CN104701833A - 特高压输电工频过电压抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种特高压输电工频过电压抑制方法，针对空载长线电容效应、不对称接地故障和三相甩负荷(或三相分闸)产生的工频过电压，通过选择并联电抗器，并对电抗器选用的上下限计算并通过可控电抗器的暂态调节以及级数切换，来限制特高压输电系统的工频过电压，从而保障特高压输电的稳定性与安全性。

Description

特高压输电工频过电压抑制方法

技术领域

本发明涉及一种特高压输电技术领域，具体来说，是一种特高压输电工频过电压抑制方法。

背景技术

近年米，随着我国国民经济的快速发展，对电力的需求日益增大，甚至有些地方在用电高峰期出现缺电情况，那么建立特高压输电系统将有助于解决这一情况，使资源更加优化，提高能源利用率。我国特高压输电的主要特点是传输容量大，输电距离远，西部能源基地与东部负荷中心距离在1O00km以上，随之带来的电磁暂态和过电压问题就显得比较突出，主要表现为其电容效应异常显著，由此造成很大的空载线路工频过电压，如果不采取相应的措施，必将严重影响着线路的安全运行。

特高压输电系统已经成为我国长距离、跨区域输电的骨架网络．随着电压等级的提升，在传输更大容量的同时却由于线路的容升效应，增大了系统的工频过电压，降低了系统的动态、静态稳定性可以变化容量的可控电抗器的应用，为该问题的解决提供了一条有效的途径。该装置可兼顾限制工频过电压、无功调压和系统稳定性三方面的要求。

发明内容

基于现有技术存在的特高压输电带来的工频过电压问题，本发明提出适用于特高压系统的可控并联电抗器模型，并对其结构、原理做了介绍。重点通过对不同工况下可控电抗器对于系统工频过电压的限制进行了分析，说明了可控并联电抗器对于抑制工频过电压的有效性。

工频过电压在电网内部由于断路器操作和各类故障(接地、断线等)，会使得系统参数发生变化，引起电磁能量的振荡和传递而出现电压升高现象。它的能量来源于电网本身。并在工频电压的基础上振荡产生，故其幅值大体与工频电压的大小成正比关系，工频过电压电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL／T620—1997)中规定了系统工频过电压水平。即线路断路器的变电站侧不宜超过1．30p.u.,线路断路器的线路侧不宜超过1．40p.u.,工频过电压的基准值取为                                                。其中，为电网最高相电压有效值，单位为kV。并且规定取正常送电状态下甩负荷合以及线路末端(受端)有单相接地故障下甩负荷作为确定电网工频过电压的条件。

特高压工频过电压主要由以下三种基本方式产生：(1)空载长线电容效应；(2)不对称接地故障；(3)三相甩负荷(或三相分闸)。

空载长线电容效应，集中参数LC电路中，当容抗大于感抗时，电路中流过容性电流。此时，电容上电压等于电源电势电压与电感上电压之和，高于电源电势。分布参数线路可看作由无数个串联的LC电路构成，工频下线路的总容抗一般大于感抗，故线路上的电压沿远离首端的方向逐渐升高，这就是空载线路电容效应引起的工频电压升高。

线路不对称短路故障，不对称短路故障主要指单相接地故障和两相接地故障，其中以单相接地故障最为常见，且引起的工频电压升高一般也更严重。

三相甩负荷工频过电压，当输电线路重负荷运行时，由于某种原因线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，也是造成工频电压升高的原因之一，通常称为甩负荷效应。以受端甩负荷为例进行分析。甩负荷前由于电源会向线路输送潮流(包括有功潮流和无功潮流)，从而在送端电源等值阻抗上形成电压降，使电源电势高于母线电压；由于甩负荷前后发电机的磁链不能突变，甩负荷之后的短时间内电源电势基本保持不变，而甩负荷之后电压等值阻抗上电压降消失，从而使母线电压升高，在线路上形成较高过电压。

特高压工频过电压的幅值受到很多因素的影响，这些因素主要包括故障类型、电源等值阻抗、线路长度、接地故障点位置以及输送功率等。

为了限制工频过电压和操作过电压，需要在特高压长线路上装设高补偿度的并联电抗器，又由于特高压交流输电线路一般距离较远、潮流变化很大，受两端变压器低压绕组容量的限制，低压无功补偿装置已调压能力有限，已无法满足特高压线路限制过电压与无功补偿的矛盾。根据可控电抗器的原理，在特高压电网中投入一定比例的可控电抗器可有效解决特高压线路限制过电压和无功调节之间的矛盾。

特高压线路可控电抗器补偿度上限的确定

A相与B相对地电容及这两相之间的相间电容直接接在正常相电源,C点电位为悬空的C相电位。C相相电压Uc为

式中，为相电压有效值；。

在一定的可控电抗器及小电抗参数配合下，若条件

或满足，则相间阻抗和对地阻抗可能发生串联谐振，并产生幅值很高的谐振过电压，为相间电容；为各相对地电容；LP为可控电抗器；LN为可控电抗器中性点接地电抗，即小电抗。为等效相间电抗，为等效对地电抗。

可控电抗器补偿度k为工频下可控电抗器补偿容量与线路正序电容无功功率的百分比

（5）

式中，为相电压，为可控电抗器阻抗，为线路正序电容的阻抗值。

可控电抗器补偿度上限计算的具体步骤如下：

①计算线路各序参数．

②计算工频下相间电容完全补偿时的小电抗阻抗值；

③推导工频下成品小电抗阻抗值与线路实际所需小电抗阻抗值之间可能存在的最大偏差，令偏差最大时的小电抗电感值为；

④结合线路参数，计算小电抗偏差最大时相间电抗和对地电抗(工频下)，并进一步计算对应的相间电感LMS以及对地电感LDS，然后将LMS和LDS代入式(4)计算线路回路发生谐振时的频率；改变可控电抗器补偿度k，计算各可控电抗器补偿度下的谐振频率，作出可控电抗器补偿度k(横坐标)与谐振频率(纵坐标)的关系图；

⑤确定成品可控电抗器补偿容量可能存在的最大正偏差，得出实际可控电抗器补偿度与最初设计时可控电抗器补偿度的比例P，将由步骤④所得出的可控电抗器补偿度k(横坐标)与谐振频率(纵坐标)的关系曲线的横坐标缩小P倍，则得出考虑可控电抗器偏差和小电抗偏差的可控电抗器补偿度与谐振频率的关系曲线；⑥根据谐振频率要求(小于某值)，从上述可控电抗器补偿度k与谐振频率的关系图得出可控电抗器补偿度的上限。

在线路单回路运行时，相间电抗只需补偿本回路的相间电容即可，此时可控电抗器补偿度下限的确定方法与单回线路完全一致，即此时可控电抗器补偿度下限可按下式计算

（6）

通过采用可控并联电抗器来抑制工频过电压。

可控并联电抗器的暂态调节流程为：

1)收到保护动作信号或断路器分闸信号，启动暂态调节流程；

2)同时发出容量阀导通和旁路断路器闭合命令；

3)等容量旁路断路器闭合后，闭锁容量阀；

4)故障恢复或断路器重合闸成功后，可控并联电抗器回到稳态调节流程，

5）根据系统计算调节到需要的分级数。

可控并联电抗器容量切换过程中，晶闸管阀首先导通，然后与晶闸管阀并联的断路器导通，等断路器导通后，晶闸管阀闭锁，断路器承担长期工作电流。容量切换过程中，电流过渡平滑，无直流分量，不会对系统造成冲击。稳态调节时间≤20ms，暂态调节时间≤40ms，可以满足系统对可控并联电抗器的要求。

通过选择并联电抗器，并对电抗器选用的上下限计算以及可控电抗器的调节，来限制特高压输电系统的工频过电压，从而保障特高压输电的稳定性与安全性。

附图说明

图1为特高压输电电路模型

图2为可控并联电抗器电路模型。

具体实施方式

如图1所示，为特高压输电电路，输电中存在着工频过电压影响着输电的稳定性与安全性，本发明提出适用于特高压系统的可控并联电抗器模型，并对其结构、原理做了介绍。重点通过对不同工况下可控电抗器对于系统工频过电压的限制进行了分析，说明了可控并联电抗器对于抑制工频过电压的有效性。

工频过电压在电网内部由于断路器操作和各类故障(接地、断线等)，会使得系统参数发生变化，引起电磁能量的振荡和传递而出现电压升高现象。它的能量来源于电网本身。并在工频电压的基础上振荡产生，故其幅值大体与工频电压的大小成正比关系，工频过电压电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL／T620—1997)中规定了系统工频过电压水平。即线路断路器的变电站侧不宜超过1．30p.u.,线路断路器的线路侧不宜超过1．40p.u.,工频过电压的基准值取为。其中，为电网最高相电压有效值，单位为kV。并且规定取正常送电状态下甩负荷合以及线路末端(受端)有单相接地故障下甩负荷作为确定电网工频过电压的条件。

特高压工频过电压主要由以下三种基本方式产生：(1)空载长线电容效应；(2)不对称接地故障；(3)三相甩负荷(或三相分闸)。

空载长线电容效应，集中参数LC电路中，当容抗大于感抗时，电路中流过容性电流。此时，电容上电压等于电源电势电压与电感上电压之和，高于电源电势。分布参数线路可看作由无数个串联的LC电路构成，工频下线路的总容抗一般大于感抗，故线路上的电压沿远离首端的方向逐渐升高，这就是空载线路电容效应引起的工频电压升高。

线路不对称短路故障，不对称短路故障主要指单相接地故障和两相接地故障，其中以单相接地故障最为常见，且引起的工频电压升高一般也更严重。

三相甩负荷工频过电压，当输电线路重负荷运行时，由于某种原因线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，也是造成工频电压升高的原因之一，通常称为甩负荷效应。以受端甩负荷为例进行分析。甩负荷前由于电源会向线路输送潮流(包括有功潮流和无功潮流)，从而在送端电源等值阻抗上形成电压降，使电源电势高于母线电压；由于甩负荷前后发电机的磁链不能突变，甩负荷之后的短时间内电源电势基本保持不变，而甩负荷之后电压等值阻抗上电压降消失，从而使母线电压升高，在线路上形成较高过电压。

特高压工频过电压的幅值受到很多因素的影响，这些因素主要包括故障类型、电源等值阻抗、线路长度、接地故障点位置以及输送功率等。

为了限制工频过电压和操作过电压，需要在特高压长线路上装设高补偿度的并联电抗器，又由于特高压交流输电线路一般距离较远、潮流变化很大，受两端变压器低压绕组容量的限制，低压无功补偿装置已调压能力有限，已无法满足特高压线路限制过电压与无功补偿的矛盾。根据可控电抗器的原理，在特高压电网中投入一定比例的可控电抗器可有效解决特高压线路限制过电压和无功调节之间的矛盾。

特高压线路可控电抗器补偿度上限的确定

A相与B相对地电容及这两相之间的相间电容直接接在正常相电源,C点电位为悬空的C相电位。C相相电压Uc为

式中，为相电压有效值；。

在一定的可控电抗器及小电抗参数配合下，若条件

或满足，则相间阻抗和对地阻抗可能发生串联谐振，并产生幅值很高的谐振过电压，为相间电容；为各相对地电容；LP为可控电抗器；LN为可控电抗器中性点接地电抗，即小电抗。为等效相间电抗，为等效对地电抗。

可控电抗器补偿度k为工频下可控电抗器补偿容量与线路正序电容无功功率的百分比

（5）

式中，为相电压，为可控电抗器阻抗，为线路正序电容的阻抗值。

可控电抗器上限计算的具体步骤如下：

①计算线路各序参数．

②计算工频下相间电容完全补偿时的小电抗阻抗值；

③推导工频下成品小电抗阻抗值与线路实际所需小电抗阻抗值之间可能存在的最大偏差，令偏差最大时的小电抗电感值为；

④结合线路参数，计算小电抗偏差最大时相间电抗和对地电抗(工频下)，并进一步计算对应的相间电感LMS以及对地电感LDS，然后将LMS和LDS代入式(4)计算线路回路发生谐振时的频率；改变可控电抗器补偿度k，计算各可控电抗器补偿度下的谐振频率，作出可控电抗器补偿度k(横坐标)与谐振频率(纵坐标)的关系图；

⑤确定成品可控电抗器补偿容量可能存在的最大正偏差，得出实际可控电抗器补偿度与最初设计时可控电抗器补偿度的比例P，将由步骤④所得出的可控电抗器补偿度k(横坐标)与谐振频率(纵坐标)的关系曲线的横坐标缩小P倍，则得出考虑可控电抗器偏差和小电抗偏差的可控电抗器补偿度与谐振频率的关系曲线；⑥根据谐振频率要求(小于某值)，从上述可控电抗器补偿度k与谐振频率的关系图得出可控电抗器补偿度的上限。

在线路单回路运行时，相间电抗只需补偿本回路的相间电容即可，此时可控电抗器补偿度下限的确定方法与单回线路完全一致，即此时可控电抗器补偿度下限可按下式计算

（6）

通过采用可控并联电抗器来抑制工频过电压。

可控并联电抗器的暂态调节流程为：

1)收到保护动作信号或断路器分闸信号，启动暂态调节流程；

2)同时发出容量阀导通和旁路断路器闭合命令；

3)等容量旁路断路器闭合后，闭锁容量阀；

4)故障恢复或断路器重合闸成功后，可控并联电抗器回到稳态调节流程，

5）根据系统计算调节到需要的分级数。

可控并联电抗器容量切换过程中，晶闸管阀首先导通，然后与晶闸管阀并联的断路器导通，等断路器导通后，晶闸管阀闭锁，断路器承担长期工作电流。容量切换过程中，电流过渡平滑，无直流分量，不会对系统造成冲击。稳态调节时间≤20ms，暂态调节时间≤40ms，可以满足系统对可控并联电抗器的要求。

通过选择并联电抗器，并对电抗器选用的上下限计算以及可控电抗器的调节，来限制特高压输电系统的工频过电压，从而保障特高压输电的稳定性与安全性。

Claims (6)

1.一种特高压输电工频过电压抑制方法，其特征在于，特高压输电工频过电压包括：空载长线电容效应、不对称接地故障和三相甩负荷(或三相分闸)，采用并联可控电抗器抑制特高压输电工频过电压。

2.如权利要求1所述的一种特高压输电工频过电压抑制方法，其特征在于，特高压线路并联可控电抗器补偿度上限的确定方法为：

A相与B相对地电容及两相之间的相间电容直接接在正常相电源,C点电位为悬空的C相电位，C相相电压Uc为

式中，为相电压有效值；，在一定的可控电抗器及小电抗参数配合下，若条件

或满足，则相间阻抗和对地阻抗可能发生串联谐振，并产生幅值很高的谐振过电压，为相间电容；为各相对地电容；LP为可控电抗器；LN为可控电抗器中性点接地电抗，即小电抗，为等效相间电抗，为等效对地电抗。

3.如权利要求2所述的一种特高压输电工频过电压抑制方法，其特征在于，可控电抗器补偿度k为工频下可控电抗器补偿容量与线路正序电容无功功率的百分比

（5）

式中，为相电压，为可控电抗器阻抗，为线路正序电容的阻抗值。

4.如权利要求3所述的一种特高压输电工频过电压抑制方法，其特征在于，可控电抗器补偿度上限计算的具体步骤如下：

①计算线路各序参数；

②计算工频下相间电容完全补偿时的小电抗阻抗值；

③推导工频下小电抗阻抗值与线路实际所需小电抗阻抗值之间存在的最大偏差，令偏差最大时的小电抗电感值为；

④结合线路参数，计算小电抗偏差最大时相间电抗和对地电抗，并进一步计算对应的相间电感LMS以及对地电感LDS，然后将LMS和LDS代入式(4)计算线路回路发生谐振时的频率；改变可控电抗器补偿度k，计算各可控电抗器补偿度下的谐振频率，作出可控电抗器补偿度k与谐振频率的关系图；

⑤确定成品可控电抗器补偿容量存在的最大正偏差，得出实际可控电抗器补偿度与最初设计时可控电抗器补偿度的比例P，将由步骤④所得出的可控电抗器补偿度k与谐振频率的关系曲线的横坐标缩小P倍，得出考虑可控电抗器偏差和小电抗偏差的可控电抗器补偿度与谐振频率的关系曲线；

⑥根据谐振频率要求，从上述可控电抗器补偿度k与谐振频率的关系图得出可控电抗器补偿度的上限。

5.如权利要求4所述的一种特高压输电工频过电压抑制方法，其特征在于，可控电抗器补偿度下限可按下式计算

（6），为相间电容，为线路正序电容。

6.如权利要求5所述的一种特高压输电工频过电压抑制方法，其特征在于，可控并联电抗器的暂态调节流程为：

1)收到保护动作信号或断路器分闸信号，启动暂态调节流程；

2)同时发出容量阀导通和旁路断路器闭合命令；

3)等容量旁路断路器闭合后，闭锁容量阀；

4)故障恢复或断路器重合闸成功后，可控并联电抗器回到稳态调节流程，

5）根据系统计算调节到需要的分级数；

可控并联电抗器容量切换过程中，晶闸管阀首先导通，然后与晶闸管阀并联的断路器导通，等断路器导通后，晶闸管阀闭锁，断路器承担长期工作电流，容量切换过程中，电流过渡平滑，无直流分量，不会对系统造成冲击，稳态调节时间≤20ms，暂态调节时间≤40ms。