和最大值U 2%,结果分别见表A-12。

表A-12　正常运行方式下武—察Ⅰ(Ⅱ)线单相重合闸操作过电压计算结果　单位:p.u.

3.操作过电压计算小结

由表A-11和表A-12可以看出,武—察Ⅰ、Ⅱ线合空线操作过电压相地最大值为1.754p.u.,单相重合闸操作过电压相地最大值为1.760p.u.。依据DL/T 620—1997规定,上述操作过电压相地最大值均满足不超过2.0p.u.的规定。

六、结论与建议

通过建模仿真,计算了500kV同塔双回输电线路的工频过电压、操作过电压、潜供电流和恢复电压,从而为500kV输变电工程的调试启动奠定了理论基础。

(1)首先深入研究网络结构与参数,基于FORTRAN语句利用PSCAD软件对500kV输变电系统等值建模,进而计算出典型同塔双回线路的工频过电压数值。以武—察双回输电线路为实例,详细分析了各种运行方式下过电压的产生机理,创新性的提供了相关工程的系统调试计算方案与思路,其完整的计算数据具有宝贵的参考价值。

(2)分析了正常、调试方式下,500kV武察双回线路的控制电压极限。同时为满足内蒙古500kV主干网架北部通道呼包、呼丰断面N-2断线,系统安全稳定问题,进行了各种检修方式下工频过电压和稳定电压控制极限计算。为调度运行,提高稳定性提供了根本的保证。

(3)分析了500kV武察同塔双回输电线路产生的静电感应电流和电压,对出线刀闸进行了选型与校验,提出了选用超B类刀闸的具体建议。为500kV同塔双回超高压输电提供了设计参考与理论依据。

(4)对500kV输变电工程的系统调试计算、启动运行奠定了坚实的基础。

(5)对工程建设具有积极的指导意义。对断路器的参数选择、重合闸时间选取、刀闸选型和地刀校验,提供了理论支撑;是工程建设初期设计计算的重要依据;是工程调试启动前,重要的理论验证工作;是工程运行后,事故处理的重要思路;对优化电网配置,有效设计、调度电网运行提供了重要参数,是电力系统理论指导电网实际运行的重要平台。